无机钙钛矿电池性能调控方面取得新进展

来源:中国科学院发布时间:2019-05-20 12:33:24

近日,中国科学院大连化学物理研究所薄膜硅太阳能电池研究组研究员刘生忠团队在无机钙钛矿电池性能调控方面取得新进展,相关成果在Advanced Energy Material和Nano Energy上发表。

无机钙钛矿电池性能
无机钙钛矿电池性能

有机-无机金属卤化钙钛矿太阳电池因具有较高的光电转换效率而受到广泛关注,近年来发展迅速,成为光伏领域的研究热点,但由于钙钛矿晶体结构中有机阳离子与碘铅八面体之间作用力较弱,致使该材料在外界条件刺激下容易分解,制约其进一步发展。相比之下,全无机钙钛矿材料(CsPbX3, X=I, Br)因其优异的热稳定性成为钙钛矿电池领域的新兴研究热点,然而基于无机钙钛矿材料的光伏器件内部非辐射复合较为严重,因此其光电性能仍具有较大提升空间。为了提高无机钙钛矿电池光电转换效率,积极发展无机钙钛矿性能调控策略,该团队刘生忠和王开等人采用不同策略抑制器件内部电子复合。一般情况下,器件内非辐射复合可分为界面复合和钙钛矿薄膜内非辐射复合两部分。针对界面复合,该团队采用镧系金属溴化物修饰电子传输层/钙钛矿界面,从而在界面处形成梯度式能带结构,达到抑制界面电子复合的目的,同时界面修饰可通过强化功能层间相互作用来促进电子动力学过程。基于该策略,该团队将基于CsPbIBr2的钙钛矿电池性能提高到10.88%,处于此领域较高水平;针对钙钛矿薄膜内非辐射复合,该团队采用金属钡离子掺杂的策略来抑制这一过程,在研究中发现,虽然钡离子半径不满足Goldscht几何规律的要求,但其仍然可以改善钙钛矿材料光电性能,并提高器件稳定性。该研究表明钙钛矿材料对金属杂离子具有较高的容忍度。以上工作为无机钙钛矿性能调控提供了依据,在一定程度上推进了无机钙钛矿电池的发展。

该工作得到国家重点研究与发展计划、中央高校基础研究基金、国家自然科学基金、辽宁省博士启动基金、111项目、长江学者创新团队项目等的资助。

另外,中科院化学所绿色印刷院重点实验室也在钙钛矿电池领域取得进展。

近年来,基于铅的有机/无机杂化钙钛矿材料受到了极大的关注,成为太阳电池研究的热点方向,其最高光电转换效率已达到23%。然而,由于这类材料结晶性强,利用常规的溶液涂布方法和采用常用的钙钛矿前驱体,很难控制钙钛矿薄膜的成核和结晶,导致薄膜的覆盖度低和光伏器件性能重复性差,可能制约着其进一步的推广应用。

在国家自然科学基金委的支持下,中科院化学所绿色印刷院重点实验室科研人员在前期染料敏化太阳电池研究基础上,针对目前钙钛矿溶液涂布存在的问题,利用固-气反应方法,通过有机阳离子交换途径制备高质量的钙钛矿薄膜,光伏器件性能得到显著提高。

最近该研究团队通过固-气反应实现了一维HAPbI3(HA=N2H4+)到三维非铅类锡钙钛矿MASnI3(MA=CH3NH3+)的转变。由于这种一维钙钛矿前驱体具有良好的成膜性,固-气反应后的三维钙钛矿薄膜在二氧化钛基底上具有很好的覆盖度。更重要的是,在阳离子置换过程中,由内部置换产生的肼气体可以有效地原位还原薄膜内部可能存在的四价锡,显著降低薄膜中载流子浓度,从而改善光生载流子输运。利用这种锡钙钛矿薄膜作为光吸收层,采用典型的二氧化钛介孔结构的钙钛矿电池在一个标准太阳光下的光电转化效率达到7.13%。

延伸阅读——

钙钛矿简介

与传统的太阳能电池不同,钙钛矿太阳能电池采用有机金属卤化物作吸光材料,这也是钙钛矿太阳能电池的核心材料,代替了染料敏化太阳能电池中的染料分子和有机薄膜太阳能电池中的吸光层。目前在高效钙钛矿太阳能电池中,最常见的钙钛矿材料为碘化铅甲胺(CH3NH3PbI3),其带隙约为1.5 eV。因此,从广义上讲,钙钛矿太阳能电池使用了具有钙钛矿晶体结构的有机金属卤化物的一种太阳能电池技术。

