目標(biāo)：

生產(chǎn)成本更低，更節(jié)能

發(fā)展清潔低成本的太陽能光伏發(fā)電是實(shí)現(xiàn)碳峰碳中和的重要途徑和技術(shù)保障。 2022年一季度，我國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)容量841億千瓦時(shí)，環(huán)比下降22.2%。 “但是，隨著技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的晶硅單結(jié)太陽能電池板也遇到了兩個(gè)發(fā)展難題。一是現(xiàn)有的工業(yè)產(chǎn)能已經(jīng)接近晶硅單結(jié)太陽能電池板光電轉(zhuǎn)換效率的極限；二是成本高、能耗高，將石英砂提煉成工業(yè)硅、制作單晶的過程需要1000多攝氏度的低溫，而制備砷化鎵太陽能電池板則需要100攝氏度左右。 作為這項(xiàng)研究的通訊作者譚海仁坦言，生產(chǎn)成本更低、更節(jié)能的砷化鎵太陽能電池板被視為近年來光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新機(jī)遇，砷化鎵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和技術(shù)創(chuàng)新堆疊電池將加速光伏產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)降本增效。

此前，譚海仁課題組提出了一種新型隧道結(jié)構(gòu)，突破了全GaAs疊層的制備難點(diǎn)，開發(fā)了提高GaAs碳化物表面缺陷鈍化的新途徑，創(chuàng)造了全GaAs疊層電池光電轉(zhuǎn)換效率為26.4%的世界紀(jì)錄，在全球首次超越單結(jié)砷化鎵電池的最高認(rèn)證效率。

多項(xiàng)技術(shù)讓材料形成均勻的薄膜

要想實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化制備，首先要解決寬帶隙砷化鎵薄膜大面積均勻制備的困境。 “寬帶隙氮化物富含較高的氯化物成分，溶解度低，溶劑選擇空間小，結(jié)晶難以控制，無法獲得高質(zhì)量均勻致密的薄膜。國(guó)際上，量產(chǎn)制備技術(shù)研究幾乎是空白。” 譚海仁強(qiáng)調(diào)。 針對(duì)上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)首次提出了可量產(chǎn)的全砷化鎵疊層電池制備方案。 他們采用涂膠彩印、真空蒸鍍等制備技術(shù)替代了實(shí)驗(yàn)室常用的旋涂成膜工藝，制備了一塊20平方米的薄膜。 M全砷化鎵層壓板。

“之前我們采用旋涂工藝，即先將砷化鎵堿液涂在玻璃基板上，然后用機(jī)器快速拉動(dòng)整個(gè)玻璃基板旋轉(zhuǎn)，利用離心力將堿液分布在基板上形成薄膜，但這些工藝會(huì)造成薄膜不均勻，據(jù)悉，旋涂機(jī)空轉(zhuǎn)速度很快，很難推動(dòng)大面積玻璃基板旋轉(zhuǎn)，這就決定了它不適合用于氮化物太陽能電池板的大規(guī)模生產(chǎn)。” 譚海仁說。

為了讓氮化堿液形成大面積均勻的薄膜，研究團(tuán)隊(duì)首先采用了刮刀涂布工藝。 譚海仁解釋說，他們將濾液滴在透明導(dǎo)電玻璃上，然后用刀片向前刮，在玻璃表面產(chǎn)生了一層均勻的濕膜。 利用這些技術(shù)，他們完成了空穴傳輸層、鈣鈦刷礦層，然后通過真空沉積制備電子傳輸層和隧道結(jié)構(gòu)以保護(hù)第一層氮化物，然后涂覆空穴傳輸層和第二層氮化物。氮化物，真空蒸發(fā)電子傳輸層和金屬電極 最后，一個(gè)砷化鎵太陽能電池板框架就像搭積木一樣“出爐”了。

