基于TRIZ理论的钙钛矿太阳能电池技术展望

杨海彬 张美丽 周成 赵志新 隋丽娜 陈英杰

摘要：近几年，在染料敏化太阳能电池发展的基础上，人们对钙钛矿太阳能电池（PSC）的研究得到了突破性的发展。作为一个新兴的能源技术系统，PSC的发展历程遵循发明问题解决理论（TRIZ）中的技术系统进化论，即满足技术系统进化法则和四大发展阶段，沿着提高理想度进化的路线，逐步向低成本、高能效、高稳定及环保的理想迈进。文章最后以技术系统进化论为基础对PSC的研究发展做出合理预测，并实现创新方案。

关键词：发明问题解决理论;技术系统进化理论;钙钛矿太阳能电池;进化法则;创新方案

中图分类号：D668     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）42-0069-02

一、新技术系统的飞速发展

随着社会生产工业化的发展，石油、煤炭等资源的不合理利用对环境造成巨大污染，严重破坏生态系统结构，发展高效廉价的太阳能电池是解决这些难题的重要手段。新型薄膜太阳能电池—钙钛矿太阳能电池因其成本低、工艺简便、重复性良好、光电转化效率高等优点受到广泛关注，发展迅猛。

发明问题解决理论（TRIZ）为人们创造性地发现和解决问题提供了系统理论和方法工具。技术系统进化论是其核心理论之一，而S曲线正是其精髓所在，它包含四个阶段：婴儿期、成长期、成熟期和衰退期。其中，婴儿期发展缓慢，成长期发展最快，成熟期发展较平缓，而衰退期意味着将有更高级的技术系统出现。如图1所示，染料敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池所对应的发展曲线恰好符合S曲线进化规律，两条曲线完美地呈现了一种递进关系，这表明在薄膜太阳能电池的发展中，钙钛矿电池技术系统是在染料敏化电池技术系统的基础上发展起来的，其技术核心更为先进，其婴儿期建立在染料敏化电池系统的成熟期和衰退期之间后。钙钛矿太阳能电池目前正处于薄膜太阳能电池发展的最前沿。

技术系统进化论认为：（1）一个技术系统，其核心技术的发展具有客观的进化规律和模式，即符合S曲线的发展模式，并遵循着：提高理想度法则、协调性法则、能量传递法则、子系统不均衡进化法则和超系统进化法则等八大系统进化法则。（2）技术系统发展的动力是矛盾与技术难题的解决。（3）技术系统发展的最理想状态是用最少的资源付出得到最大的效益功能。（4）技术系统处于衰退期时，意味着新一代的技术核心将取代现有的技术核心，当新一轮技术发展，它将经历一个新的S曲线，直到被下一个更加高级的技术核心所取代，循环往复并朝著最终理想解迈进[2]。

二、基于技术系统进化论的PSC的发展历程

钙钛矿太阳能电池是第三代新型薄膜太阳能电池，其结构和工作原理如图2所示。2009年Kojima等人在染料敏化太阳能电池的基础上研制出了以钙钛矿材料作为吸光层的太阳能电池，这是染料敏化电池系统与钙钛矿电池系统衔接性的大事件，标志着钙钛矿太阳能电池的发展进入婴儿期。这一期间，因得不到广泛的关注和投入，技术系统性能的完善非常缓慢。

随后，全固态PSC问世，钙钛矿太阳能电池的技术系统得到广泛关注，科研投入量加大，步入成长期。系统中存在的问题逐步得到优化，发展潜力开始显现，体现在S曲线上最陡峭的一段曲线，是通往最终理想解的重要组成部分。例如在这期间，Shen等人通过瞬态吸收技术测试发现，提高传输材料对电子和空穴的吸收效率或对材料实施表面钝化都可以降低载流子的复合概率，从而可以提高PCE。在此促进了技术系统理论基础的建立，并同时为后来者积攒了宝贵的实践经验。

在近几年，PSC一如既往地高速发展，由图1可知，其光电转换效率已经达到了23.3%。根据提高理想度法则，任何技术系统，在其生命周期之中，是沿着提高其理想度向最理想系统的方向进化的，提高理想度法则代表着技术系统进化法则的最终方向，增加新功能组件和对组件进行优化是促进技术系统走向理想解的有效方式，因此在增加片层结构进行界面调控、优化吸光层、优化空穴传输层、提高电池稳定性等方面，科研工作者付出了不懈的努力并取得了一定的成果。

最近，Science报道了关于钙钛矿太阳能电池技术系统向超系统进化的最新研究。2018年Han课题组通过杂化钙钛矿与Cu（In，Ga）Se2（CIGS）的结合研制了串联太阳能电池组，起到了1+1>2的效果。2015年T.Todorov组报道了双端钙钛矿型CIGS串联太阳能电池，然而效率仅为10.9%。这都区别于传统的单结电池，串联电池在提高PCE方面有着良好表现，这说明PSC向超系统（技术系统由单系统向多系统进化）进化会是一个充满前景的发展方向。其次，从前后对比以及原因分析上可以看到相对于T.Todorov组，Han组的串联电池协调性更好，子电池之间协调性更佳，充分发挥了子电池各自的性能。这在技术系统进化方向上满足子系统协调性法则。

三、基于技术系统进化论PSC的创新方案

根据提高理想度水平法则，未来PSC将朝着理想解即低成本、高效率、高稳定性、无毒环保的方向发展。无铅无机锡基钙钛矿太阳能电池是当下研究的热门趋势。用锡元素代替铅元素解决了电池毒性问题，但锡元素不稳定，要解决此问题，可采用量子点进行修饰改性或掺杂应用于太阳能电池进而提高PSC稳定性。而使用量子点这一单一组分进行修饰改性效果不能达到最佳，根据技术系统向超系统进化法则的预测，将各项性能指标相当优良的石墨烯与量子点进行协调复合，将会产生良好的性能改善。

理想与发展现况之间的矛盾，成为技术系统不断向前发展的强大驱动力。在PSC技术系统进化过程中，满足质量互变定律和否定之否的自然辩证规律，后一发展阶段不仅是前一发展阶段的否定，更是前一发展阶段的升级转化。在矛盾的推动力下，技术系统不断循环地进行否定与进化，逐步实现技术系统的最终理想解。

参考文献：

[1]National Renewable Energy Research （NREL），Research Cell Efciency Record Chart （2019）.

[2]裴晓敏，张增常.TRIZ技术系统进化辩证观[J].系统科学学报，2013，（5）.

[3]白宇冰，王秋莹，吕瑞涛，等.钙钛矿太阳能电池研究进展[J].科学通报，2016，（Z1）：489-500.

[4]Kojima A，Teshima K，Shirai Y，et al.Journal of the American Chemical Society，2009，31（17）：6050-6051.