基于TRIZ理論的鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)展望

楊海彬 張美麗 周成 趙志新 隋麗娜 陳英杰

摘要：近幾年，在染料敏化太陽能電池發(fā)展的基礎(chǔ)上，人們對鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的研究得到了突破性的發(fā)展。作為一個新興的能源技術(shù)系統(tǒng)，PSC的發(fā)展歷程遵循發(fā)明問題解決理論（TRIZ）中的技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化論，即滿足技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則和四大發(fā)展階段，沿著提高理想度進(jìn)化的路線，逐步向低成本、高能效、高穩(wěn)定及環(huán)保的理想邁進(jìn)。文章最后以技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化論為基礎(chǔ)對PSC的研究發(fā)展做出合理預(yù)測，并實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新方案。

關(guān)鍵詞：發(fā)明問題解決理論;技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化理論;鈣鈦礦太陽能電池;進(jìn)化法則;創(chuàng)新方案

中圖分類號：D668? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）42-0069-02

一、新技術(shù)系統(tǒng)的飛速發(fā)展

隨著社會生產(chǎn)工業(yè)化的發(fā)展，石油、煤炭等資源的不合理利用對環(huán)境造成巨大污染，嚴(yán)重破壞生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，發(fā)展高效廉價的太陽能電池是解決這些難題的重要手段。新型薄膜太陽能電池—鈣鈦礦太陽能電池因其成本低、工藝簡便、重復(fù)性良好、光電轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注，發(fā)展迅猛。

發(fā)明問題解決理論（TRIZ）為人們創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)和解決問題提供了系統(tǒng)理論和方法工具。技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化論是其核心理論之一，而S曲線正是其精髓所在，它包含四個階段：嬰兒期、成長期、成熟期和衰退期。其中，嬰兒期發(fā)展緩慢，成長期發(fā)展最快，成熟期發(fā)展較平緩，而衰退期意味著將有更高級的技術(shù)系統(tǒng)出現(xiàn)。如圖1所示，染料敏化太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池所對應(yīng)的發(fā)展曲線恰好符合S曲線進(jìn)化規(guī)律，兩條曲線完美地呈現(xiàn)了一種遞進(jìn)關(guān)系，這表明在薄膜太陽能電池的發(fā)展中，鈣鈦礦電池技術(shù)系統(tǒng)是在染料敏化電池技術(shù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其技術(shù)核心更為先進(jìn)，其嬰兒期建立在染料敏化電池系統(tǒng)的成熟期和衰退期之間后。鈣鈦礦太陽能電池目前正處于薄膜太陽能電池發(fā)展的最前沿。

技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化論認(rèn)為：（1）一個技術(shù)系統(tǒng)，其核心技術(shù)的發(fā)展具有客觀的進(jìn)化規(guī)律和模式，即符合S曲線的發(fā)展模式，并遵循著：提高理想度法則、協(xié)調(diào)性法則、能量傳遞法則、子系統(tǒng)不均衡進(jìn)化法則和超系統(tǒng)進(jìn)化法則等八大系統(tǒng)進(jìn)化法則。（2）技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展的動力是矛盾與技術(shù)難題的解決。（3）技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展的最理想狀態(tài)是用最少的資源付出得到最大的效益功能。（4）技術(shù)系統(tǒng)處于衰退期時，意味著新一代的技術(shù)核心將取代現(xiàn)有的技術(shù)核心，當(dāng)新一輪技術(shù)發(fā)展，它將經(jīng)歷一個新的S曲線，直到被下一個更加高級的技術(shù)核心所取代，循環(huán)往復(fù)并朝著最終理想解邁進(jìn)[2]。

二、基于技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化論的PSC的發(fā)展歷程

鈣鈦礦太陽能電池是第三代新型薄膜太陽能電池，其結(jié)構(gòu)和工作原理如圖2所示。2009年Kojima等人在染料敏化太陽能電池的基礎(chǔ)上研制出了以鈣鈦礦材料作為吸光層的太陽能電池，這是染料敏化電池系統(tǒng)與鈣鈦礦電池系統(tǒng)銜接性的大事件，標(biāo)志著鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展進(jìn)入嬰兒期。這一期間，因得不到廣泛的關(guān)注和投入，技術(shù)系統(tǒng)性能的完善非常緩慢。