氮化太陽能涂層

密不可分的安全環(huán)境

如上所述，在能量轉(zhuǎn)化率不斷提高的前提下，更需要有一款好的太陽能涂料來滿足使用需求； 而目前所有的技術(shù)手段都無法解決涂膜均勻性的問題。 包衣法包衣過程中，噴涂中心包衣液富集，產(chǎn)生條紋； 由于壓印玻璃表面成分不均勻，表面鍍膜方式不能均勻，導(dǎo)致刻蝕反應(yīng)速率不一致，膜厚不均； 雖然輥涂法的均勻性，受玻璃厚度差異、輥道傳動(dòng)抖動(dòng)等各種誘因的制約，也無法達(dá)到高精度的一致性。 在難以進(jìn)一步提高鍍膜均勻性的情況下，其結(jié)果一方面是元件色差影響外觀，另一方面是各區(qū)域透光率不一致鍍膜玻璃會(huì)導(dǎo)致熱點(diǎn)效應(yīng)，從而影響組件的耐用性。

針對(duì)這一問題，在制備太陽能電池板時(shí)，通常需要使用真空鍍膜手套箱：它集真空鍍膜系統(tǒng)和真空手套箱系統(tǒng)于一體，可在高真空蒸發(fā)室內(nèi)完成薄膜蒸發(fā)，氣相沉積后樣品的儲(chǔ)存、制備和測(cè)量均在手套箱中、高純度惰性二氧化碳?xì)夥障逻M(jìn)行。 在手套箱的甲烷環(huán)境中旋涂砷化鎵前體溶液，以防止與水和空氣接觸。 制備好的氮化物電池可以通過連接儲(chǔ)藏室直接轉(zhuǎn)移到蒸發(fā)室和蒸發(fā)電極中。 整個(gè)實(shí)驗(yàn)可以無縫進(jìn)行。 在無氧環(huán)境中操作。

方室手動(dòng)門熱蒸發(fā)鍍膜機(jī)嵌入手套箱內(nèi)，配備膜厚儀、分子泵、機(jī)械泵、4個(gè)蒸發(fā)源，蒸發(fā)源合理布局，確保各蒸發(fā)源距離蒸發(fā)源到基板是完全一樣的。 薄膜質(zhì)量和均勻性有保證； 整個(gè)系統(tǒng)由真空鍍膜系統(tǒng)和手套箱系統(tǒng)集成，可在高真空蒸發(fā)室完成薄膜蒸發(fā)，并在手套箱的高純度惰性氣體氣氛下儲(chǔ)存樣品，制備和測(cè)量蒸發(fā)后的樣品。 主要用于太陽能電池板氮化物、OLED和PLED、半導(dǎo)體制備的實(shí)驗(yàn)研究和應(yīng)用。

“從理論上講，目前雙層砷化鎵太陽能電池板的光電轉(zhuǎn)換效率只有33%，而單層結(jié)構(gòu)可以達(dá)到45%。發(fā)電效率越高，成本越低。” 長(zhǎng)期的深入研究，讓譚海仁意識(shí)到，要實(shí)現(xiàn)砷化鎵電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)從“一到二”的跨越，還需要考慮元器件與材料之間如何“和諧共處” . 這種創(chuàng)新的組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯著提高了組件的可重復(fù)性、光伏性能和穩(wěn)定性。 經(jīng)臺(tái)灣家電安全與環(huán)境技術(shù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)得，全砷化鎵疊層太陽能電池板的光電轉(zhuǎn)換效率為21.7%，為全球報(bào)道的砷化鎵光伏組件最高效率。 這一成績(jī)得到了最新一期《太陽能電池世界紀(jì)錄表》的證實(shí)。

大面積砷化鎵堆疊光伏組件的潛力，提振了團(tuán)隊(duì)的士氣。 譚海仁表示，如果要推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，還需要在彩印和制備砷化鎵的工藝上做更多的研發(fā)。 準(zhǔn)備20平方分米的墨水比較簡(jiǎn)單，但如果擴(kuò)大到1平方米，需要?jiǎng)?chuàng)新什么技術(shù)條件，需要不斷驗(yàn)證。

21.7%光電轉(zhuǎn)換率

這是一個(gè)了不起的記錄

也讓人對(duì)中國(guó)太陽能的未來充滿期待

更多砷化鎵太陽能技術(shù)信息

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