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株式會社東芝（以下稱東芝）使用新的涂覆法，成功開發(fā)出了薄膜型鈣鈦礦太陽能電池*1，其能量轉(zhuǎn)換效率*2可達15.1%。
東芝于2018年6月開發(fā)出大尺寸(703cm2)*3薄膜型鈣鈦礦太陽能電池模塊。此次，又在大尺寸的基礎(chǔ)上，成功提高了成膜過程的高速化和轉(zhuǎn)換效率。其高達15.1%的轉(zhuǎn)化率，相當于目前正在普及的多晶硅型太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率。另外，由于薄膜型鈣鈦礦太陽能電池具有輕量、靈活的特點，因此可以安裝在承壓強度較弱的屋頂或辦公樓的窗戶等各種地方。
此次新開發(fā)的涂覆法，是將以往需要兩步工藝進行的鈣鈦礦層的成膜，優(yōu)化在一步工藝中進行。兩步工藝在成膜過程的高速化和鈣鈦礦層的均勻化方面存在問題。而一步涂覆法通過對油墨、成膜過程和設(shè)備的開發(fā)改進，使大面積均勻涂覆成為可能，從而縮短了成膜過程。另外，該技術(shù)還可以提高涂覆速度。在5cm見方的單元中，涂覆速度可達到6m/min，可滿足量產(chǎn)需求*4，且有望在大面積成膜過程中進一步高速化。通過該技術(shù)，既能實現(xiàn)生產(chǎn)過程高速化，又能提高能量轉(zhuǎn)換效率，從而有效降低發(fā)電設(shè)備的成本。
01、開發(fā)背景
為了實現(xiàn)碳中和目標，可再生能源的應(yīng)用規(guī)模正在不斷擴大。特別是增加光伏發(fā)電的裝機容量，對于實現(xiàn)碳中和而言不可或缺，除提高發(fā)電效率外，還需要大幅度擴大設(shè)置場地。另一方面，目前主流的晶體硅太陽能電池的安裝受到其重量和形態(tài)方面的制約，薄膜型鈣鈦礦太陽能電池則可很好的解決這一問題。
東芝通過獨特的彎液面涂覆印刷技術(shù)，開發(fā)出了703cm2、能量轉(zhuǎn)換效率達到14.1%的薄膜型鈣鈦礦太陽能電池模塊（實際應(yīng)用時還需要進一步提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本）。
02、一直以來的課題
東芝之前采用的鈣鈦礦層涂覆法，被稱為兩步涂覆法。先在基板上涂覆PbI2膜，再涂覆MAI油墨*5，從而形成MAPbI3膜*6。由于這種方法難以控制PbI2和MAI之間的反應(yīng)（若未反應(yīng)物會有殘留），且工序數(shù)量多，涂覆速度慢，因此需要更適合于大批量生產(chǎn)。而一步涂覆法，需要事先將MAI和PbI2預(yù)先混合后的MAPbI3油墨進行涂覆，從而形成膜。但這種方法很難控制MAPbI3晶體的生長，特別是很難進行大面積均勻地涂覆，因此需要開發(fā)新的涂覆法（圖1右）。
圖1：采用傳統(tǒng)兩步工藝的彎液面涂覆法的課題（左）和采用旋轉(zhuǎn)涂膠法的一步工藝的課題（右）
03、本技術(shù)特點
因此，作為嶄新的鈣鈦礦層涂覆法，東芝開發(fā)出能夠控制MAPbI3晶體生長的一步彎液面涂覆法，該方法有望提高薄膜型鈣鈦礦太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率，促進低成本化。通過開發(fā)新的MAPbI3油墨、干燥工藝和設(shè)備，成功實現(xiàn)了大面積的均勻涂覆。成膜工藝的工序較以往減少了一半，可實現(xiàn)更快的涂覆速度，在5cm見方的單元中可達到6m/min的速度，滿足了量產(chǎn)要求。另外，這種均勻涂覆也成就了薄膜型鈣鈦礦太陽能電池在703cm2的模塊上實現(xiàn)了高能量轉(zhuǎn)換效率15.1%，這一驚人成果。
本次開發(fā)的新方法，在高效率、低成本的薄膜型鈣鈦礦太陽能電池的實際應(yīng)用方面取得了重大進展。
圖2：新開發(fā)的一步彎液面涂覆法的概略圖和IV曲線
圖3：使用一步彎液面涂覆法制作的大尺寸薄膜型鈣鈦礦太陽能電池模塊
未來展望
今后，東芝將以實際應(yīng)用尺寸的受光部尺寸900cm2為目標，進一步擴大面積，同時通過改良鈣鈦礦層材料，力爭實現(xiàn)20%或更高的能量轉(zhuǎn)換效率。
