2017年我国光伏技术发展报告(5)

■ 中国可再生能源学会光伏专业委员会

4.2 新型太阳电池研究的国际进展

4.2.1 钙钛矿太阳电池

2016年，钙钛矿太阳电池获得了蓬勃发展，总体研究方向集中在高效、器件稳定性、大面积和叠层电池技术等几个方面。

4.2.1.1 高效

韩国Seok等利用介孔结构，制备出认证效率为22.1%的钙钛矿太阳电池[89]。介孔结构钙钛矿太阳电池是目前光电转换效率最高的，但介孔结构中TiO2需要高温烧结等工艺，存在兼容差的问题。平面结构钙钛矿太阳电池具有制备工艺简单、可低温制备且与柔性器件制备工艺兼容等优势，是钙钛矿太阳电池未来的发展方向。瑞士洛桑联邦理工学院的Grätzel课题组开发了一种利用PMMA控制钙钛矿成核和生长的方法，制备得到了一种高度光滑的钙钛矿薄膜，具有优异的光电性能，在AM1.5G光照条件下，电池的能量转换效率高达21.6%，认证效率为21.02%[90]。美国内布拉斯加林肯大学的Jinsong Huang课题组[91]基于pin平面结构，采用PTAA代替PEDOT∶PSS作为空穴传输层，制备出高质量的钙钛矿薄膜，同时采用聚苯乙烯(PS)作为界面修饰层，制备出的电池效率达到20.3%；韩国的Son等[92]通过反溶剂冲洗的一步法，并采用过量的MAI钝化钙钛矿薄膜的晶界，降低了钙钛矿薄膜的缺陷，制备出的电池效率高达20.4%。

4.2.1.2 稳定性

1)钙钛矿材料的稳定性：2016年9月，Grätzel等通过混合阳离子的方法，大幅提高了器件的稳定性。他们将Rb离子嵌入钙钛矿中形成多阳离子(RbCsMAFA，其中Rb含量为5%)的钙钛矿材料，基于该材料的太阳电池的开路电压可达1.24 V，电池效率高达21.6%。Rb离子的掺入使钙钛矿稳定地保持了具有光活性的黑色相，在85 ℃下长达500 h的太阳光照射后，仍能保持最初性能的95%，显示出很好的稳定性，为实现其实际应用奠定了基础[93]。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室和西北大学合作，制备了一种接近单晶态的二维钙钛矿薄膜。这种钙钛矿中的晶面相对于平面太阳电池中的触点具有很强的优先面外取向排列，非常有利于电荷传输。基于这种二维钙钛矿薄膜制备的太阳电池效率高达12.52%，相对于三维钙钛矿体系，光、水汽、热稳定性都得到了较大增强，封装后在连续光照3000 h后，还能保持其初始的光电转换效率[94]。

2)界面材料的稳定性：美国加州大学洛杉矶分校的You等[95]利用全金属氧化物取代传统的有机电荷传输层，大幅提高了电池在空气中的稳定性，在空气中放置60天后，仍能保持其初始效率的90%。

3)封装技术：通过室温光诱导自由基聚合在PSC器件表面包覆一层氟化光敏聚合物。这层多功能包裹材料赋予PSC器件正面部分自清洁和发光的特性，并确保PSC器件背面具有超疏水特性，不受环境中水汽的干扰。在各种大气环境和光化学应力条件下，长达6个月的系列老化测试表明，PSC的各个功能性都得到了完好的保持。

4.2.1.3 大面积

Bella等[96]发明了一种简单的真空闪蒸液相制备方法(vacuum flash-assisted)，可以得到大面积的、光滑的、晶态钙钛矿薄膜，电学性能良好。在此基础上，研究人员成功制备出开孔面积超过1 cm2的太阳电池，最高效率可达20.5%，经认证的能量转化效率可达19.6%。日本NIMS研究所Wu等[97]利用富勒烯PCBM与钙钛矿形成梯度异质结，获得了1 cm2光电转换效率为18.2%的大面积电池；近期他们还制备出了面积为36.13 cm2、光电转换效率为12.1%的小型钙钛矿电池模块[98]。

4.2.1.4 叠层电池

叠层电池能够有效扩展太阳光谱和减少热损耗。目前钙钛矿叠层电池主要有两类：

1)钙钛矿与硅的叠层，这类叠层主要有四端和两端器件，英国牛津大学的钙钛矿与硅的四端叠层电池目前的最高效率为25%[99]；美国斯坦福大学的钙钛矿与硅的两端叠层电池的效率为23.6%，并经过了美国可再生能源实验室(NREL)的论证。

2)钙钛矿自身的叠层：由于钙钛矿吸收大部分在可见光，若要形成叠层，发展红外响应的钙钛矿电池是发展全钙钛矿叠层电池的基础。Eperon等[100]报道了一种窄带隙(1.2 eV)的Sn-Pb混合钙钛矿材料FA0.75Cs0.25Sn0.5Pb0.5I3，能够吸收太阳光谱红端太阳光；其与1.6 eV宽带隙FA0.83Cs0.17Pb(I0.83Br0.17)3组合，四端串联的太阳电池效率可达20.3%(0.2 cm2)。

