太陽為地球提供能量。在我國，古人很早就利用凹面鏡的反射聚光原理制造出了太陽能“打火機”——陽燧。1839年，法國科學家埃德蒙·貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了光伏效應，為后人開啟了把太陽能轉(zhuǎn)化為電能的探索之門。21世紀初期，隨著太陽能電池轉(zhuǎn)換效率不斷提升、制造成本持續(xù)下降，太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。
鈣鈦礦太陽能電池示范應用項目現(xiàn)場。趙睿 攝
前不久，由國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學研究院與大唐甘肅發(fā)電有限公司新能源分公司合作開展的鈣鈦礦太陽能電池示范應用項目并網(wǎng)發(fā)電。項目研究人員將標準鈣鈦礦太陽能電池轉(zhuǎn)化為半透明鈣鈦礦太陽能電池，并在其下層放置晶硅太陽能電池，以提升太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換性能。
什么是鈣鈦礦太陽能電池?
太陽能電池大致可以劃分為三代：第一代是以單晶硅、多晶硅太陽能電池等為代表的硅基太陽能電池，當前應用最為廣泛;第二代是以碲化鎘、砷化鎵、銅銦鎵硒太陽能電池等為代表的薄膜太陽能電池，吸光層厚度更薄，整體體積更小，然而原材料稀有且光電轉(zhuǎn)換效率不高;第三代是以鈣鈦礦、染料敏化、量子點太陽能電池等為代表的新型太陽能電池，大多數(shù)仍處于研發(fā)階段，尚未實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應用。
鈣鈦礦是一種天然礦物。如今人們常說的鈣鈦礦材料是指與這種天然礦物擁有相同晶體結(jié)構(gòu)的一類化合物。鈣鈦礦太陽能電池是新型太陽能電池的重點研發(fā)方向之一。
鈣鈦礦太陽能電池的工作原理可以概括為“光子吸收-載流子分離-電荷傳輸-電流輸出”。具體來說，當太陽光照射到鈣鈦礦太陽能電池上時，鈣鈦礦層作為吸光層會迅速吸收光子并產(chǎn)生電子-空穴對。由于鈣鈦礦材料的激子束縛能極低，這些電子-空穴對在室溫下能迅速分離成自由載流子——電子和空穴。隨后，電子通過電子傳輸層被輸送到陽極，而空穴則通過空穴傳輸層被輸送到陰極。在這個過程中，電子和空穴分別在陽極和陰極聚集積累，形成電動勢。電池與外部電路相連時便能產(chǎn)生光電流，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。
鈣鈦礦太陽能電池具備多重優(yōu)勢
鈣鈦礦太陽能電池采用鈣鈦礦型有機金屬鹵化物半導體作為吸光材料，具備多重優(yōu)勢，被視為最具發(fā)展?jié)摿Φ奶柲茈姵刂弧?/p>
第一，制造成本低。晶硅太陽能電池厚度通常超過100微米，而鈣鈦礦太陽能電池厚度不到1微米，原材料用量不到晶硅太陽能電池的1%，且純度要求遠遠低于晶硅太陽能電池。另外，在晶硅太陽能電池的制造過程中，硅料的拉單晶環(huán)節(jié)需要超過1000攝氏度的高溫，而鈣鈦礦太陽能電池制造過程中，一般全流程在200攝氏度以下進行，制造能耗大幅減少。
第二，轉(zhuǎn)換效率高。鈣鈦礦太陽能電池在600納米以內(nèi)波段的光吸收系數(shù)是晶硅太陽能電池的10倍以上。鈣鈦礦太陽能電池的理論效率極限為33%，高于晶硅太陽能電池的29.4%，未來效率提升空間較大。
第三，溫度系數(shù)低。電池本體溫度每上升1攝氏度，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率會降低0.01個百分點，而晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率會降低0.3個百分點。在光照較好的地區(qū)，電池組件溫度會達到50攝氏度，夏天時甚至會達到70攝氏度以上。這種情況下，晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率會大幅下降，而鈣鈦礦太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率幾乎不變。
第四，弱光效應好。鈣鈦礦太陽能電池對全光譜都能很好吸收，在清晨、傍晚等弱光條件下發(fā)電效果明顯優(yōu)于間接帶隙材料制成的晶硅太陽能電池。
“鈣鈦礦+晶硅”復合結(jié)構(gòu)提升整體光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率
在鈣鈦礦太陽能電池示范應用項目中，甘肅電科院“電博士”創(chuàng)新團隊利用光刻技術(shù)將標準鈣鈦礦太陽能電池轉(zhuǎn)化為半透明鈣鈦礦太陽能電池，并在其下層放置晶硅太陽能電池。這種復合結(jié)構(gòu)設(shè)計可以綜合利用鈣鈦礦太陽能電池在可見光波段光吸收系數(shù)高的優(yōu)勢，以及晶硅太陽能電池在近紅外光譜區(qū)域優(yōu)異的響應能力，實現(xiàn)光譜的互補吸收，提升整體光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率。
“我們通過精確控制曝光時間和深度等參數(shù)，將鈣鈦礦薄膜刻蝕成特定的圖形結(jié)構(gòu)，如網(wǎng)格線、點陣等。這些圖形結(jié)構(gòu)有助于優(yōu)化光在電池內(nèi)部的傳播路徑，提高光的吸收效率，從而提升電池的光電轉(zhuǎn)換性能。”該項目負責人介紹。
鈣鈦礦太陽能電池示范應用項目落地后，“電博士”創(chuàng)新團隊持續(xù)開展戶外條件下“鈣鈦礦+晶硅”復合結(jié)構(gòu)太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池及晶硅太陽能電池的性能比對分析工作，涉及電池的穩(wěn)定性、耐久性及對極端氣候條件的適應能力等。他們將根據(jù)“鈣鈦礦+晶硅”復合結(jié)構(gòu)太陽能電池在實際應用中的優(yōu)勢和不足，有針對性地推進技術(shù)改進和創(chuàng)新。(趙睿 謝延凱)
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