隨后，全固態(tài)PSC問世，鈣鈦礦太陽能電池的技術(shù)系統(tǒng)得到廣泛關(guān)注，科研投入量加大，步入成長期。系統(tǒng)中存在的問題逐步得到優(yōu)化，發(fā)展?jié)摿﹂_始顯現(xiàn)，體現(xiàn)在S曲線上最陡峭的一段曲線，是通往最終理想解的重要組成部分。例如在這期間，Shen等人通過瞬態(tài)吸收技術(shù)測試發(fā)現(xiàn)，提高傳輸材料對電子和空穴的吸收效率或?qū)Σ牧蠈?shí)施表面鈍化都可以降低載流子的復(fù)合概率，從而可以提高PCE。在此促進(jìn)了技術(shù)系統(tǒng)理論基礎(chǔ)的建立，并同時為后來者積攢了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

在近幾年，PSC一如既往地高速發(fā)展，由圖1可知，其光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到了23.3%。根據(jù)提高理想度法則，任何技術(shù)系統(tǒng)，在其生命周期之中，是沿著提高其理想度向最理想系統(tǒng)的方向進(jìn)化的，提高理想度法則代表著技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則的最終方向，增加新功能組件和對組件進(jìn)行優(yōu)化是促進(jìn)技術(shù)系統(tǒng)走向理想解的有效方式，因此在增加片層結(jié)構(gòu)進(jìn)行界面調(diào)控、優(yōu)化吸光層、優(yōu)化空穴傳輸層、提高電池穩(wěn)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報道了關(guān)于鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)系統(tǒng)向超系統(tǒng)進(jìn)化的最新研究。2018年Han課題組通過雜化鈣鈦礦與Cu（In，Ga）Se2（CIGS）的結(jié)合研制了串聯(lián)太陽能電池組，起到了1+1>2的效果。2015年T.Todorov組報道了雙端鈣鈦礦型CIGS串聯(lián)太陽能電池，然而效率僅為10.9%。這都區(qū)別于傳統(tǒng)的單結(jié)電池，串聯(lián)電池在提高PCE方面有著良好表現(xiàn)，這說明PSC向超系統(tǒng)（技術(shù)系統(tǒng)由單系統(tǒng)向多系統(tǒng)進(jìn)化）進(jìn)化會是一個充滿前景的發(fā)展方向。其次，從前后對比以及原因分析上可以看到相對于T.Todorov組，Han組的串聯(lián)電池協(xié)調(diào)性更好，子電池之間協(xié)調(diào)性更佳，充分發(fā)揮了子電池各自的性能。這在技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化方向上滿足子系統(tǒng)協(xié)調(diào)性法則。

三、基于技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化論P(yáng)SC的創(chuàng)新方案

根據(jù)提高理想度水平法則，未來PSC將朝著理想解即低成本、高效率、高穩(wěn)定性、無毒環(huán)保的方向發(fā)展。無鉛無機(jī)錫基鈣鈦礦太陽能電池是當(dāng)下研究的熱門趨勢。用錫元素代替鉛元素解決了電池毒性問題，但錫元素不穩(wěn)定，要解決此問題，可采用量子點(diǎn)進(jìn)行修飾改性或摻雜應(yīng)用于太陽能電池進(jìn)而提高PSC穩(wěn)定性。而使用量子點(diǎn)這一單一組分進(jìn)行修飾改性效果不能達(dá)到最佳，根據(jù)技術(shù)系統(tǒng)向超系統(tǒng)進(jìn)化法則的預(yù)測，將各項(xiàng)性能指標(biāo)相當(dāng)優(yōu)良的石墨烯與量子點(diǎn)進(jìn)行協(xié)調(diào)復(fù)合，將會產(chǎn)生良好的性能改善。

理想與發(fā)展現(xiàn)況之間的矛盾，成為技術(shù)系統(tǒng)不斷向前發(fā)展的強(qiáng)大驅(qū)動力。在PSC技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化過程中，滿足質(zhì)量互變定律和否定之否的自然辯證規(guī)律，后一發(fā)展階段不僅是前一發(fā)展階段的否定，更是前一發(fā)展階段的升級轉(zhuǎn)化。在矛盾的推動力下，技術(shù)系統(tǒng)不斷循環(huán)地進(jìn)行否定與進(jìn)化，逐步實(shí)現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)的最終理想解。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]裴曉敏，張?jiān)龀?TRIZ技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化辯證觀[J].系統(tǒng)科學(xué)學(xué)報，2013，（5）.

[3]白宇冰，王秋瑩，呂瑞濤，等.鈣鈦礦太陽能電池研究進(jìn)展[J].科學(xué)通報，2016，（Z1）：489-500.

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