上海交大新突破: 大规模低成本太阳能发电有望实现

太阳能光伏技术是解决人类能源危机最具潜力的科技之一，然而目前太阳能光伏电池制备成本较高、工艺复杂，难以实现大规模应用。记者今天从上海交通大学获悉，上海交大材料科学与工程学院金属基复合材料国家重点实验室韩礼元教授团队的最新研究成果有望打破僵局。团队使用更加经济安全的新方法制备出比蝉翼还薄数十倍的大面积钙钛矿薄膜，向实现大规模低成本太阳能发电的目标迈出了重要的一步。该成果近日在国际著名学术期刊《自然(Nature)》杂志在线发表。

上海交大材料科学与工程学院杨旭东研究员和韩礼元教授为共同通讯作者，陈汉博士、叶飞博士、唐文涛为共同第一作者。上海交通大学、日本材料物质研究所、苏州黎元新能源科技公司、瑞士洛桑联邦理工学院为合作研究单位。

据了解，钙钛矿材料2009年首次应用于光伏技术，其光电能量转换效率已快速增长到22.1%，超过多晶硅太阳能电池的效率水平，而发电成本却低于硅电池。但是这种新型太阳能电池“不好做”，要达到电池实用化需求，关键部位钙钛矿材料薄膜必须面积要足够大、质量足够好，才能保证电池光电能量转换效率足够高，而现阶段超过20%认证效率的钙钛矿太阳能电池面积只能达到“米粒”大小。韩礼元团队历时3年在大面积高质量钙钛矿薄膜制备的基础上，开发了有效面积36.1cm2的钙钛矿电池模块，在国际认证机构首次获得了12.1%的认证效率，建立了第一个大面积钙钛矿模块的效率世界纪录。这一成果的出现意味着未来钙钛矿光伏技术有了走出实验室、实现大规模产业化的可能。


钙钛矿薄膜要求均匀致密、结晶性好，电池中的钙钛矿薄膜的厚度比蝉翼还要薄几十倍，因此制备难度很大。传统“真空蒸镀”和“有机溶剂”两种制备方法各有缺陷，团队在由碘、铅、甲铵三种主要成分组成的钙钛矿材料里，采用“甲铵”制服“甲铵”的方法，引进甲铵气体，让气体中的甲铵分子和钙钛矿材料中的甲铵离子进行反应，将生成物混合后就可以得到钙钛矿材料的液体。韩礼元介绍说，这种液体可以快速释放出甲铵气体变成钙钛矿固体，而释放出的甲铵气体可以再次被用于与碘化甲铵固体粉末和碘化铅固体粉末进行反应，实现材料的循环利用。同时，研究人员创新薄膜制备方法，改变传统“摊煎饼”方式，采用是一次成形的压力辅助制备方法，通过控制压力把液体材料涂布在平板基底上，就得到了均匀分布的液体薄膜。

这项研究成为实现大规模生产低成本钙钛矿太阳能电池模块提供了一个新的发展方向。接下来团队将把小面积高效率器件的制备技术应用到模块当中，有希望达到和当前硅太阳能电池相当的模块效率；同时将进一步对钙钛矿电池的稳定性做深入探究，加速该型电池商业化进程。