钙钛矿太阳能电池优缺点简析

钙钛矿太阳能电池的原材料储量丰富,制备工艺简单,有利于商业化生产。其中,钙钛矿层具有低的结晶能,可以通过低温液相法或气相沉积法得到缺陷密度低的高质量纳米晶薄膜。此外,可以通过改变材料的组分来调节带隙宽度,从而满足不同的使用场景。因此,与现有的成熟晶硅太阳能电池技术相比极具优势,也为钙钛矿太阳能电池的商业化应用带来了乐观的前景。

当然,钙钛矿太阳能电池也有自身的缺点。这种有机金属卤化物钙钛矿晶体结构不稳定,对湿度、紫外光和温度等环境因素敏感。在室外环境中老化数日就显著分解,未封装的器件性能也随之衰减;目前转换效率较高的钙钛矿太阳能电池的尺寸均为实验室级别,随着电池尺寸的增加,其光电转换效率会随之下降;钙钛矿太阳能电池中一般都含有铅元素,对人体和环境都有极大的危害。

受限于该材料自身的缺点以及大面积器件光电转换效率较低等因素的制约,目前钙钛矿太阳能电池仍以实验开发完善为主,少有几个国内外的公司正在尝试钙钛矿太阳能电池的产业化生产及应用。

责任编辑:yangran
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
日本理光:2030年前建成百兆瓦级喷墨打印钙钛矿电池产线来源:TaiyangNews 发布时间:2026-11-05 09:09:16

日本理光公司宣布,计划于2030年前在宫城县建成百兆瓦级喷墨打印钙钛矿太阳能电池量产线,远期目标扩展至吉瓦级规模。其核心技术是利用自主开发的精密喷墨打印工艺,直接按图形沉积电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层及对电极等全部功能层,从而替代传统旋涂/模头涂布加激光刻蚀、以及真空沉积等工序。该方案依托理光在喷墨打印头、供墨系统和高速卷材印刷领域的技术积累,旨在提升材料利用率、简化制程、降低制造成本,并支持连续化大规模生产。该项目已获日本经济产业省GX供应链支援计划及绿色创新基金支持,由理光联合大和房屋工业与NTT Anode Energy共同推进,目标是到2030年实现超300MW年产能,并将发电成本降至14日元/kWh。

通威受邀出席2026钙钛矿与太空光伏技术、设备和材料论坛,分享全尺寸钙钛矿-晶硅叠层电池规模化制备与产业化进展来源:通威股份 发布时间:2026-10-30 09:18:45

通威张一峰博士在常州钙钛矿论坛披露叠层电池产业化突破:210半片电池效率达33.09%,组件功率807.9W;5MW全自动试验线贯通,材料成本降60%;独创气相+溶液两步法实现膜厚不均匀性<1%;2027年将建AI高通量实验平台,加速千兆瓦级量产落地。

TNO携手东洋制罐推进钙钛矿产业化,计划在荷兰建厂来源:TaiyangNews 发布时间:2026-10-29 08:55:45

荷兰研究机构TNO、其衍生公司Perovion Technologies与日本东洋制罐集团控股公司达成合作,共同推进柔性钙钛矿太阳能电池的产业化。三方签署意向声明,制定涵盖技术开发、材料研发、卷对卷(R2R)制造工艺及组件集成的联合路线图。Perovion将依托TNO的技术基础,主导商业化转化,并计划于2030年在荷兰建设首座钙钛矿光伏薄膜R2R量产工厂;东洋制罐则提供MiraNeo平台下的先进封装材料与组件集成能力;TNO持续负责技术研发与规模化支持。该技术以轻质、柔性、可弯曲为特点,适用于传统晶硅组件难以部署的场景,如轻型屋顶、建筑立面、车辆及历史建筑等。合作旨在突破钙钛矿电池在长期稳定性与环境耐久性方面的产业化瓶颈,加速其迈向大规模生产和全球市场应用。(198字)

