【所屬領(lǐng)域】
智能制造、新材料
【痛點(diǎn)問(wèn)題】
太陽(yáng)能是人類(lèi)可以利用的最豐富的能源，高效、穩定實(shí)現太陽(yáng)能利用一直是人類(lèi)追求的目標。太陽(yáng)能電池是一種直接將光能轉化為電能的技術(shù)。自上個(gè)世紀逐漸成熟實(shí)現民用后，光伏領(lǐng)域的市值已超萬(wàn)億，其中晶硅太陽(yáng)能電池是目前的主流技術(shù)。自2009年以來(lái)，一種新型光伏技術(shù)——鈣鈦礦太陽(yáng)能電池發(fā)展迅猛，單節電池的光電轉換效率從最初的3.8%飆升至25%以上。該技術(shù)是以AMX3鈣鈦礦型有機金屬鹵化物作為光活性層，成本遠低于晶硅材料。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件厚度僅有幾微米，具有可溶液加工、大面值制備、柔性、應用范圍廣等特點(diǎn)。
鈣鈦礦電池經(jīng)過(guò)近十年的發(fā)展，已經(jīng)走過(guò)了從實(shí)驗室小電池到中試大面積模組效率的驗證過(guò)程，目前正處于產(chǎn)業(yè)化推廣和提升的臨界點(diǎn)。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)化研究的核心是如何實(shí)現低成本、高性能、長(cháng)壽命的器件，若能夠在這三個(gè)方面取得快速突破，建立知識產(chǎn)權壁壘，將必定引領(lǐng)整個(gè)行業(yè)的發(fā)展及標準制定。鈣鈦礦材料的研發(fā)和器件結構及制備工藝的優(yōu)化，是推進(jìn)和實(shí)現鈣鈦礦光伏大規模制備必經(jīng)之路。
【成果介紹】
華中科技大學(xué)研究團隊從2013年開(kāi)始潛心研究鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，發(fā)展三維線(xiàn)性電荷傳輸模型，揭示鈣鈦礦太陽(yáng)能電池納米材料界面電荷注入/積累/復合的載流子輸運新機制，并提出了抑制界面非輻射復合和提高載流子傳輸的普適方法，達到提升器件效率和穩定性的目的。通過(guò)電荷傳輸與材料相變化之間的規律，提出了雙異質(zhì)結模型研究界面電荷輸運對新型光伏器件物理特性的影響，在國際上較早引入影響器件輸出電壓的與界面電荷輸運相關(guān)因素。
基于這些理論認識，研究團隊設計并合成可溶液加工新型電子傳輸功能層，比常規 TiO2 納米晶材料的電子遷移率高一個(gè)數量級。新型電子傳輸層也為鈣鈦礦界面修飾提供可控化學(xué)環(huán)境。團隊開(kāi)發(fā)的碳量子點(diǎn)修飾 TiO2新型電子傳輸層、SnO2/石墨烯新型電子傳輸層、SnS2二維電子傳輸層、氟元素梯度摻雜氧化錫等多種高電子遷移率電子傳輸層材料，能夠顯著(zhù)提升鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件效率和穩定性。
圖1 成果圖片
【技術(shù)優(yōu)勢】
①可通過(guò)旋涂、噴涂、刮涂等溶液工藝實(shí)現成膜：顯著(zhù)縮短產(chǎn)業(yè)鏈，可大幅降低電池組件生產(chǎn)成本。
②所采用的原材料可輕易獲得、成本低、可再生：鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的原材料均為基礎化工材料，不含稀有元素；鈣鈦礦材料對雜質(zhì)不敏感，原材料不受來(lái)源控制；同時(shí)整個(gè)工藝路線(xiàn)核心環(huán)節可實(shí)現低溫溶液制備，可實(shí)現綠色生產(chǎn)。
③和晶硅電池比較，性能更加優(yōu)異、應用領(lǐng)域更加廣泛：鈣鈦礦太陽(yáng)能電池對光線(xiàn)的要求更低，其吸收波長(cháng)可涵蓋整個(gè)可見(jiàn)光區，特別是紫外線(xiàn)部分的利用，即使在陰天或室內，也能發(fā)電工作；鈣鈦礦電池可做成柔性產(chǎn)品，廣泛用于建筑玻璃幕墻、電動(dòng)汽車(chē)、戶(hù)外家具、服飾等消費領(lǐng)域，其安裝更換方便，將催生光伏發(fā)電消費品的發(fā)展。
④鈣鈦礦光伏投資強度低：每瓦鈣鈦礦組件的生產(chǎn)能耗僅為0.12度電，組件單瓦成本約0.5元。在鈣鈦礦單片組件成本結構中，鈣鈦礦占比約5%，玻璃、靶材等占2/3，總成本約為0.5-0.6元。因此，整體生產(chǎn)比現有晶硅路線(xiàn)比較有投入低。
【性能指標】
團隊在電池器件物理、新材料研發(fā)等方面取得了顯著(zhù)的進(jìn)展，提出了單晶提純制備高質(zhì)量大面積鈣鈦礦薄膜新原理，實(shí)現了高效鈣鈦礦電池，構筑了無(wú)機氧化物框架可印刷碳基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，通過(guò)優(yōu)化結構設計實(shí)現了高效穩定的電池組件（1 cm2器件，認證效率23.94%；36 cm2組件，認證效率19.6%）。
【技術(shù)成熟度】
已有樣品/樣機。
【產(chǎn)業(yè)化應用】
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是第三代高效薄膜電池的代表，具有良好的吸光性、電 荷傳輸速率、巨大的開(kāi)發(fā)潛力，實(shí)現了高效率、高柔性、低成本，被譽(yù)為“光伏領(lǐng)域的新希望”。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池還可通過(guò)與晶體硅電池疊層進(jìn)一步提升光電轉換效率，是未來(lái)產(chǎn)業(yè)化的重點(diǎn)發(fā)展方向。因此，抓住鈣鈦礦技術(shù)突破的機遇，基于新型產(chǎn)學(xué)研創(chuàng )新與產(chǎn)業(yè)化機制，有望能夠推動(dòng)新一代太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
應用案例
團隊于2023年成立了武漢華鳴光能科技有限公司，針對大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池激光加工成套設備與武漢元祿光電技術(shù)有限公司、鈣鈦礦/晶硅疊層電池項目與武漢風(fēng)帆電化科技有限公司開(kāi)展了深入實(shí)質(zhì)性技術(shù)合作與產(chǎn)品生產(chǎn)。
知識產(chǎn)權
該成果包括多項已授權中國發(fā)明專(zhuān)利。
合作方式
專(zhuān)利許可、專(zhuān)利轉讓、作價(jià)入股、技術(shù)開(kāi)發(fā)、面談等。
【聯(lián)系方式】
CG24020
