【康沃真空網】“碳達峰”和“碳中和”一直都是能源領域的熱點話題，作為助力“雙碳”戰略的生力軍，光伏產業具有舉足輕重的地位。
要想利用太陽能，主要方式之一就是通過太陽能電池，將轉化成電能。今天，我們就為大家介紹一種新型太陽能電池的新進展。
后起之秀！鈣鈦礦太陽能電池是效率之王
說起太陽能電池，大家腦海中是不是就浮現出這樣的畫面？
圖1 目前太陽能發電的主力——光伏電池（圖片來源：veer）
確實，目前太陽能電池的主力軍，就是上圖中的硅太陽能電池，它們具有效率高、穩定性好、產業鏈完備、使用壽命長的優勢。
不過，硅太陽能電池的缺點也比較顯著。首先，電池的原材料提取過程污染嚴重、能耗高。其次，產線昂貴，最具代表性的高效率HIT太陽能電池一條產線價值過億元。最后，電池在制備過程中的工藝比較，且一些輔料多為進口，造價不菲。
為了讓太陽能的利用更加容易、高效且廉價，科學界和工業界正在研制新型太陽能電池。鈣鈦礦太陽能電池（Perovskite solar cells, PSCs）就是備受關注的后起之秀。
鈣鈦礦太陽能電池是指采用有機-無機復合金屬鹵化鈣鈦礦材料為光敏劑的一類新型固態薄膜太陽能電池。作為太陽能電池領域的后起之秀，自問世以來，鈣鈦礦太陽能電池獲得了廣泛關注，并在2013年被《Science》評為年度十大科學突破之一。
圖2 理想鈣鈦礦的晶體結構（圖片來源：Chem. Rev., 2019, 119(5): 3193-295.）
與其他種類的太陽能電池相比，鈣鈦礦電池具備原料豐富、制備成本低、光電轉換效率高等優勢，是目前最具產業前景的新型薄膜太陽能電池。經過10年發展，鈣鈦礦電池已經成為目前效率最高的薄膜電池，也是現階段效率最高的柔性薄膜電池。
鈣鈦礦電池研究飛速發展，現在已經步入產業化階段。那么，如何做出大面積、高效率、超穩定的鈣鈦礦太陽能電池，也就成了各界迫切關心的問題。
走向產業化、商業化？鈣鈦礦太陽能電池必須邁過這道坎
十幾年來，圍繞鈣鈦礦太陽能電池商業化應用的話題逐漸白熱化，許多機構都在進行鈣鈦礦太陽能電池的產業化布局。
目前，鈣鈦礦太陽能電池的功率轉換效率（PCE）已超過25%，鈣鈦礦疊層太陽能電池的效率更是遠超晶硅電池。
但是，如何制備大面積且能保持較高效率的鈣鈦礦太陽能電池，依然是難題，也成了制約其產業化應用的“阿喀琉斯之踵”。
為了同時實現“大面積”和“高效率”，科學家僅針對鈣鈦礦吸收層便提出了諸如鈣鈦礦組分工程、溶劑工程、添加劑工程等策略。
鈣鈦礦組分工程中，科學家針對鈣鈦礦材料的ABX3結構原子可靈活替換的特點，在A、B、X位嘗試了多種替換或部分替位摻雜來改善材料的帶隙、提升結構穩定性，從而提高器件性能。
針對溶液法鈣鈦礦成膜的特點，科學家基于溶劑工程結合多種成膜策略（像風刀吹掃、真空閃蒸、反溶劑浴等），將多種不同極性、不同飽和蒸汽壓的有機溶劑結合，促使大面積鈣鈦礦薄膜均勻快速的形核。
而針對溶劑涂敷效果、鈣鈦礦表缺陷等問題，科學家發展了很多工程策略。此外，高性能的載流子傳輸層研究、各功能層界面的鈍化研究以及創新性的光學管理方法等也被科學家應用于大面積鈣鈦礦器件制備中。
可以說，在大面積器件制備領域，科學家嘗試了大量的創新性方法來提高電池性能，降低面積拓展造成的效率損失。
