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北京工业大学“高效SHJ光伏电池”突破性研究成果荣登国际顶级学术刊物Nature Energy

 

 

近日，国际顶级学术刊物Nature Energy在线发表了北京工业大学材料与制造学部郑坤研究员（固体所）与张永哲教授（新能源材料所）为共同通讯作者的最新研究成果“Identification of embedded nanotwins at c-Si/a-Si:H interface limiting the performance of high-efficiency silicon heterojunction solar cells”（DOI:https://doi.org/10.1038/s41560-020-00768-4）。北京工业大学为该文的第一完成单位和唯一通讯单位，北京工业大学博士研究生曲先林、何永才以及博士毕业生、汉能成都研发中心曲铭浩为并列第一作者。据统计Nature Energy创刊五年仅刊文499篇（包括Article和Review），目前即时影响因子已经超过58。

在2020年9月的联合国大会上，我国庄严承诺CO2排放量将分别于2030年前和2060年前达到碳峰值和碳中和，发展太阳能光伏发电等清洁、可再生能源是实现这一目标的主要技术途径之一。追逐更高的光电转换效率是整个光伏行业降低成本、扩大应用的长期核心任务。鉴于材料及其制备工艺技术和性能的优势，晶体硅（c-Si）/非晶硅（a-Si:H）异质结（SHJ）是目前光伏发电领域投资热度最高、在建产能最大的最新一代高效太阳能光伏电池，2020年也被认为是SHJ电池大规模产业化“元年”。全球SHJ电池的领导者、日本Kaneka于2017年创造了面积151.9cm2、转换效率25.1%的世界最高纪录后，提升转换效率的努力均遭受挫折。普遍认为影响SHJ电池转换效率的关键因素是c-Si/a-Si:H的界面缺陷与钝化机制，因此，在原子尺度上精准认知和调控c-Si/a-Si:H界面结构成为十分迫切且严峻的挑战。

北京工业大学材料与制造学部科研团队与汉能成都研发中心团队自2012年建立战略合作协议以来，共同努力、协同创新，不断取得新的突破。在该论文的研究工作中，科研人员选择了性能指标处于国际领先、转换效率高达24.85%量产化的SHJ电池（M2基片，面积244.5cm2）为研究对象，采用球差校正透射电子显微镜观察、理论计算分析相结合的方式，离位/原位观察并确立了界面处的原子结构特征以及退火导致的结构演变规律。针对钝化c-Si{111}表面缺陷的a-Si:H薄膜，不仅观察到存在其中的常规外延生长现象，而且在2~3纳米的外延层中首次发现作为深能级复合中心的“嵌入式纳米孪晶”，造成薄膜中的应变力场并导致较短的光生少子寿命，限制了SHJ电池的转换效率，这是颠覆性的新认知。过去的40多年，国内外针对SHJ电池开展了大量研究，一个共识的观点即界面处唯一存在的深能级复合中心是Si-悬挂键点缺陷。然而，该研究的最新结果表明，还存在另一个不易常规钝化的非Si-悬挂键界面新缺陷——纳米孪晶缺陷。此外，基于“纳米孪晶缺陷”的形核—生长—终止、乃至对称性的反转规律，进一步澄清了产生“纳米孪晶缺陷”的诱导因素和作用机制，为业界提供了具有普适参考价值和发展指导意义的科学依据。在此基础上产生的抑制“纳米孪晶缺陷”新工艺降低了这类新缺陷的态密度（为原工艺的1/3左右），为量产化SHJ电池创造转换效率新的世界最高纪录（25.11%，由国际公认的第三方德国ISFH认证）奠定了基础。

实现碳达峰碳中和目标任务，是党中央的重大战略决策，是我国向国际社会作出的庄严承诺。十九届五中全会提出以推动高质量发展为主题，构建以国内大循环为主体、国内国际双循环相互促进的新发展格局，坚持创新驱动发展，全面塑造发展新优势，并将碳达峰和碳中和目标纳入“十四五”规划建议，为材料产业坚持供给侧结构性改革，提升供给体系对国内高质量发展需求的适配性，提升产业链、供应链的完整性，推动质量、效率、环境等综合效益变革指明了方向。

中国工程院院士、北京工业大学校长聂祚仁指出，经过四十年改革开放的高速发展，我国基础材料产量和规模已跃居世界首位，为重大基础设施建设、高端装备制造和满足人民日益增长的美好生活需要等方面做出了积极的贡献。然而，随着材料产业规模的扩大，我国基础矿产资源和能源供应保障问题十分突出，环境污染瓶颈问题日益凸显。据统计，我国钢铁、建筑材料、化工与石化、有色金属、纺织和轻工这六大类基础材料生产能耗约占全国总能耗的43%；废水、工业烟尘和一般固体废弃物占工业排放总量的比重分别为44％、78％和70％左右。近几年，随着逆全球化趋势的加剧，贸易保护主义频频抬头。材料行业主要依靠产量和规模为国际市场提供低廉初级产品的国际循环模式已难以为继。

当今世界，地区间资源和能源争端日趋激烈，全球生态与环境问题日益严峻，大力推进材料的生态化进程，强调材料与资源、环境协调统一，已经成为材料产业实现可持续发展的关键所在。