小电池指引光伏产业新方向

来源:中国科学报发布时间:2013-11-20 10:11:19
新光伏材料在实验室里创造了奇迹,但是能够商业化吗?

在不同类型的太阳能电池里,有一种产品脱颖而出。数十年里,几乎所有的太阳能技术,例如晶体硅晶片和碲化镉薄膜都有一个缓慢稳定的发展过程,同时也有技术能将太阳光线的14%能量转换为电力。但如今一个新竞争者脱颖而出:由名为钙钛矿的复杂晶体制成的太阳能电池。

2009年,这种电池悄然到来,当时其有效转换率为3.8%——这是一个乏味的结果,因为当时的顶级硅光电池在实验室中的转换率能达到25%。但是,到2011年年底,新电池的有效率翻了一番达到6.5%,去年攀升到10%,2013年,有效率为15%。“这让人惊讶。”以色列魏茨曼科学研究学院材料学家david cahen说,“在太阳能电池里,我们从未看到这样的结果。”

这种电池的发展趋势越来越好。钙钛矿是由现成材料制成的,不像某些种类的太阳能电池,它们廉价而容易产生。专家认为,这种电池还有许多改进空间,明年效率能达到20%。钙钛矿太阳能电池还有潜力与硅电池板相结合,制造出效率达30%甚至更高的串联电池。

“它在发展。”美国斯坦福大学材料学家michael mcgehee说。“它非常具有竞争性。”瑞士联邦理工学院化学家michael gratzel说。“战役在继续。它的发展非常迅速,我没有时间睡觉了。”美国加州大学洛杉矶分校太阳能电池专家yang yang说。

正确方向

钙钛矿在1个多世纪前就摆在了太阳能电池制造者面前。1839年,一位俄罗斯矿物学家首次发现了这种矿物质的自然状态。目前,已知有数百种此类矿物质,太阳能电池钙钛矿属于半导体,其他家族成员从导体到绝缘体范围极为广泛,最著名的是高温氧化铜超导体。

上世纪90年代,ibm华生研究中心物理学家david mitzi使用钙钛矿半导体制成了薄膜晶体管和发光二极管。这些装置能够工作。尽管许多发光材料也能制成良好的吸光器,但mitzi发现钙钛矿太不稳定而无法制作太阳能电池——材料必须能够持续数十年才有商业价值。

几乎在10年之后,tsutomu miyasaka朝着解决问题的方向迈出了第一步。日本桐荫横滨大学化学家miyasaka及同事致力于研究染色敏化太阳能电池(dsscs)。与传统的硅太阳能电池不同,dsscs包含有机吸光染料混合物,这些混合物为二氧化钛(tio2)等微小颗粒添加涂层,这些颗粒被电解液包围。 


 
在标准dsscs里,当染色分子吸引光子时,光能够提高染色剂中电子的能量,使其跳到二氧化钛微粒上。在那里,它会从微粒跳到微粒,直至到达电极,然后被收集起来,送入电路中。同时,其他电子从电解质跳到染色剂,并使其恢复到初始状态。

gratzel表示,这里就有个麻烦。1991年gratzel研究小组发明了dsscs,但其染色剂不能吸收所有的光,因此降低了电池的能效。为了做得更好,miyasaka将注意力转向钙钛矿。他的研究小组花费了两年时间,寻找能使这种物质变稳定的秘方。他们使用了一层薄薄的吸光钙钛矿层,能效达3.8%。但不幸的是,这种电池也包含液体电解质,会在几分钟内溶解钙钛矿,以致电池失效。

之后,gratzel与韩国成均馆大学的nam-gyu park合作迈出了下一步。2012年,他们宣布使用固体取代了原来的液体,能效接近10%。现在,事情开始变得有趣。

越来越好

当其他技术还在为突破12%竞争时,钙钛矿太阳能电池为何能遥遥领先?cahen表示,正确答案的一部分是,钙钛矿有近乎完美的结晶度。这是砷化镓和晶体硅等顶级太阳能电池材料共有的特征。

在第二类电池材料中,这种晶体排列充斥着许多瑕疵。当电荷快速通过晶体陷入瑕疵时,它们通常会放弃额外的能量。制造无瑕疵的晶体通常需要超高的温度,或价值数百万美元的设备。但是钙钛矿能在80摄氏度下被制成,并能从溶液中简单沉淀析出近乎完美的形式。“有一点美梦成真的感觉。”cahen说。

