世界最高效 - 大面积钙钛矿太阳能电池

sbitxihc0616 · 发表于 2015-12-20 21:38:13

2015年是中国学术圈群星璀璨、捷报频传的一年：既有屠呦呦荣获本土第一个诺贝尔科学奖的惊艳，又有王贻芳大亚湾中微子振荡摘取基础物理突破大奖的欣喜；既有施一公解析剪接体三维结构所带来的期许，也有古脊椎动物与古人类研究所湖南道县发现47枚8至12万年人类牙齿化石所给予的启迪。

更让人振奋的是，在2015年，中国学术圈也涌现出一大批杰出的青年科学家，像一颗颗耀眼的新星，冉冉升起，做出令人炫目的成绩：既有大面积钙钛矿太阳能电池的世界纪录，也有硫化氢高温超导体的准确预测，既有人类胚胎基因编辑的首次成功，也有外尔费米子的开创性发现，高水平的科研成果呈井喷之状。
为促进青年学者的交流、合作、创新与进步，并推动科学技术的宣传、普及、传播与转化，我们在征求各领域专家学者意见的基础上，从2015年做出突出成绩、有高显示度科研成果的青年才俊中，遴选出30位具有代表性的科技新星，作为“2015年中国十大新锐科技人物”候选人，并陆续介绍他们的卓越成就。首先，让我们来领略陈炜教授的科技成果——国际最高效率大面积钙钛矿太阳能电池。

华中科技大学武汉光电国家实验室陈炜副教授在访问日本国立物质与材料研究院（NIMS）期间，在钙钛矿薄膜太阳能电池研究领域取得重要进展。基于P-i-N反式平面结构、通过优化界面工程，全面解决了钙钛矿太阳能电池高效率、迟滞现象、器件稳定性、大面积器件均匀性和一致性等重要问题，首次在国际权威太阳能电池认证机构——“日本产业技术综合研究所(AIST) ”认证成功大面积 (>1 cm2)钙钛矿太阳能电池国际最高效率(15%)，首次将大面积钙钛矿太阳能电池写进权威太阳能效率记录表《Solar cell efficiencytables (Version 46)》。这一最新成果的相关论文已于2015年11月在 Science 上线发表，论文通讯作者为NIMS韩礼元教授和瑞士联邦理工学院Michael Gratzel教授。
太阳能取之不尽、用之不绝，规模化利用清洁、可再生的太阳能对于优化能源消费结构、减少环境污染和全球温室效应的意义十分重大。现在已经市场化的光伏技术包括第一代晶体硅太阳能电池、第二代CIGS、CdTe薄膜太阳能电池，尽管每年以30%的速度高速成长，但其总装机发电量仍不足全球总能耗的1%。寻找新一代更廉价、更高效的光伏技术是太阳能利用的一个永恒命题，关系到未来太阳能在多大程度上取代化石能源。
钙钛矿太阳能电池是最近3年才出现的光伏技术，其效率记录提升的速度十分迅猛。目前韩国KRICT报道的钙钛矿太阳能电池效率达到20.1%，远远超过其他类型的新概念太阳能电池，几乎与发展数十年的CIGS等薄膜太阳能电池相当，而且将来仍会有很大的提升空间。见美国可再生能源实验室（NREL）编纂的最新效率记录表（图1）。

