做為最受歡迎的可再生能源產(chǎn)業(yè)，太陽能光伏發(fā)電領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)激烈，身為后起之秀，鈣鈦礦太陽能電池正虎視眈眈盯著硅晶電池的太陽能市占率第一寶座。

美國紐約大學(xué)、耶魯大學(xué)、約翰霍普金斯大學(xué)與中國北京大學(xué)、電子科技大學(xué)攜手合作，近日宣布已突破當(dāng)前鈣鈦礦電池商業(yè)化難題，將光電轉(zhuǎn)換效率從13%提升到17%。

近年來科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦在太陽能光伏發(fā)電方面的應(yīng)用潛力，使其光電轉(zhuǎn)換效率在9 年間提升 6 倍，從 2009 年的 3.8% 進(jìn)步到如今的 22.7%，更有不少研究團(tuán)隊(duì)透過串疊設(shè)計(jì)將硅與鈣鈦礦結(jié)合，將光電轉(zhuǎn)換效率突破至25%。

但世上也沒那么雙全的事情，鈣鈦礦并非全能的技術(shù)，該種太陽能電池含有毒元素鉛、并存在遇熱衰減問題，科學(xué)家也難以在鈣鈦礦晶體上均勻覆涂電子傳輸層(electron transport layer，ETL)。雖然現(xiàn)在科學(xué)家已研發(fā)出無鉛或是無機(jī)鈣鈦礦解決部分問題，實(shí)驗(yàn)室電池的轉(zhuǎn)換效率也逐年提高，更已達(dá)到小規(guī)模商業(yè)化，但如何使用低成本方式均勻覆涂 ETL 層，一直是科學(xué)家絞盡腦汁想突破的障礙。

太陽能光伏發(fā)電結(jié)構(gòu)很像三明治、通常都是層層疊疊堆起，而鈣鈦礦電池由上至下為玻璃、導(dǎo)電玻璃 FTO、帶負(fù)電的 ETL、光敏層、正電的空穴傳輸層(HTM)和金屬電極，ETL 與 HTM 位置則會(huì)依據(jù)不同鈣鈦礦設(shè)計(jì)互換，而所謂的 PIN 結(jié)構(gòu)即是 HTM→光敏層(i)→ETL。

紐約大學(xué)坦登工程學(xué)院化學(xué)與生物分子系助理教授 Andre D. Taylor 表示，這類電池當(dāng)前挑戰(zhàn)在于，要怎么組裝才不會(huì)破壞電池其他結(jié)構(gòu)?因此目前 PIN 的 ETL 設(shè)計(jì)研究非常少。

其中最為常見技術(shù)為旋涂法(spin-coating)，利用向心力將 ETL 溶液分布在鈣鈦礦基底上，但是這種技術(shù)僅限于小范圍涂布，也不適合當(dāng)今的卷對(duì)卷(roll-to-roll)大型鈣鈦礦制程，采用此方式也會(huì)讓 ETL 分布不均勻，進(jìn)而降低太陽能電池性能。

因此團(tuán)隊(duì)透過噴涂 ETL 方式，大大減少鈣鈦礦成本，并可利用該方式達(dá)成大范圍覆涂，讓科學(xué)家打造大型太陽能板之余，還可確保電池性能。為進(jìn)一步提升電池性能，研究也利用化合物苯—丁酸甲基酯(PCBM)來改進(jìn)導(dǎo)電性、提高光捕獲性能。

與其他方式相比，鈣鈦礦光電轉(zhuǎn)換效率已從 13% 提高到 17%、提升幅度高達(dá) 30%，研究更顯示可大大減少電池缺陷。

Taylor 指出，團(tuán)隊(duì)的噴涂方法簡潔、再現(xiàn)性佳(reproducible)又可擴(kuò)大規(guī)模。采用該噴涂方式或許可大大改善鈣鈦礦太陽能電池效率，并有望為 pin 型鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)鋪路。該研究目前已發(fā)表在《Nanoscale》。