今年10月,英国牛津大学henry snaith研究小组和gratzel小组等宣布,他们获得了更完美的结果:钙钛矿能允许电荷在材料里穿行很长的距离。这种被称为载流子扩散长度的性能对所有太阳能电池都非常重要。它用于衡量一个电子在遇到带正电荷的电子空位或坑洞并掉入之前能走多远。在这个过程中,电子会放弃从阳光的光子获得的多余能量,产生热能而非电力。

有机太阳能电池的扩散长度大约为10纳米。相比之下,钙钛矿的扩散长度是前者的100倍。“结果是,你能收集通行了更长距离的电荷。”gratzel说。

 

钙钛矿还有另一个价值很高的特性:产生电压的效率。例如,在晶体硅太阳能电池中,需要从光子获得至少1.1电子伏(ev)的能量,从而将一个电子反冲出硅原子的束缚,成为自由电子。然后,电子到达电极,再进入电路,它们的电压会降至0.7ev,仅丧失了0.4ev——这也是硅在商业上取得成功的部分原因。

对于传统的dsscs和有机太阳能电池而言,这些损耗约为0.7ev~0.8ev。但是,钙钛矿的损耗仅有0.4ev,与商业利益相匹配。“钙钛矿的这些优点非常好。”yang说,“这就是我们想要的。”yang小组在过去10年里花费大量时间研究有机太阳能电池,将其效能提高到接近11%。但是,之后他们开始研究钙钛矿,“我们在5个月里使其能效达到13%。”yang说。

另外,钙钛矿在吸收蓝色和绿色光子方面比硅更好。钙钛矿的生成温度比玻璃的熔点低,工程师能够将它们直接铺在硅电池玻璃涂层的顶端。mcgehee表示,这一策略可能制造廉价串联电池,但是没有人这样做过。

遭遇障碍

太阳能电池企业需要新的活力。近年来,太阳能电池价格下降,经过残酷的商业淘沙,大量相关企业纷纷破产。gratzel指出,风险投资公司以及科学基金机构,对支持有机太阳能光伏电板和dsscs等进展缓慢研究的热情逐渐冷却。他补充道:“相关企业的情绪非常低落”。因此钙钛矿来得正是时候,“我们需要激励”。

即便如此,在钙钛矿太阳能电池为进入市场作好准备前还有很长的路要走。首先,cahen说,目前实验室里制造的大部分电池是微小的,仅几厘米大。相比之下,硅电池板直径能达数米。“很难生产较大的钙钛矿连续膜。”cahen说。而且没有研究人员能解决耐久性问题。钙钛矿电池对氧气非常敏感,会与其发生化学反应进而破坏晶体结构,并产生水蒸气,溶解盐状的钙钛矿。更糟的是,目前最好的钙钛矿中的铅可能会滤出,污染屋顶和土壤。

“这里也存在许多困难。”cahen说,“此时,我是一个乐观主义者,并且是材料研究的信徒。”有关钙钛矿的诸多挑战需要解决,“该领域在未来几年中将非常活跃”。gratzel说。全球太阳能电池市场价值每年将达到近500亿美元,研究人员有动力推进该领域的发展。


责任编辑:shichunhua
索比光伏网&碳索光伏版权声明:

本站标注来源为“索比光伏网”、“碳索光伏"、"索比咨询”的内容,均属www.solarbe.com合法享有版权或已获授权的内容。未经书面许可,任何单位或个人不得以转载、复制、传播等方式使用。

经授权使用者,请严格在授权范围内使用,并在显著位置标注来源,未经允许不得修改内容。违规者将依据《著作权法》追究法律责任,本站保留进一步追偿权利。谢谢支持与配合!

推荐新闻
集采托底需求分化,9月组件排产进一步下调来源:索比咨询 发布时间:2026-09-24 09:12:11

本文分析了2023年9月光伏产业链各环节的供需与价格走势。受国内存量项目集中开工及大型地面电站交付带动,组件端出现阶段性补库,但整体仍面临产能过剩压力,9月排产进一步下调;海外需求分化,欧洲长单稳定,而新兴市场受贸易壁垒影响增量放缓,出口消化能力减弱。价格方面,组件价格短期弱稳,结构性分化加剧——集采放量与高效210R供应紧缺形成支撑,但分布式疲软、成本支撑不足及中标价下拉制约上行空间。硅料、硅片、电池片价格均持稳,但各自供需矛盾突出:硅料产量攀升而下游采购保守;硅片排产反增、库存累积;电池片排产分化,一体化厂商减产、专业化厂商提产。全产业链进入结构性博弈新阶段。

