科普:钙钛矿太阳能电池

来源:集邦新能源网发布时间:2017-09-19 14:33:58

索比光伏网讯:近日,众多高校实验室纷纷爆出喜讯:上海交大韩礼元教授团队发声,团队历时3年在大面积高质量钙钛矿薄膜制备的基础上,开发了有效面积36.1cm2的钙钛矿电池模块,在国际认证机构首次获得了12.1%的认证效率。这一成果的出现意味着未来钙钛矿光伏技术有了走出实验室、实现大规模产业化的可能。

华中科技大学自主研发出的新型钙钛矿太阳能电池正在积极准备量产,华科大团队已经获得超过16%的光电转换效率,每峰瓦成本还仅为传统太阳能电池的1/5,每平米预计成本将低至100元。

光电转化率

提及新的光伏材料,首先要考虑到的就是光电转化率,有同学会问,为什么上述两则新闻中所提及的钙钛矿太阳能电池的光电转化率相差4个百分点。

这样的数据差是由于如下几个原因:

第一,钙钛矿电池的光电转化率与其电池面积及厚度有直接关系,依靠现有制备薄膜的技术,钙钛矿薄膜的面积越大,越容易出现瑕疵,电池的效率就越低。超过20%国际认证效率的钙钛矿太阳能电池模块面积只能达到0.04至0.2平方厘米,顶多像米粒那么大,上海交大所提出的12.1%是在面积为36.1cm2的前提下。

第二,在这种钙钛矿ABX3结构中,A为甲胺基(CH3NH3),B为金属铅原子,X为氯、溴、碘等卤素原子。由于相对复杂的晶体结构对A、B、X三个位点上的原子(或基团)半径有着较高的要求,钙钛矿吸光材料的组成比较固定。最近一些研究组用甲咪基取代A位上甲胺基,使带隙变窄(1.48eV),获得了更高的光电流。对于B位上的Pb原子,当Sn原子替换Pb原子后,目前尚未见有光电响应的报道。而X位上的原子,目前可以选用氯、溴、碘等卤素原子,但只有以碘为主的钙钛矿有合适的带隙,可以获得高转换效率。除了CH3NH3PbI3之外,CH3NH3PbI3-xClx也是目前研究较多的材料。在保持能级结构基本不变的情况下,少量氯元素的掺杂可以提高电子迁移率,显示出了更加优异的光电性能。因此,部分元素的改变也对光电转化率影响深刻。

目前在高效钙钛矿型太阳能电池中,最常见的钙钛矿材料是碘化铅甲胺CH3NH3PbI3,它的带隙约为1.5eV(理论研究表明,能隙在1~1.5eV的材料,对太阳光的吸收效率最高,典型的钙钛矿ABX3的能隙大多落在这个范围),消光系数高,几百纳米厚薄膜就可以充分吸收800nm以下的太阳光。而且,这种材料制备简单,将含有PbI2和CH3NH3I的溶液,在常温下通过旋涂即可获得均匀薄膜。上述特性使得钙钛矿型结构CH3NH3PbI3不仅可以实现对可见光和部分近红外光的吸收,而且所产生的光生载流子不易复合,能量损失小,这是钙钛矿型太阳能电池能够实现高效率的根本原因。

钙钛矿电池印刷浆料

成本

一、单价

谈完转化率,接下来首要考虑的就是成本问题。在世界上主要有3种类型的太阳能电池中,最贵的是多结太阳能电池,这种电池用于卫星、无人机等,光电转换效率高达46%,但造价昂贵;最常见的是晶硅太阳能电池,用它做成的光伏发电面板随处可见,光电转换效率约在18%,每平方米造价为500元至700元;其次,是以汉能为代表的薄膜太阳能电池,它的特点是薄,厚度为晶硅电池的1/10,转换效率约为10%—12%,其明星产品“汉瓦”定价为1390元/平方米。而钙钛矿每平米预计成本将低至100元。

下图是三种光伏材料的光电转化率与价格对比图。钙钛矿属于第三种:高效薄膜技术。

数据来源:科学大院


二、寿命

影响成本的另外一个因素,就是使用寿命的问题,也就是材料的稳定性,钙钛矿还有很长的路要走。稳定性是钙钛矿太阳能电池最致命的弱点:由于它们对潮湿环境敏感,暴露在潮湿空气中会很快分解,就连昼夜温差造成的水蒸气也可能对它造成伤害,因此必须对其进行防水封装。