4.2.2 染料敏化太阳电池

目前国际上染料敏化太阳电池的研究主要集中在高效高稳定光敏染料开发、纯固态非铂电解质体系(联吡啶铜配合物电对)等方面。研究团队包括瑞士EPFL、中国大陆和中国台湾地区的研究团队[101-103]。目前聚合物太阳电池的光电转换效率已经突破了10%[104]。香港科技大学的He Yan课题组利用环境友好型碳氢非卤代溶剂和添加剂三甲基苯(TMB)-苯基萘(PN)制备出了效率高达11.7%的基于富勒烯衍生物的体异质结有机电池[105]。同时，PffBT4T-C9C13这类聚合物具有较高的空穴迁移率，在超厚薄膜(300 nm)条件下仍然具有较高的光电转换效率，对于工业化生产具有重要意义。Ade研究小组使用分层涂布法制备三元太阳电池，与传统的三元太阳电池相比，此种电池能够避免多种给体之间不好的分子间相互作用，可以更好地形成相分离[106]。

4.2.3 量子点太阳电池

在量子点太阳电池研究方面，加拿大多伦多大学的Sargent课题组于2016年提出了采用碘甲胺分子钝化PbS量子点表面的方法，通过溶剂工程调控溶剂的极性，实现了极性的碘甲胺分子与非极性量子点的共混分散，有利于在溶液中实现充分的配体交换[107]。相比于之前采用分子碘进行的表面钝化技术，该方法的表面钝化程度更高，所组装的全固态PbS量子点太阳电池获得了10.6%的认证效率，首次将该类电池的认证效率提高到了10%以上。随后，Sargent课题组又提出了一种新的表面配体交换方法，采用醋酸铵辅助卤化铅作为复合前驱体，在溶液中对油酸包覆的PbS量子点进行配体交换，制备出了可以直接用于旋涂制膜的量子点墨水。该配体交换方法实现了量子点表面钝化最佳化，提高了载流子传递和电荷注入速率，同时降低了量子点的能带尾带，提高了电池的开路电压，最终获得了11.28%的认证效率，而且未经封装的电池器件在空气中的稳定性超过1000 h[108]。

除了对活性层的优化以外，量子点太阳电池结构方面的研究也有进一步的发展。对正结构太阳电池来说，氧化锌纳米晶的应用是一个重要的进展，氧化锌纳米晶薄膜具有较高的导电性和较小的缺陷浓度，可以提高载流子的传输速率并降低界面间的载流子复合，从而提高器件的性能。用4-硝基-苯甲酸对氧化锌薄膜进行处理，可以有效改善氧化锌和量子点之间的能级匹配，有效地提高了电池效率[109]。另外一种方法是通过对氧化锌用1,2二巯基进行处理，可以改善量子点表面的钝化，减少活性层和电子传输层之间的载流子复合，提高了器件的效率[110]。

除了正结构以外，对反结构太阳电池的研究也有一些进展。运用p型量子点作为p型层进行同质结太阳电池的制作，实现了6%的太阳电池转换效率。运用PEDOT作为p型层、PCBM纳米颗粒作为顶层电子传输层，实现了4.1%的转换效率[111]。

除了单层量子点太阳电池以外，基于量子点的叠层太阳电池也得到了一定的发展。量子点和有机聚合物电池结合的叠层电池效率达到了5%以上，电压达到了1.3 V；这种叠层电池可以有效结合有机太阳电池的高电压及量子点太阳电池在红外区域的高电流，有望进一步提高太阳电池的效率[112]。

考虑到毒性可能是太阳电池发展的一个重要因素，除了硫化铅量子点以外，无毒纳米晶颗粒的太阳电池也是一个重要的研发方向。一个重要的进展是基于AgBiS2纳米晶颗粒的薄膜太阳电池，经过认证的电池效率已达到了6.3%[113]。

4.3 新型太阳电池研究的国内进展

4.3.1 钙钛矿太阳电池

华南理工大学叶轩立课题组在pin型钙钛矿中采用新型的共轭聚合物PFN-2TNDI作为电子传输层代替富勒烯衍生物，相比PCBM，器件效率从12.9%提高到16.7%，同时，因为良好的电子传输特性，不同厚度的PFN-2TNDI均可以得到较好的电池性能[114]。针对空穴传输层，叶轩立课题组采用两种新型材料PTPAFSONa和PTPADCF3FSONa作为空穴传输层代替PEDOT∶PSS，在这两种材料上制备得到的钙钛矿层晶粒更大，具有更好的结晶性能，基于这两种材料的电池性能分别达到15.4%和16.6%[115]。此外，通过在阳极采用修饰过的NiO作为空穴传输层，C60(CH2)(Ind)代替PCBM作为电子传输层，电池效率达到了18.1%[116]。（待续）