目前，中國的電力市場主要是火力發(fā)電和水力發(fā)電,，光伏發(fā)電比例正在逐年增加,。鈣鈦礦太陽能電池會成為未來的主流嗎？如果鈣鈦礦太陽能電池能真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,，那么,，從成本上來說，光伏發(fā)電將有可能更加便宜,。

鈣鈦礦較低的成本是它最大的競爭力,，并且含有豐富的碳、氫,、氮,、碘、鉛等化學元素,，曾被專業(yè)人士認定是太陽能電池領域最有發(fā)展?jié)摿Φ牟牧?。在此基礎上，如何更加穩(wěn)定,、高效成為鈣鈦礦太陽能電池研究的熱門方向,。

近日，澳大利亞國立大學（ANU）博士后彭軍在 Science 發(fā)表了題為《用聚合物鈍化鈣鈦礦太陽能電池,，納米級局部接觸實現(xiàn)高填充因子》（Nanoscale localized contacts for high fill factors in polymer-passivated perovskite solar cells）的論文,。

論文表示，其在太陽能轉(zhuǎn)化為電能方面取得了 21.6% 的效率,，這是針對 1 平方厘米以上面積鈣鈦礦太陽能電池的新世界紀錄,。這意味著，這種鈣鈦礦電池在陽光照射下,，每平方米可以產(chǎn)生 216 瓦的電能,。

圖丨相關論文（來源：Science）

2019 年 6 月 27 日，該項科研成果還獲得權威機構 CSIRO（Australia）的認證,。這項研究為大面積鈣鈦礦太陽能電池帶來一種新的器件結構設計思路,，特別是為制備低串聯(lián)電阻的鈣鈦礦太陽能電池，提供了切實的可行性方案,。

研究初期,，即達 17% 光電轉(zhuǎn)換效率

2015 年 6 月，彭軍加入澳大利亞國立大學工程學院鈣鈦礦課題組,。他從博士期間開始,，主要負責高效率鈣鈦礦太陽能電池的制備,，同時為課題組的鈣鈦礦 - 晶硅疊層太陽能電池提供技術支持。

他表示,，課題研究起步階段各方面并不完善,。例如，鈣鈦礦器件效率低,，器件穩(wěn)定性也較差,，更談不上器件效率的重復性。因此,，搭建一條可靠的器件制備工藝基線（Baseline）成為課題組的首要任務,。

課題組用時 2 個多月，克服各種不利因素,，做出了組里第一片超過 17% 光電轉(zhuǎn)換效率的鈣鈦礦電池,。

自那時起，彭軍開始著手銦摻雜二氧化鈦（In-doped TiOx）電子傳輸層的研究工作,，這項研究也是澳大利亞國立大學鈣鈦礦課題組第一個效率超過 19% 的鈣鈦礦電池器件制備的 Baseline,。

“從課題組的第一個高效率電池器件制備的 Baseline， 到現(xiàn)在的第四個 Baseline 都是我負責建立的,。雖然過程比較艱辛,，但確實學到了很多?！?/span>

他說,，“課題組團隊非常團結、有干勁,。所以，課題組近期的實驗進展也比較順利,?！?/span>

在鈍化層中創(chuàng)造 “無阻礙” 導電通道

太陽能電池的普遍問題是電池中的任何缺陷都可能捕獲電子，帶走吸收的太陽能,。所以,，想要提高電池的轉(zhuǎn)換效率，必須采取有效的鈍化手段阻止這種界面缺陷,。

圖 | 鈣鈦礦太陽能電池的性能記錄（來源：Science）

解決該問題的方法是在吸光材料上涂一層薄材料,，使表面 “鈍化”，從而減少界面缺陷,。

因此,，彭軍開始著手尋找適合的材料。通過文獻調(diào)研,，他發(fā)現(xiàn)了一種比較理想的高分子聚合物材料 —— 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA,，polymethyl methacrylate,，俗稱 “亞克力” 有機玻璃）。

然而,，絕大多數(shù)用于減少缺陷的材料往往導電性較差,。于是他提出，硅電池可以利用孔洞讓電子通過絕緣層,，創(chuàng)造一種導電途徑,，不如對鈣鈦礦也采取相同的工作原理。

圖 | 納米結構的 TiO2 電子傳輸層及其電池器件示意圖,；不同間距的 TiO2 納米柱子陣列鈣鈦礦電池和對照鈣鈦礦電池的器件性能參數(shù)的統(tǒng)計分布（來源：Science）

“此外,，我們還通過建立三維（3D）器件物理模型，模擬二氧化鈦（TiO2）納米柱子陣列在鈣鈦礦電池內(nèi)部起到的作用,?！?彭軍說。

三維器件物理模型模型表明,，若想在鈣鈦礦太陽電池上工作,，需要制造比晶硅電池所用的小數(shù)千倍的孔，因此,，納米柱子陣列結構層應運而生,。

而通過 TiO2 納米柱子陣列來刺破鈍化層形成局域?qū)щ娡ǖ溃瑥亩峁┯行У碾娮映槿『蛡鬏?，同時確保鈣鈦礦太陽能電池保持高電壓和高電流,。

圖丨仿真結果；在不同的未鈍化與鈍化缺陷密度的比例下,，不同間距的 TiO2 納米柱子陣列對電池器件性能的影響,。（來源：Science）

在 0.16 平方厘米有效面積的鈣鈦礦太陽能電池上，彭軍和團隊獲得了 23.17% 光電轉(zhuǎn)換效率,，以及 1.24 V 開路電壓和 0.845 的填充因子,。

“這是一組非常不錯的電池器件性能參數(shù)?！?彭軍對 DeepTech 說,。

他和團隊嘗試把鈣鈦礦太陽能電池的有效面積擴大到 1.2 平方厘米，測試結果顯示,，在大于 1 平方厘米有效面積的鈣鈦礦電池上,，獲得了 21.6% 的光電轉(zhuǎn)換效率，經(jīng)認證的電池器件填充因子高達 0.839,。

這進一步證明了,，該納米化圖案 TiO2 電子傳輸層在提升鈣鈦礦電池器件填充因子上的優(yōu)勢?！皽y試結果令我們非常興奮,?！?彭軍說。