目前,经过学界的不懈努力,钙钛矿电池已经过了1万小时的持续光照实验,以这个数据来计算,取全国平均日照时长4h,那么钙钛矿电池理论寿命为6.8年,再加之非充足日照时间以及日常损耗,钙钛矿的寿命应远远小于6.8年。相比于硅电池的理论寿命25年,目前看来比较弱势。

三、资源

碘化铅甲胺CH3NH3PbI3中所涉及的碘、铅都是重要的组成元素。

尽管我国拥有碘资源,但储量仅约4,000吨,年产量(2012年)大约600吨,只占全球碘总产量的2.14%。因此,我国每年都要从国外进口大量的碘。例如,2014年我国进口粗碘4344吨。我国每年用于生产碘盐的碘在200-300吨之间,由智利进口,国家提供补贴。

相对而言,铅资源的状态比较客观,世界上铅储量较多的国家澳大利亚、中国、俄罗斯、美国、秘鲁和墨西哥,这6国储量占全世界的87%,其中澳大利亚占比最大为40%,中国占16%,美国占6%,秘鲁占8%,墨西哥占6%,俄罗斯占11%;其他地区占13%。

数据来源:金属百科《铅资源储量分布及产量》

尽管目前看来,资源占有量对钙钛矿电池的发展暂不构成影响,但实现量产后,资源的供给是不容忽视的问题。

环境友好

“环境友好型”是产业发展的重要标签,这不仅关系到从业者与用户的健康,还关系到国家的支持与推广力度。由于含铅材料对环境的不友好性,研究者们在努力实现无铅化,但相应会带来电池转换效率的降低。最直接的方法是利用同族元素(如Sn)来代替Pb元素。在MAXI3材料中,CH3NH3SnI3的能隙仅为1.3eV,远低于CH3NH3PbI3的1.55eV,可以使吸收光谱发生红移。采用CsSnI3作为光吸收材料,并加入SnF2作为添加剂也以减少缺陷密度,提高载流子浓度,进而提高电池效率。这两种替代的吸收材料的吸收光谱发生明显红移,可以吸收更宽波段的入射光。

从解决环境污染但又不牺牲电池转换效率的角度出发,科学家提出了另一种思路,即回收汽车电池来提供铅源。由于汽车电池中的铅源具有相同的材料特性(如晶体结构、形貌、吸光性和光致发电性)和光电性能,既提供了钙钛矿材料制备所需的铅源,又解决了废旧含铅电池无法妥善处理的问题,因此具有一定的实际应用价值。

应用端

针对光伏材料的应用方面而言,目前市场上主流的光伏板、薄膜所应用的领域不尽相同,多晶硅的性价比以及单晶硅的高转化率各有优势,前者多用于大型电站以及分布式光伏,后者则更加适用于分布式应用,薄膜产品应用的领域较为广泛,可以灵活运用于建筑与外设产品中,但低转化率时常被诟病。

钙钛矿的优劣在上文中已有阐述,其低成本是最吸引人的部分,但我们知道,光伏板的布置对空间的需求较大,无论是空地还是屋顶,现在都是稀缺的资源。就钙钛矿电池目前的技术水平而言,建设同等装机量的工程,钙钛矿所需的占地面积将远远大于晶硅产品。事实上,钙钛矿目前运用端的可行性与晶硅薄膜产品十分相似,但其稳定性目前还不如晶硅薄膜产品,因此钙钛矿电池的实际应用情况目前还不能体现出很强的优势。

总结

人类在清洁能源上所做的努力,主要从转化率、稳定性、成本、环境友好等方面进行考量,相对于传统材料,钙钛矿在转化率、单价方面有很大的突破,但在稳定性与寿命方面仍有很长一段路要走,照目前实验室数据突破的速度来看,情况较为乐观,但仍需稳扎稳打,相信克服这两个难关后,应用端的问题也将迎刃而解,钙钛矿将大有可为。

原标题:科普:低价高效可印刷的钙钛矿电池?