12GW产能全部淘汰!晶科能源浙江光伏电池组件工厂技改!来源:嘉兴市生态环境局 发布时间:2026-09-23 10:08:30

浙江晶科能源有限公司位于嘉兴海宁的光伏电池组件工厂拟实施高效新结构电池及组件技术改造项目。该项目总投资17.92亿元,将在原有厂房内淘汰全部12GW现有产能(含6GW晶硅电池与6GW电池组件),同步拆除制绒机、叠焊机等老旧设备,引入湿法处理、图形化等先进工艺装备,并集成MES、SAP、AI等数智化系统。技改后,工厂将不再保留原有规模化电池生产,仅保留电池片研发功能;整体产能调整为年产2.7GW高效新结构电池和4GW光伏组件,实现产线升级与结构优化。目前,该项目环评文件已进入审批公示阶段。

最高超173%!美国敲定印度、印尼和老挝光伏双反终裁税率来源:TaiyangNews 发布时间:2026-09-21 09:01:40

美国商务部已对印度、印尼和老挝出口的晶体硅光伏电池及组件作出反倾销(AD)与反补贴(CVD)终裁,认定存在倾销行为并获得可抵消补贴。终裁税率差异显著:印度AD税率为123.04%、CVD税率为126.09%;印尼AD税率为94.36%、CVD税率介于73.2%至173.7%;老挝AD税率为65.43%、CVD税率在82.03%至153.67%之间。该调查始于2025年7月美国光伏制造与贸易联盟(AASMT)提出的“Solar IV”申诉,是继针对中国(Solar I)及柬埔寨等四国(Solar III)系列双反行动后的延续。目前措施尚未生效,须待美国国际贸易委员会(ITC)于2026年10月14日作出产业损害终裁;若结果为肯定性,商务部将于11月2日签发税令。与此同时,美方正将调查范围扩展至埃塞俄比亚等地,并同步推进多晶硅进口限制及对韩国光伏产品的新增双反申请。(199字)

SEG在美国开启HJT组件生产来源:光伏情报处 发布时间:2026-09-20 09:28:02

美国光伏制造商SEG Solar于2026年9月15日在休斯顿大都会区的汤姆博尔一号工厂成功下线首批异质结(HJT)光伏组件,正式开启HJT高效组件的规模化商业生产。此举使该公司在北美的HJT组件总产能达6吉瓦,并推动其美国本土总产能将于2027年提升至10.6吉瓦。HJT技术凭借优异的双面发电能力、更低温度系数和更小衰减率,可显著提升电站全生命周期发电量与经济性。新工厂采用全流程数字化管理、AI视觉质检及智能排产系统,保障高可靠性与高效率。SEG还规划2028年建成本土光伏电池片产线,实现从硅锭到组件的全产业链垂直整合,以强化供应链自主性,加速HJT技术在美国市场的普及应用。(199字)

推进多场景试点应用!《江苏省推进钙钛矿光伏电池试点应用实施方案》发布来源:江苏省发改委 发布时间:2026-09-20 09:09:30

江苏省于2026年9月14日印发《推进钙钛矿光伏电池试点应用实施方案》,明确以多场景验证为路径,加快钙钛矿光伏技术工程化落地。方案提出到2030年,建成一批技术先进、效益显著的试点项目,形成全国领先的创新与应用试点体系。重点布局五大应用场景:“钙钛矿光伏+交通设施”,推动铁路、公路、港口及车载光伏应用;“+建筑”,推广光伏瓦、幕墙等BIPV产品;“+矿区”,结合生态修复实现能源开发与环境治理协同;“+海上风光同场”,开展高盐雾、高湿热环境实证;以及“+其他”,拓展至零碳园区、农(渔)光互补、可穿戴设备和航空航天等领域。配套强化项目试点、政策激励、市场消纳与标准认证四大支撑举措,全面助力钙钛矿光伏产业化与绿色低碳发展。(198字)

全球钙钛矿竞速,晶灵以唯一材料合作方进入澳洲国家级项目!来源:投稿 发布时间:2026-09-18 14:45:50

钙钛矿-晶硅叠层电池产业化加速,晶灵科技作为唯一中国材料方参与澳大利亚630万澳元国际攻关项目。其高纯度微晶材料已量产供货,多项技术创世界纪录,并布局太空光伏、BIPV等前沿场景,推动钙钛矿材料自主可控与全球验证。