其中，基于氧化鎳無機空穴傳輸層的反式PSCs由于具有較小的曲線回滯行為和良好的長期穩定性，在商業化開發中更具競爭力，成為炙手可熱的鈣鈦礦太陽能電池輔助材料。
作為一種常見的透明p型半導體材料，NiOx薄膜是非常理想的空穴傳輸層，目前已經被廣泛應用于反式結構鈣鈦礦太陽能電池中。
但是，新的難題又出現了，那就是NiOx薄膜的制備。
在NiOx薄膜的制備工藝上，前人通常采用溶液法制備NiOx納米顆粒分散液，并采用旋涂工藝制備NiOx空穴傳輸層薄膜。盡管這種方法取得了良好的結果，但其制備過程通常需要高溫退火，其薄膜質量對合成條件（例如環境溫度、溶液pH值和攪拌時間）較為敏感，導致其重現性較差。
更重要的是，采用現有的大面積薄膜制備技術（例如狹縫涂布法、噴涂法和噴墨打印法），基于溶液法制備納米級厚度的薄膜，容易出現大量由氣泡、難溶顆粒或表面不浸潤區等引起的針孔等微孔洞型物理缺陷，無法在大面積范圍內實現均勻的覆蓋。而基于微孔洞的功能層制備的器件很難構建均勻的內建電場，容易導致鈣鈦礦器件從小面積向分米級或平米級器件拓展時出現明顯的效率損失。
新進展：表面氧化還原工程助力NiOx薄膜制備
相比之下，真空工藝更適合控制薄膜的均勻性，可以輕松沉積大規模無針孔薄膜。而且，由于真空制備的金屬氧化物在沉積過程中容易發生氧化還原反應，產生的點缺陷及其摻雜機制，都將有利于制備高性能NiOx薄膜。
因此，NiOx薄膜的真空法制備技術及其在鈣鈦礦器件中的應用研究，對推進鈣鈦礦太陽能電池的商業化量產有著實質性的意義。
根據這些情況，中國科學院大連化學物理研究所的劉生忠教授團隊開展了一系列工作。針對真空電子束蒸發制備的NiOx薄膜，他們提出了一種表面氧化還原工程（surface redox engineering, SRE）。在這個方法里，NiOx薄膜先后經受氬等離子體引發的氧化過程和Br?nsted酸介導的還原過程。
圖3 表面氧化還原工程(SRE)的NiOx薄膜制備流程圖以及光電轉化性能表征
多功能SRE不僅可以促進穩定表面態的形成，提高NiOx薄膜電導率和改善界面能帶匹配，還可以增加表面能以改善鈣鈦礦薄膜在NiOx上的結晶過程。
在這種情況下，通過狹縫涂布法，研究團隊成功地在真空法NiOx襯底上沉積了大面積、全覆蓋、高質量的鈣鈦礦薄膜，組裝的剛性（柔性）小面積PSC的功率轉換效率高達23.4%（21.3%）。
更令人驚喜的是，在各種外界環境條件下，高性能的鈣鈦礦光伏器件都實現了數千小時的穩定性！
圖4 鈣鈦礦太陽能組件性能研究（圖片來源：參考文獻[1]）
不僅如此，由于這項技術的可擴展性，制備的大面積（156×156mm2）鈣鈦礦太陽能電池組件功率轉換效率高達18.6%，并表現出了極佳的穩定性。
總之，這項研究提出了一種簡便的適用于真空沉積NiOx的表面氧化還原工程，實現了將真空制備的電荷傳輸層與濕法制備的鈣鈦礦薄膜的兼容結合，并開發了高效、穩定的鈣鈦礦太陽能電池組件。
可以說，這項成果可以將真空干法制備路線和溶液濕法制備路線完美結合，為大面積鈣鈦礦電池制備和產線建設提供實驗依據，對推動鈣鈦礦電池產業化發展具有重要價值。
看似“無用”的基礎研究，其實有用得很！