责任编辑:solar_robot
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
东方日升 RisenFlex Nova 首批 pHJT CIC 电池成功下线!来源:东方日升新能源 发布时间:2026-09-22 10:13:55

东方日升于2026年8月29日成功下线首批pHJT CIC空间太阳能电池,具备轻量化、高转化效率与优异抗辐照可靠性。RisenFlex Nova系列支持尺寸定制,适配特殊环境,开放客户验证。后续将持续优化良率、效率与可靠性,加速产品迭代升级。

中国太阳能电池板出口在2026年8月下降39%来源:IDN 发布时间:2026-09-20 09:39:39

2026年8月,中国太阳能电池和电池板出口量同比下降39%,至84万吨;出口额达22.5亿美元,同比下降23.1%;出口数量约为9.249亿块,同比减少37.8%。尽管环比微增(较7月的83万吨略有上升),但这是在政府取消出口退税优惠政策后连续第四个月出现同比下降。作为全球最大的太阳能电池及组件生产国,中国此次出口持续下滑反映出政策调整对行业外贸格局的显著影响——出口激励弱化正推动出口节奏放缓、贸易结构面临重塑。数据源自中国海关统计,经路透社报道确认。

Alpex Solar在印度投产2.2GW TOPCon 电池厂来源:光伏情报处 发布时间:2026-09-20 09:32:30

Alpex Solar在印度北方邦马图拉正式投产一座2.2GW G12R TOPCon太阳能电池工厂,标志着其后向一体化战略的关键落地。该厂旨在增强本土电池产能,提升对印度市场的供应保障能力,并支撑公司覆盖光伏电池、组件、太阳能水泵、铝边框及EPC工程的垂直一体化业务布局。公司已在北方邦和中央邦建成多个生产基地,具备TOPCon、双面、单晶PERC及半片等多种技术路线的组件量产能力。为支持扩张,Alpex Solar已获印度本土工业机构21.5亿卢比(约2590万美元)投资,并于去年12月通过发行年利率14.75%的不可转换债券再融资12.5亿卢比(约1380万美元)。此举亦呼应印度ALMM清单中持续增长的电池产能备案趋势——截至2026年8月,全国备案电池总产能达35468MW。

1GW太阳能电池大单落地来源:索比光伏网 发布时间:2026-09-20 09:03:16

印度光伏企业Vikram Solar与Avaada Electro签署1GW太阳能电池供货协议,采购符合印度ALMM清单要求的n型G12R TOPCon半片电池,供货自2026年9月起,合同金额约125亿印度卢比(1.5亿美元)。该订单旨在满足印度DCR(本土制造含量)政策下组件生产的电池供应需求,增强Vikram Solar供应链稳定性。Avaada Electro将于2026年7月正式列入ALMM清单。目前,Vikram Solar正加速垂直一体化布局:其6GW电池工厂已投产,7月组件车间投运,2026年1月完成组件向G12R规格切换,4月全球组件累计出货超10GW;规划至2027财年末实现9GW电池产能,并持续推进硅锭、硅片扩产及9GW高效制造基地建设,预计2027财年第四季度投产。

水下太阳能电池实现南海10米深处稳定运行来源:中国科学报 发布时间:2026-09-15 10:05:58

本文报道了西南联合研究生院与云南大学张文华团队在水下太阳能电池领域的突破性进展:其研发的宽能带隙浸没式钙钛矿太阳能电池,可在南海10米水深下稳定运行,单次工作两小时即可输出324兆瓦时电能,满足锂离子电池充电需求;在模拟及实地测试中,电池经1160小时运行和300天氮气储存后,效率分别保持近乎不变和达初始值的96%,展现出优异的水下耐久性与长期稳定性。研究通过定制光学滤光系统模拟水下光谱,并成功将大面积电池模块集成于水下机器人,在涠洲岛海域完成真实环境验证。该成果为远海传感器、监测设备及通信系统提供了可行的绿色能源解决方案,并为后续探索不同水深极限及建立水下光伏标准化测试体系奠定基础。(199字)

美国商务部最终对来自印度、印度尼西亚和老挝的太阳能进口征收高额关税来源:路透社 发布时间:2026-09-14 08:52:30

美国商务部最终裁定,对来自印度、印度尼西亚和老挝的太阳能电池及组件征收高额反倾销与反补贴关税,认定这些国家生产商存在倾销行为并获得不公平政府补贴。具体税率方面,三国反倾销税率分别为123.04%、94.36%和65.43%;反补贴税率则分别为126.09%、73.2%–173.7%和82.03%–153.67%。该调查由美国太阳能制造与贸易联盟发起,成员包括First Solar、韩华Qcells等本土企业。联盟称此举旨在维护公平竞争环境。下一步,美国国际贸易委员会将于10月14日裁定进口是否对国内产业造成实质性损害;若认定成立,商务部预计11月发布最终征税命令。此案延续了自2012年针对中国太阳能产品启动的长期贸易争端,反映了美国为遏制产能转移、保护本土制造业所采取的持续性贸易措施。(199字)

