23.4%！西湖大學(xué)王睿團(tuán)隊(duì)在柔性疊層太陽電池領(lǐng)域取得重要突破

近日，西湖大學(xué)未來產(chǎn)業(yè)研究中心、工學(xué)院王睿團(tuán)隊(duì)在這一研究領(lǐng)域取得了重要突破——他們成功讓鈣鈦礦與銅銦鎵硒這兩種不同口味的“蛋糕”疊在一起，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到23.4%。

更難得的是，這是一種柔性輕薄的疊層太陽電池，其厚度僅相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的直徑，有望在未來應(yīng)用到建筑、汽車、飛行器、柔性可穿戴設(shè)備等不規(guī)則表面。

柔性鈣鈦礦/銅銦鎵硒疊層太陽電池

北京時(shí)間2025年2月3日，農(nóng)歷正月初六，相關(guān)研究論文以“Divalent cation replacement strategy stabilizes wide-bandgap perovskite for Cu(In,Ga)Se2?tandem solar cells”為題發(fā)表于Nature Photonics。

鹵化物鈣鈦礦，毫無疑問是當(dāng)下的熱門研究領(lǐng)域。

得益于材料本身優(yōu)異的光電性能和易于制備等特點(diǎn)，單結(jié)鈣鈦礦太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率從2009年報(bào)道的3.8%迅速提升到目前約27%的紀(jì)錄效率，和目前最高效的晶體硅太陽電池的效率相當(dāng)，兩者效率都已接近瓶頸。

如果把兩種不同的太陽電池上下疊在一起，效率會(huì)不會(huì)更高呢?

具體怎么搭建，可以根據(jù)需要選擇不同的“搭配”：把晶硅太陽電池和鈣鈦礦疊起來，把柔性薄膜太陽電池和鈣鈦礦疊起來，或者單純把鈣鈦礦和鈣鈦礦疊起來……這樣做，不僅可以大幅提升太陽電池對(duì)光能的轉(zhuǎn)換效率，理論極限效率可達(dá)40%;也能結(jié)合不同材料的特性，與鈣鈦礦取長(zhǎng)補(bǔ)短。

王睿在自己讀博的那幾年，就試過想把鈣鈦礦和銅銦鎵硒太陽電池疊起來。銅銦鎵硒，Cu(In,Ga)Se2，簡(jiǎn)稱CIGS，是由銅(Cu)、銦(In)、鎵(Ga)、硒(Se)四種元素組成的化合物半導(dǎo)體材料。作為重要的薄膜太陽電池，它的吸光層薄、穩(wěn)定性好、抗輻射性強(qiáng)，并且具備產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)。

然而，相比鈣鈦礦+鈣鈦礦、鈣鈦礦+硅這兩種“爆款”組合，鈣鈦礦+銅銦鎵硒的搭配在過去幾年是個(gè)絕對(duì)的“冷門”研究領(lǐng)域?！澳壳?，這類電池缺乏具有引領(lǐng)性的研究成果，但當(dāng)下冷門不代表沒有研究?jī)r(jià)值、沒有前景?！蓖躅Ｕf，“相反，我一直認(rèn)為鈣鈦礦+柔性銅銦鎵硒的組合是非常有潛力和未來的，因?yàn)樗诜€(wěn)定性和轉(zhuǎn)換效率方面具有先天的顯著優(yōu)勢(shì)?！?/span>

制備疊層太陽電池，如同在微觀世界里做蛋糕，是個(gè)手藝活。這塊“蛋糕”不僅有15層之多，而且對(duì)每一層的厚度、均勻性都有嚴(yán)格要求——每一層最好不要有孔洞，不同層的制備往往需要使用不同的儀器設(shè)備，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格優(yōu)化和控制。

