國際最高效率大面積鈣鈦礦太陽能電池有突破！新型光伏器件產生！

我國榮獲國際最高效率大面積鈣鈦礦太陽能電池權威認證。

眾所周知，目前的全球氣候問題已經十分嚴重，化石能源的大量使用導致嚴重的污染，不可再生資源的短缺也時刻威脅著全球的生產生活，而太陽能等清潔能源的研發一直都是世界能源技術的核心熱點話題。

今天我們要介紹的這位是2015中國十大新銳科技人物的候選人之一，陳煒。而他最重要的成果就是研發出了國際最高效率大面積鈣鈦礦太陽能電池，并且已經獲得了世界最權威機構的成功認證。

陳煒，華中科技大學的副教授，武漢光電國家實驗室研發人員，曾經訪問了日本國立物質與材料研究院（NIMS），并在鈣鈦礦薄膜太陽能電池研究領域取得了重大研究成果。并基于于P-i-N反式平面結構，優化了界面，解決了鈣鈦礦太陽能電池的效率、遲滯、器件的穩定性、大面積器件的均勻性和一致性上等重大問題。同時還獲得了日本產業技術綜合研究所(AIST)（國際權威太陽能電池認證機構）的成功認證，為大面積 (>1 cm2)鈣鈦礦太陽能電池國際最高效率——15% 。并且第一次將大面積鈣鈦礦太陽能電池錄進了權威太陽能效率記錄表《Solar cell efficiencytables (Version 46)》，于2015年11月在 Science發表了最新的研究成果論文。

太陽能作為全球一致認為的最清潔的可持續能源，一旦可以大規模地投入生產使用，人類的能源危機將可以得到很大程度上的解決。最主要的是可以大大減少空氣等污染，特別是對溫室效應、霧霾等非常嚴峻的污染現象可以緩解。

第一代的晶體硅太陽能電池和第二代的CIGS、CdTe薄膜太陽能電池的光伏技術目前每年的增長速度為30%，但是發電總量依舊不足全球總能源需求量的1%。讓太陽能達到高效率、大規模使用、甚至取代化石能源的地步，儼然成為了全球都在奮力解決的事情。

其實鈣鈦礦太陽能電池技術也是最近三年才出現的，但是它的效率增長速度卻是十分地驚人。目前韓國該技術的效率已經能達到20.1%，居世界首位，其發展程度幾乎已經達到了擁有數十年經驗的CIGS等薄膜太陽能電池的水平。下面是美國可再生能源實驗室（NREL）編纂的最新效率記錄表：

而且制作鈣鈦礦太陽能電池的鹵化物鈣鈦礦材料AMX3（A = CH3NH3+,NH2-CH=NH2+，Cs+等; M = Pb2+,Sn2+，Ge2+，Co2+，Fe2+，Mn2+，Cu2+，Ni2+，Bi3+等; X = Cl?,Br?, I?等）的原料非常豐富，成本也低，具有良好的光電性質，可進行溶液加工，低溫制備等諸多優點，這能夠大大降低生產成本，甚至僅僅是晶體硅太陽能電池生產成本的1/3-1/5。

可見，鈣鈦礦太陽能電池較高的效率以及較低的成本，無疑成為了最有潛力的光伏市場，但是依舊存在諸多的限制。

美國可再生能源實驗室光伏認證中心負責人Keith Emery博士和澳大利亞新南威爾士大學Martin Green教授曾表示說：首先鈣鈦礦太陽能電池的穩定性不夠，在測試過程中發生了多次衰變的問題，因此無法得到眾多第三方的權威認證，真實性遭人懷疑；其次，遲滯現象也是一大問題，很多研究論文僅憑一種掃描方式得出結論，存在嚴重問題。因此像Keith Emery和Martin Green這樣的全球最權威的太陽能電池認證中心一直都無法給出鈣鈦礦電池技術的認證，僅僅只是一些小面積（<0.1cm2）的鈣鈦礦太陽能電池得到了認證，其他權威機構對大面積的誰也無法給予肯定態度。

而陳煒的大面積鈣鈦礦太陽能電池在測試了數萬條的IV曲線之后，發現P-i-N反式平面結構的電池可以消除遲滯效應。優化了界面功能之后，用穩定、高導電、能帶調控的重摻雜型無機界面材料在電極附近分別抽取電子和空穴，能夠做到大面積范圍地解決界面的缺陷問題。

陳煒不僅解決了原有缺陷，他的研究還有更多發現：第一，首先獲得了最佳的填充因子高達0.83，近1.1V的開路電壓，小面積（0.09 cm2）電池的效率達到了18.3%，大面積（1.02 cm2）電池的效率也提升至16.2%；第二，遲滯效應非常小，大量的電池都展現了高度一致的工藝可重現性和器件性能；第三，具有迄今為止最好的穩定性，1000小時的持續光照，性能上的衰減僅10%還不到，PCBM的疏水性質和無機界面層的化學穩定性很好地保護了鈣鈦礦層。

（基于重摻雜無機界面層的反式P-i-N平面結構鈣鈦礦太陽能電池結構示意圖）

（取決于掃描條件的電池遲滯效應和（b）統計40塊不同批次（小面積）電池性能的均一性和正反掃差異）

（ 一批次10塊大面積（1.02 cm2）電池1000小時連續光照老化測試結果（測試光強：100mW/cm2，環境溫度：25℃，短路情況連續電流輸出）（a）歸一化效率衰減<10%，（b）效率絕對值衰減統計圖）

能夠獲得向來以最嚴格的測試標準著稱的日本AIST的成功認證，最主要的原因就是其穩定性和遲滯效應消除的重大突破成果。并且這些發現被太陽能電池之父Martin Green教授所接受，第一次寫入了他以及NREL、AIST等權威部門聯合出版的《Solar cell efficiency tables, (version 46)》。這次不是小面積的認證，而是大面積上的。

這一次的成功認證，使得鈣鈦礦太陽能電池第一次與其他類型太陽能電池獲得了同一個標準的性能比較，且1cm2的器件可以測算出更大面積上的電池模組的理論最大性能。

（日本AIST認證結果，電池面積1.017cm2）

（認證結果為《Solar cell efficiency tables,(version 46)》收錄）

通過改進改進鈣鈦礦薄膜質量和組分的方法，就可以最大程度地推進大面積鈣鈦礦太陽能電池的效率，盡快達到20%的水平。同時穩定性上還需進一步的探索，畢竟還存在一定的衰減現象。這不僅與鈣鈦礦材料CH3NH3PbI3自身的分解有關，可能還和封裝強度有關。

將CH3NH3PbI3鈣鈦礦材料的結晶溫度從70-80℃升到100-120℃以上，以及更好的封裝方式，最大程度地避免濕氣的緩慢滲透，這才是得到壽命足夠長的電池器件的方法。

目前陳煒已經進行了風險投資招募，更多企業以及資金的投入將會更快程度地推進新型光伏器件的產生，產生巨大的經濟以及社會價值。我們拭目以待，這會是全球人類的福音。

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