包头市:布局钙钛矿、叠层等新一代太阳能电池技术来源:包头市人民政府 发布时间:2026-09-11 08:49:42

包头市于9月8日发布《“十五五”时期推动清洁能源产业高质量发展行动方案》,旨在加快构建清洁低碳、安全高效的新型能源体系,助力老工业基地绿色转型。方案提出到2030年实现新能源并网装机2400万千瓦、储能装机750万千瓦的发展目标,并围绕供给提升、储能扩容、风光制氢、传统能源清洁利用及生物质开发五大方向部署重点任务。在装备升级方面,强调做优晶硅光伏配套(如铝边框、多晶硅芯),同时前瞻性布局钙钛矿、叠层等新一代太阳能电池技术产业,推动技术迭代与本地化配套。此外,方案还系统规划了电网强化、氢能管网、充换电设施、创新平台建设及产业生态优化等支撑举措,突出以新质生产力引领清洁能源全产业链高质量发展。(199字)

西南地区首个工业级钙钛矿/晶硅叠层光伏实证项目落地云南来源:钙钛矿光链 发布时间:2026-09-09 09:24:56

西南地区首个工业级钙钛矿/晶硅叠层光伏实证项目在云南丽江落地,依托云南省重大科技专项“绿氢高效制备关键技术研究及应用”,由昆明理工大学、三峡集团云南公司与仁烁光能联合实施。项目突破两大核心技术瓶颈:一是研发出稳定性显著提升的钙钛矿/硅叠层太阳能电池,光电转化效率达33%,双85老化1100小时后性能保持率超90%;二是开发出高性能钴基非贵金属电解水催化剂,实现大电流下高效稳定制氢。配套建成1000Nm³/h“光伏直连制氢”示范工程,年产绿氢320吨,并投运高原适用的集装箱式氢燃料电池热电联产系统,形成覆盖“发电—制氢—储运—用能”的全链条零碳微循环模式。(199字)

一太阳能电池组件厂宣布暂缓建设来源:索比光伏网 发布时间:2026-09-03 08:51:52

瑞典光伏企业Midsummer宣布暂缓其位于弗伦的本土太阳能电池工厂建设项目,并放弃已获批的3230万欧元欧盟创新基金补贴。该项目原计划建设一座年产200兆瓦的CIGS铜铟镓硒薄膜电池组件厂,采用公司自主研发的DUO镀膜设备,产品主要面向欧洲市场。暂缓主因是融资受阻:除欧盟资金外,企业未能获得瑞典能源署“Industriklivet”项目预期的投资补助,申请遭驳回。在多重资金缺口压力下,公司被迫中止项目推进。该案例凸显当前欧洲本土光伏制造项目在补贴审批流程与多元化融资渠道方面仍面临显著不确定性,反映出政策落地与产业实践之间存在衔接挑战。(198字)

美国能源部投入1200万美元发展太空光伏技术来源:钙钛矿工厂 发布时间:2026-09-02 09:04:36

美国能源部于8月31日宣布启动一项总额最高1200万美元的空间光伏技术研发资助计划,旨在降低航天用太阳能电池及组件成本、提升美国本土制造能力,并推动原型在空间或近空间环境中完成第三方验证。该计划通过与中介机构TechWerx合作的“空间光伏研发合作伙伴中介协议(PIA)”实施,分两大方向:一是支持高校、国家实验室和企业研发下一代高性能、低成本、高耐用性太空级光伏电池;二是资助高容量制造工艺创新及经第三方验证的组件原型飞行测试。两类项目资助上限分别为150万和200万美元,执行期最长三年。此举呼应日益增长的天基能源需求,服务于国家安全与经济竞争力目标,并为实现持续、稳定的太空供电提供技术支撑。

停牌!一光伏上市企业筹划控制权变更来源:索比光伏网 发布时间:2026-09-01 08:44:18

宇邦新材(创业板上市光伏焊带企业)于8月28日公告,其控股股东苏州聚信源及实际控制人肖锋、林敏正筹划公司控制权变更事项,交易完成后可能导致控股股东和实控人发生变更。鉴于该事项存在重大不确定性,为保障信息披露公平、防范股价异常波动,公司向深交所申请自8月31日起停牌,预计不超过2个交易日,并将及时披露后续进展。作为光伏上游核心材料供应商,宇邦新材主营互连焊带与汇流焊带,产品广泛应用于地面电站及分布式光伏项目。当前光伏行业处于产能调整期,产业链资本运作趋于活跃。此次控制权变更若顺利实施,或推动公司战略与业务方向的调整,公司亦提示投资者关注相关风险。