近日，合肥工業(yè)大學(xué)童國(guó)慶教授、蔣陽(yáng)教授團(tuán)隊(duì)與上海交通大學(xué)戚亞冰教授以及日本沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)（OIST）Luis K. Ono博士合作，在國(guó)際能源材料著名期刊《Joule》上發(fā)表題為“Perovskite solar modules with high efficiency exceeding 20%: from laboratory to industrial community”的綜述論文，探討分析鈣鈦礦太陽(yáng)能電池從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展路徑。材料學(xué)院博士生劉學(xué)安、日本OIST博士生張家豪、材料學(xué)院本科生王保昌為論文共同第一作者，童國(guó)慶教授、蔣陽(yáng)教授、戚亞冰教授及Ono博士為共同通訊作者，合肥工業(yè)大學(xué)為第一通訊單位。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池因其具有光電轉(zhuǎn)換效率高、能級(jí)結(jié)構(gòu)可調(diào)控、制備工藝簡(jiǎn)單以及生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)，得到學(xué)術(shù)及產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是下一代光伏技術(shù)的理想材料。自2009年首次報(bào)道以來(lái)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化效率從最初的3.8%迅速提升至27.3%（第三方認(rèn)證）。近年來(lái)，隨著能源需求的日益增長(zhǎng)和電池效率的不斷攀升，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池正逐步實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室研究向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。目前，實(shí)驗(yàn)室小面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池和模組的效率已分別突破27%和23%，展現(xiàn)出巨大的商業(yè)化潛力。但是其小面積器件尺寸主要介于0.05 ~1 cm²間，電池模組尺寸也主要以5×5 cm²和10×10 cm²等微型模組為主，難以滿足商業(yè)化要求的尺寸和輸出功率。

隨著產(chǎn)業(yè)進(jìn)程的加速，國(guó)內(nèi)外涌現(xiàn)出一批新興的鈣鈦礦光伏企業(yè)。產(chǎn)業(yè)化電池組件的尺寸也從最初的30×30 cm²發(fā)展至0.6×1.2 m²，最高可達(dá)1.2×2.4 m²，生產(chǎn)規(guī)模也由最初的兆瓦（MW）級(jí)邁向百兆瓦，甚至吉瓦（GW）級(jí)。盡管鈣鈦礦太陽(yáng)能電池組件的光電轉(zhuǎn)化效率持續(xù)提升，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程也在加快推進(jìn)，但要實(shí)現(xiàn)光電效率超過(guò)20%的商業(yè)化產(chǎn)品目標(biāo)，仍面臨一系列亟待突破的技術(shù)與工程難題。

目前，太陽(yáng)能電池組件根據(jù)尺寸大小可以分為：微型組件（<200 cm²）、亞微型組件（200-800 cm²）、小型組件（800-6,500 cm²）、標(biāo)準(zhǔn)組件（6,500-14,000cm²）以及大型組件(>14,000 cm²）。實(shí)驗(yàn)室級(jí)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池模組由于其尺寸較?。ā?00 cm²），通常能夠在手套箱內(nèi)完成鈣鈦礦層、電子/空穴傳輸層等薄膜的旋涂及器件制備測(cè)試工序，且受外部環(huán)境影響較小。此外，旋涂工藝具備組分可精確調(diào)控、薄膜均勻性良好、可進(jìn)行界面修飾與表面鈍化等優(yōu)點(diǎn)。然而，在產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中，為了滿足大面積（≥900 cm²）和連續(xù)化生產(chǎn)的需求，通常采用能夠適用于大規(guī)模生產(chǎn)的連續(xù)鍍膜技術(shù)（如狹縫涂布、磁控濺射等工藝）來(lái)制備鈣鈦礦薄膜及電子/空穴傳輸層。然而，這些技術(shù)在薄膜均勻性和成核結(jié)晶過(guò)程的可控性方面仍面臨較大挑戰(zhàn)，且容易受到外部環(huán)境因素的影響，從而影響薄膜質(zhì)量和器件性能。此外，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室中常用的薄膜生長(zhǎng)調(diào)控方法及表面/界面鈍化處理技術(shù)，普遍存在工藝流程復(fù)雜、操作精度要求高、材料成本較高等問(wèn)題，這使得實(shí)驗(yàn)室技術(shù)難以直接轉(zhuǎn)化為大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)工藝，從而限制了其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用效率和可行性。

為此，合工大童國(guó)慶教授、蔣陽(yáng)教授研究團(tuán)隊(duì)，從多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)維度出發(fā)，系統(tǒng)分析梳理了當(dāng)前效率突破20%的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池組件的前沿研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)。研究?jī)?nèi)容涵蓋了鈣鈦礦光伏組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鈣鈦礦薄膜制備工藝、實(shí)驗(yàn)室級(jí)高效率電池模組的研究，以及面向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的鈣鈦礦光伏技術(shù)探索。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)深入分析了實(shí)驗(yàn)室級(jí)和工業(yè)級(jí)鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層和鈣鈦礦/晶硅疊層電池組件的最新技術(shù)發(fā)展，全面展示了鈣鈦礦光伏技術(shù)在疊層電池領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。此外，研究團(tuán)隊(duì)還聚焦于實(shí)現(xiàn)大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池組件規(guī)模化生產(chǎn)所面臨的核心挑戰(zhàn)，深入探討了制造工藝的可控性、大面積光伏組件的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性以及組件制造成本等關(guān)鍵影響因素。在此基礎(chǔ)上，研發(fā)團(tuán)隊(duì)還提出了具有前瞻性的技術(shù)發(fā)展路徑，并對(duì)產(chǎn)業(yè)化落地的可行性及未來(lái)應(yīng)用前景進(jìn)行了系統(tǒng)性的展望。

圖1.效率超過(guò)20%的單結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池組件的效率-組件面積關(guān)系圖：

（a）面積小于25 cm²的實(shí)驗(yàn)室級(jí)電池組件，

（b）面積為25~100 cm²的實(shí)驗(yàn)室級(jí)電池組件，

（c）產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的鈣鈦礦電池組件

圖2.效率超過(guò)20%的鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池組件的效率-組件面積關(guān)系圖：

（a）實(shí)驗(yàn)室級(jí)鈣鈦礦疊層電池組件，

（b）產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的鈣鈦礦疊層電池組件

圖3.（a）大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池組件結(jié)構(gòu)示意圖及

（b）常見(jiàn)的鈣鈦礦薄膜制備工藝對(duì)比圖

上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、安徽省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、安徽省自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)以及合肥工業(yè)大學(xué)黃山學(xué)者優(yōu)秀青年人才計(jì)劃等項(xiàng)目的資助，同時(shí)也得到了合肥照陽(yáng)光能科技有限公司、上海交通大學(xué)溥淵未來(lái)技術(shù)學(xué)院和張江高研院的支持。

童國(guó)慶教授、蔣陽(yáng)教授研究團(tuán)隊(duì)近些年在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究及科技成果轉(zhuǎn)化方面取得系列性進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)先后開(kāi)發(fā)出安徽省首個(gè)900 cm²的大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池組件，建設(shè)成安徽省首個(gè)MW級(jí)剛性/柔性兼容的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池組件中試產(chǎn)線，并與大唐華東電力試驗(yàn)研究院合作，建設(shè)成安徽省首個(gè)鈣鈦礦光伏示范項(xiàng)目。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435125002375

新聞鏈接：http://news.hfut.edu.cn/info/1011/73979.htm

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