總之，光是把這一層層“蛋糕”依次完好地疊起來，就已經(jīng)足夠復(fù)雜了。況且，光疊在一起還不夠。在兩端疊層太陽電池中，上下層的電流大小要能匹配起來。

也就是說，王睿團(tuán)隊(duì)要做的不僅僅是“1+1=2”的機(jī)械堆疊，更是要讓兩種太陽電池在疊起來之后“融為一體”，真正地合二為一，實(shí)現(xiàn)“1+1>2”的效果。

研發(fā)之初，鈣鈦礦/銅銦鎵硒疊層太陽電池的文獻(xiàn)報(bào)道非常少，這塊難做的蛋糕沒有多少“食譜”可以參考。第一個(gè)半年，實(shí)驗(yàn)沒有實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，組會(huì)討論時(shí)，大家都認(rèn)為問題出在銅銦鎵硒基底上。

“之前的一些文獻(xiàn)里經(jīng)常有提到，制備兩端鈣鈦礦/銅銦鎵硒疊層太陽電池的一大挑戰(zhàn)在于銅銦鎵硒粗糙的表面使得制備高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜是困難的?！庇谑?，前期他們把焦點(diǎn)放在了優(yōu)化銅銦鎵硒基底上。

在嘗試了無數(shù)種優(yōu)化方式后，銅銦鎵硒基底上的鈣鈦礦薄膜依然充滿孔洞，無法形成致密的光吸收層，達(dá)不到預(yù)期效果。

關(guān)注點(diǎn)，從銅銦鎵硒切換到鈣鈦礦薄膜制備工藝本身。

田柳文和王睿商量后決定，跳出之前一直使用同一種鈣鈦礦薄膜制備工藝的思維定勢(shì)，在銅銦鎵硒基底上多試試其它不同的鈣鈦礦薄膜制備工藝。

緊接著，他們用同樣的工藝制備了完整的疊層太陽電池器件進(jìn)行測(cè)試。果然，第一塊疊層太陽電池就測(cè)出了不同于往常的具有高開路電壓的電流-電壓 (J-V) 曲線。

接下來的推進(jìn)就變得順利許多。王睿團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化鈣鈦礦層以及其它層的制備工藝，在兩端柔性鈣鈦礦/銅銦鎵硒疊層太陽電池技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了快速突破，光電轉(zhuǎn)換效率不斷攀升。

在這個(gè)過程中，這個(gè)疊層太陽電池的課題小組，還解決了寬帶隙鈣鈦礦的一個(gè)痛點(diǎn)。鹵化物鈣鈦礦，是一種不太穩(wěn)定的軟的離子晶體，里頭的鹵素離子不太安分，容易“亂跑”，也叫“離子遷移”。這個(gè)“不安分”的問題在做單結(jié)電池時(shí)也會(huì)遇到，但在制作疊層電池時(shí)顯得更令人頭疼。

研究人員考慮，如果引入多價(jià)的陽離子，把原本晶體中的一部分一價(jià)陽離子替換掉，是不是可以增強(qiáng)靜電相互作用，“抓住”那些愛“亂跑”的鹵素陰離子呢?都說一個(gè)蘿卜一個(gè)坑，換進(jìn)去的陽離子個(gè)頭自然不能太大。在所有二價(jià)有機(jī)陽離子中，他們鎖定了其中個(gè)頭最小的那一個(gè)——亞甲基二銨陽離子(MDA2+)，也是唯一一個(gè)可以原位換進(jìn)去的二價(jià)有機(jī)陽離子。

研究人員通過理論計(jì)算比較了四種有機(jī)小陽離子與鈣鈦礦無機(jī)亞晶格之間的相互作用事實(shí)證明，這真是一步妙棋。

引入MDA2+，就像在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中加入了一個(gè)“雙倍磁鐵”，讓那些不安分的鹵素離子牢牢地待在晶格中，顯著抑制了離子遷移和光致相偏析現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鈣鈦礦“情緒”的有效管理，為提升鈣鈦礦/銅銦鎵硒疊層太陽電池穩(wěn)定性提供了重要解決方案。