理光将在日本宫城县建钙钛矿太阳能电池生产基地,2030年形成数百兆瓦年产能来源:索比光伏网 发布时间:2026-10-28 09:08:27

理光公司宣布将于日本宫城县的理光工业东北基地建设钙钛矿太阳能电池生产基地,该项目已入选日本GX(绿色转型)供应链发展支持项目。基地将采用理光自主研发的喷墨印刷技术制造钙钛矿太阳能电池,通过喷墨涂布方式完成各功能层沉积,避免传统工艺中的真空镀膜和激光刻蚀等复杂环节,从而简化生产流程、提高材料利用率并降低量产成本。根据规划,该基地目标在2030年前实现数百兆瓦的年产能,并在此基础上持续扩产,逐步迈向吉瓦级规模。此举标志着理光正式布局下一代光伏技术产业化,聚焦高效、低成本的钙钛矿电池本地化制造。

上智大学等开发出无铅钙钛矿太阳能电池新技术,同时提高耐久性与转换效率来源:日本经济新闻 发布时间:2026-10-27 10:52:11

上智大学等研究团队开发出一种新型无铅钙钛矿太阳能电池技术,以锡替代有毒的铅作为核心元素,旨在兼顾环境安全性与器件性能。针对锡易氧化导致结构退化、进而影响效率与稳定性的关键难题,团队设计了 Ruddlesden–Popper 型层状结构:由锡-碘无机导电层与有机分子层交替堆叠构成,并引入2-氨基苯并噻唑作为分子钝化添加剂。该结构既通过有机层阻隔水氧提升耐久性,又借助添加剂抑制锡氧化、降低界面电阻,使电池在100天后仍保持约85%的初始效率。尽管当前转换效率尚低于含铅同类器件,但该成果为安全、稳定、可实用化的钙钛矿光伏技术提供了新路径,后续工作将聚焦于效率提升与大面积制备。(199字)

晋能控股光伏制造有限公司与纤纳光电开展钙钛矿-晶硅叠层技术交流来源:晋能清洁能源科技股份公司 发布时间:2026-10-22 09:16:36

晋能控股光伏制造与纤纳光电就钙钛矿-晶硅叠层电池技术深度交流,聚焦大面积、高稳定关键技术攻关及研发线建设。双方将共建“研发-实证-转化”创新联合体,加速产业化落地,助力山西能源转型与光伏新质生产力发展。

松下控股将玻璃型钙钛矿太阳能电池量产提前一年,计划2029年4月投产来源:广角观察 发布时间:2026-10-21 14:16:04

松下控股宣布将玻璃型钙钛矿太阳能电池的全面量产时间提前一年,由原定的2030财年调整为2029年4月,并将在日本滋贺县长滨市的量产技术开发基地正式启动。此举旨在加速该新型光伏技术的商业化进程。在此之前,公司已于2026年9月启动先行量产,相关产品目前由大阪府守口市的研发基地生产,主要用于面向客户的试用与实证,以积累实际安装、运行及维护经验,为后续规模化量产夯实技术与应用基础。

正泰新能两项钙钛矿叠层光伏技术入选2026年第一批科技计划项目拟立项(备案)公示来源:钙钛矿光链 发布时间:2026-10-12 06:16:00

海宁市科技局于2026年9月30日至10月13日公示2026年第一批科技计划项目拟立项名单,其中正泰新能科技股份有限公司牵头申报的两项钙钛矿叠层光伏技术项目入选。一项为产学研合作项目,聚焦高效稳定的钙钛矿/TOPCon叠层太阳电池研发,由何晨旭负责;另一项为科技型企业备案制项目,致力于钙钛矿/晶硅四端叠层技术开发,由李晓伟负责。两个项目均执行期为2026年7月1日至2029年6月30日,实施地位于海宁市黄湾镇。此次立项反映了海宁市对下一代高转换效率光伏技术的重点支持,也凸显正泰新能在钙钛矿叠层电池前沿方向的技术布局与研发实力。(198字)

大面积钙钛矿太阳能电池光电转换效率创新高来源:科技日报 发布时间:2026-10-10 09:52:29

澳大利亚新南威尔士大学与UtmoLight公司合作,成功研制出面积达676平方厘米(30 cm × 30 cm)的大面积钙钛矿太阳能电池,实现23.5%的光电转换效率,刷新世界纪录。该成果证实钙钛矿技术在放大尺寸后仍能保持高效率,显著提升了其规模化制造与产业化应用前景。研究通过材料创新与工艺优化,取消了易引发不稳定的氧化镍层,简化制程并提升性能。团队下一步将试制2.8平方米的全尺寸商用组件,验证更大面积下的可行性。尽管钙钛矿在成本与光谱利用(如与硅基电池叠层)方面优势突出,但其在湿热环境下的稳定性、大面积均匀性控制及长期可靠性仍是产业化亟待突破的关键挑战。(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)