某光伏电池员工偷取浆料被开除!来源:光伏技术 发布时间:2026-09-16 09:35:59

近日,某光伏电池企业通报一起内部员工违纪事件:一名现场员工多次窃取生产用浆料并私自倒卖,行为被查实后,公司依据内部规定与其解除劳动合同。通报指出,该员工的行为严重违反职业操守和公司管理制度,损害企业利益与生产安全。尽管此类行为在行业内偶有发生,但该公司此次处理程序规范、结果明确,未予宽纵亦未升级处罚,被视为相对审慎的合规处置。事件旨在警示从业人员严守岗位职责,杜绝利用职务便利谋取私利;同时提醒企业加强关键物料管控与员工廉洁教育,防范类似风险。相关通报已向内部传达,强调纪律红线不容触碰。

Suniva获8.35亿美元融资,在美扩建4.5GW光伏电池工厂来源:TaiyangNews 发布时间:2026-09-16 08:53:53

美国光伏电池制造商Suniva宣布完成8.35亿美元股权与债权融资,用于在南卡罗来纳州劳伦斯县建设一座年产4.5GW的高效单晶硅光伏电池工厂。该项目投资约6亿美元,厂房主体已完工,预计2027年底建成、2028年达产,将新增564个先进制造岗位。建成后,Suniva在美国的光伏电池总产能将提升至5.5GW。公司强调,依托现有本土供应链及已签署的长期产品承购协议(虽未披露具体客户与数量),扩产风险得到有效管控。Suniva CEO指出,本土化电池生产对实现美国能源独立和满足持续增长的清洁能源需求至关重要。此外,公司正推进与上市企业SUNation Energy的反向并购,合并后将以Suniva为运营主体,继续在纳斯达克上市。

2.4GW光伏电池工厂拟落地!来源:索比光伏网 发布时间:2026-09-16 08:45:25

印度Solarworld Energy与Rays Power合资成立Rays Green公司,各持股50%,计划在中央邦纳尔马达普勒姆区莫哈萨建设一座2.4GW TOPCon光伏电池工厂,占地约250.7亩,总投资100亿卢比(约合7.04亿元人民币)。项目资金来源已调整:Solarworld Energy将原定用于其子公司Kartik Solarworld在潘杜拉纳建设1.2GW TOPCon电池项目的部分募集资金,转投至本次新建工厂。此前,该公司于2025年9月25日披露的招股书曾计划以42亿卢比募资款支持该1.2GW项目,总预算为57.53亿卢比。此次扩产标志着印度TOPCon电池本土产能显著提升,旨在加速实现光伏制造本土化,减少对进口电池的依赖。

硅片电池片出口抢装托底,组件价格推涨支撑不足来源:索比咨询 发布时间:2026-08-27 09:14:39

本文分析了光伏产业链中硅片、电池片、组件及硅料四大环节的最新价格走势与供需动态。受美国232政策窗口期及印度装机旺季带动,海外对硅片和电池片的集中采购推动其价格周度上涨,库存去化明显;但组件端虽经历第二轮提价,实际成交乏力,终端电站收益偏低、需求疲软,导致下游采买降温、库存回升,涨价支撑不足;硅料则因供强需弱、签单稀少而维持高位僵持,价格承压弱势震荡。整体来看,产业链价格分化加剧,短期组件价格或弱稳运行,真正拐点需待三季度末终端需求实质性回暖或产能出清。

Wood Mackenzie:前5个月印度进口20G电池+5GW硅片,明年本土电池短缺持续来源:TaiyangNews 发布时间:2026-08-26 08:36:19

本文介绍了Wood Mackenzie对印度光伏产业发展的最新分析。2026年前5个月,印度进口光伏电池20GW、硅片5GW,凸显其本土供应链短板;尽管名义电池产能达88GW,但实际产量预计仅29GW,远低于全年超50GW的装机需求。ALMM-II电池清单于2026年6月1日生效,限制非合规电池进口(尤其来自中国),导致下半年项目开发承压,地面电站系统价格或于四季度上涨20%。政策调整(如跨州输电费用豁免比例下调、净计量豁免延至年底)进一步影响装机节奏。虽规划新增产能庞大(2029年前累计达218GW),但投产延迟将加剧进口依赖;后续ALMM-III拟于2028年覆盖硅片环节,推动全产业链本土化。(199字)