太陽能是人類可以利用的最豐富的能源，高效、穩(wěn)定實現(xiàn)太陽能利用一直是人類追求的目標。太陽能電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。自上個世紀逐漸成熟實現(xiàn)民用后，光伏領(lǐng)域的市值已超萬億，其中晶硅太陽能電池是目前的主流技術(shù)。自2009年以來，一種新型光伏技術(shù)——鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展迅猛，單節(jié)電池的光電轉(zhuǎn)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。

鈣鈦礦電池經(jīng)過近十年的發(fā)展，已經(jīng)走過了從實驗室小電池到中試大面積模組效率的驗證過程，目前正處于產(chǎn)業(yè)化推廣和提升的臨界點。鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)業(yè)化研究的核心是如何實現(xiàn)低成本、高性能、長壽命的器件，若能夠在這三個方面取得快速突破，建立知識產(chǎn)權(quán)壁壘，將必定引領(lǐng)整個行業(yè)的發(fā)展及標準制定。鈣鈦礦材料的研發(fā)和器件結(jié)構(gòu)及制備工藝的優(yōu)化，是推進和實現(xiàn)鈣鈦礦光伏大規(guī)模制備必經(jīng)之路。

華中科技大學研究團隊從2013年開始潛心研究鈣鈦礦太陽能電池，發(fā)展三維線性電荷傳輸模型，揭示鈣鈦礦太陽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?shù)钠者m方法，達到提升器件效率和穩(wěn)定性的目的。通過電荷傳輸與材料相變化之間的規(guī)律，提出了雙異質(zhì)結(jié)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(guī) TiO₂ 納米晶材料的電子遷移率高一個數(shù)量級。新型電子傳輸層也為鈣鈦礦界面修飾提供可控化學環(huán)境。團隊開發(fā)的碳量子點修飾 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，能夠顯著提升鈣鈦礦太陽能電池器件效率和穩(wěn)定性。

圖1 成果圖片

①可通過旋涂、噴涂、刮涂等溶液工藝實現(xiàn)成膜：顯著縮短產(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：鈣鈦礦太陽能電池的原材料均為基礎(chǔ)化工材料，不含稀有元素；鈣鈦礦材料對雜質(zhì)不敏感，原材料不受來源控制；同時整個工藝路線核心環(huán)節(jié)可實現(xiàn)低溫溶液制備，可實現(xiàn)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：鈣鈦礦太陽能電池對光線的要求更低，其吸收波長可涵蓋整個可見光區(qū)，特別是紫外線部分的利用，即使在陰天或室內(nèi)，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、電動汽車、戶外家具、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(jié)構(gòu)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(xiàn)有晶硅路線比較有投入低。

已有樣品/樣機。

鈣鈦礦太陽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、巨大的開發(fā)潛力，實現(xiàn)了高效率、高柔性、低成本，被譽為“光伏領(lǐng)域的新希望”。鈣鈦礦太陽能電池還可通過與晶體硅電池疊層進一步提升光電轉(zhuǎn)換效率，是未來產(chǎn)業(yè)化的重點發(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)學研創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化機制，有望能夠推動新一代太陽能電池產(chǎn)業(yè)化進程。

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帆電化科技有限公司開展了深入實質(zhì)性技術(shù)合作與產(chǎn)品生產(chǎn)。

知識產(chǎn)權(quán)：

該成果包括多項已授權(quán)中國發(fā)明專利。

合作方式：