图1. 历年来各类型太阳能电池效率记录（NREL编纂）
此外，卤化物钙钛矿材料AMX3（A = CH3NH3+,NH2-CH=NH2+，Cs+等; M = Pb2+,Sn2+，Ge2+，Co2+，Fe2+，Mn2+，Cu2+，Ni2+，Bi3+等; X = Cl‒,Br‒, I‒等）具有原料丰富、成本低廉、光电性质优越、可溶液加工、可低温制备（<150℃）等特点和优势，使得钙钛矿太阳能电池的制造成本有望达到目前晶体硅太阳能电池的1/3-1/5。
显著的效率和成本优势有望推动钙钛矿太阳能电池在未来跨过商业化门槛，分享乃至颠覆未来的光伏市场。但是，尽管前景乐观，仍有几朵乌云笼罩在钙钛矿太阳能电池真正走向商业化的路途上。正如美国可再生能源实验室光伏认证中心负责人Keith Emery博士和澳大利亚新南威尔士大学Martin Green教授今年年初发表公开评论所说：（1）钙钛矿太阳能电池普遍存在稳定性问题，很多电池在测试的过程中就发生了衰变，因此很多文献报道的钙钛矿电池高效率都无法通过第三方认证，其真实性都值得怀疑；（2）钙钛矿太阳能电池普遍存在迟滞现象，即IV测试正反扫测得的结果存在明显的不一致。很多论文仅报道其中一种扫描方式得到的可能是高估的实验结果。Keith Emery和Martin Green领导着国际上最权威的太阳能电池认证中心，他们对钙钛矿太阳能电池的负面意见表明原先的钙钛矿电池技术可能存在严重缺陷，这也可能是为什么迄今为止，除了Newport公司认证的小面积（<0.1cm2）钙钛矿太阳能电池得到了认证数据外，其他国际权威认证中心在钙钛矿电池方向集体失声的原因。
据了解，日本AIST（5家国际权威认证中心之一）检测过多家研究单位送检的钙钛矿太阳能电池，验证得到的器件性能与基于实验室所得数据的预期值相差较大。这也是为什么在我们于AIST认证成功大面积（>1cm2）钙钛矿电池15%效率之前，权威的《Solar Cell Efficiency Tables》中钙钛矿太阳能电池处于空缺状态的原因。
我们通过测试数万条IV曲线，在比较了几种最常见的钙钛矿太阳能电池结构以后，发现P-i-N反式平面结构电池更容易消除迟滞效应。电池结构如图2所示。我们通过实施成功的界面工程，以稳定、高导电、能带调控的重掺杂型无机界面材料在电极附近分别抽取电子和空穴，并在大面积范围内控制消除界面缺陷。这样做的结果是：
（1）该电池表现出迄今为止各类钙钛矿太阳能电池中最佳的填充因子达0.83，开路电压接近1.1V，小面积（0.09 cm2）电池的效率提升到18.3%，大面积（1.02 cm2）电池的效率达到16.2%；
（2）无论是小电池还是大电池，其IV测试的迟滞效应都非常小，并且多批次数十个电池都表现出很好的工艺可重现性和器件性能的高度一致性（图3）；
（3）器件表现出迄今为止各类型钙钛矿太阳能电池有报道以来最好的稳定性，1000小时持续光照老化前后的性能衰减<10%。PCBM的疏水性质和无机界面层的化学稳定性对钙钛矿层起到了保护作用。我们这种反式结构设计排除了其他由不稳定界面材料带来的干扰，将钙钛矿太阳能电池性能衰变的原因都集中到钙钛矿材料本身，可以在最大程度上真实反映钙钛矿太阳能电池的稳定性到底如何。意外的是，初步加速老化的测试结果几乎是令人满意的，多块电池样品老化前后的效率衰减均不到10%（图4）。

图2. 基于重掺杂无机界面层的反式P-i-N平面结构钙钛矿太阳能电池结构示意图

图3. （a）取决于扫描条件的电池迟滞效应和（b）统计40块不同批次（小面积）电池性能的均一性和正反扫差异

图4. 一批次10块大面积（1.02 cm2）电池1000小时连续光照老化测试结果（测试光强：100mW/cm2，环境温度：25℃，短路情况连续电流输出）（a）归一化效率衰减<10%，（b）效率绝对值衰减统计图

如图3-4所描述，通过简单改变扫描条件即可消除迟滞效应、以及良好的稳定性是保证我们的大面积电池在日本AIST这种坚持最严格测试标准的认证机构取得认证成功的重要原因（图5）。我们的结果被号称“太阳能电池之父”的Martin Green教授接受，并首次写入由他联合NREL、AIST等权威部门编纂的《Solar cell efficiency tables, (version 46)》，见图6的“Table I”；这与之前韩国KRICT在Newport认证的小面积电池结果不同，他们的结果在Table III，被归类为“Notable exceptions”和“not class records”，主要原因在于面积过小容易引起较大测量误差。关于严格测试的重要性在最近连续几篇Nature子刊的评论文章中可以读到。我们大面积钙钛矿电池认证成功，使得钙钛矿太阳能电池的性能指标首次能够与其他类型太阳能电池在同一个标准下进行比较。并且，通过1cm2的器件可以估计更大面积电池模组的理论最大性能，因为更大面积的模组通常是由宽度为1cm2左右的长条状电池串并联组成，两者来自导电玻璃的电阻损耗相当。此外，基于我们的测试结果，AIST将与全球其他权威认证机构探讨建立新型钙钛矿太阳能电池的检测标准，相信以后会有更多钙钛矿太阳能电池的认证结果出自NREL、AIST等权威机构。

图5. 日本AIST认证结果，电池面积1.017cm2

图6. 认证结果为《Solar cell efficiency tables,(version 46)》收录
最后，我们认为，通过进一步改进钙钛矿薄膜质量和组分（例如以NH2-CH=NH2+离子取代CH3NH3+离子），大面积钙钛矿太阳能电池的效率记录可以很快推进到20%的水平。而关于稳定性则需要做更多更深入的研究工作，目前的器件仍存在一定程度的衰减（尽管衰减较小），除了所使用钙钛矿材料CH3NH3PbI3自身可能的分解外，可能与封装强度也有关。通过成分调控将CH3NH3PbI3钙钛矿材料的结晶温度（反之也是晶体退化温度）从目前的70-80℃提升到100-120℃以上，并采用更可靠的封装方式避免湿气的缓慢渗透，将有可能得到寿命足够长的电池器件。陈炜副教授已经获得风险投资意向，开始钙钛矿太阳能电池的中试研发，企业的介入将加快推动具有实用价值的新型光伏器件的诞生。