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什么是钙钛矿?

发表于:2020-09-08 17:30:48     作者:testpv

来源:光伏测试网

钙钛矿是一种具有与矿物钙钛氧化物(最早发现的钙钛矿晶体)相同的晶体结构的材料。通常,钙钛矿化合物具有化学式ABX 3,其中“ A”和“ B”代表阳离子,X是与两者键合的阴离子,大量不同的元素可以结合在一起形成钙钛矿结构。

利用这种成分的灵活性,科学家可以设计钙钛矿晶体,使其具有多种物理,光学和电学特性。钙钛矿晶体如今在超声波机器,存储芯片以及现在的太阳能电池中都可以找到。

钙钛矿的清洁能源应用

所有光伏太阳能电池都依靠半导体(位于玻璃等电绝缘体和诸如铜之类的金属导体之间的中间地层中的材料)将光能转化为电能。来自太阳的光激发半导体材料中的电子,电子流入导电电极并产生电流。

自19世纪50年代以来,硅一直是太阳能电池中使用的主要半导体材料,因为硅的半导体特性与太阳光线的光谱非常吻合,并且相对丰富且稳定。但是,常规太阳能电池板中使用的硅晶体需要昂贵的多步骤制造过程,耗费大量能量。在寻找替代物时,科学家利用钙钛矿的可调性来制造具有与硅相似性质的半导体。

钙钛矿型太阳能电池可以使用简单的添加剂沉积技术(例如印刷)来制造,而成本和能耗却很低。由于钙钛矿的成分灵活性,它们也可以进行分子结构调整以理想地匹配太阳光谱。

2012年,研究人员首先发现了如何使用卤化钙钛矿作为光吸收层来制作稳定的薄膜钙钛矿太阳能电池,其光子至电子的光转换效率超过10%。从那时起,钙钛矿型太阳能电池的太阳光-电能转换效率猛增,实验室记录为25.2%。研究人员还将钙钛矿光伏电池与常规晶硅电池结合在一起,这些“硅-钙钛矿”串联电池的记录效率目前为29.1%(超过常规硅电池的27%的记录),并且还在迅速上升。随着电池效率的迅速提高,钙钛矿光伏电池和钙钛矿叠层串联太阳能电池可能很快成为传统晶硅光伏电池的廉价,高效替代品。

钙钛矿电池的最大挑战

尽管钙钛矿电池(包括晶硅钙钛矿叠层电池)已被全球数十家公司商业化,但仍存在一些基础科学和设计、制造领域的挑战需要解决,改善其性能、可靠性和可制造性。

一方面是效率的继续提升:钙钛矿研究人员通过表征钙钛矿中的缺陷,继续提高转化效率。尽管钙钛矿半导体具有很高的容错能力,但缺陷仍对性能产生负面影响,尤其是那些出现在有源层表面的缺陷。

美国科学家用钙钛矿涂层修饰硅太阳能电池,以更有效地收集高能蓝光光子,从而绕开了常规硅电池33%转换的理论极限。科学家开发出的钙钛矿量子点(比人的头发小数千倍的微小粒子),它们可以吸收高能光子,并发射出两倍于低能光子,这一过程被称为“量子切割”。太阳能电池吸收的每个光子都会产生一个电子,因此钙钛矿量子点涂层可以显着提高转换效率。

从2009到2019短短10年内,钙钛矿电池的光电转换效率已从最初的3.8%提高到了25.2%。

另一方面是稳定性和寿命:稳定性、耐久性是当下钙钛矿电池商业化的最大障碍,全球几乎所有的研究人员都正在探索新的钙钛矿化学配方,以针对特定应用(如叠层串联电池)调整其电子跃迁性能,或进一步提高其稳定性和寿命。

除了通过改善钙钛矿结构的稳定性来提高寿命,研究人员还在研究新的电池设计和新的封装策略以保护钙钛矿免受环境因素影响。如钙钛矿电池对水汽尤为敏感,水汽是影响电池寿命的重要因素,科学家一直在寻找最合适的封装材料来杜绝水汽的进入

研究人员还努力了解钙钛矿电池的衰减机理,从而寻找加速老化方法来研究预测钙钛矿太阳能电池的寿命。

不久前,纤纳光电宣布其20cm2的钙钛矿小组件通过3倍IEC61215测试。在湿热实验测试中,组件老化时间由之前的1000小时提升至3000小时(高于IEC湿热测试Damp heat test3倍时长),组件转化效率无衰减。与此同时,紫外预处理实验使用了100kWh的剂量(等同于IEC检测标准的6.5倍以上),组件效率衰减小于2%。而这些都是晶硅电池可用25年的理论依据。

第三方面,如何大规模工业化生产钙钛矿电池。一些公司正在迅速探索各种制造工艺,包括如何使钙钛矿“油墨”适应已建立的大规模溶液印刷方法。使用一种卷对卷打印机,可以在低温下将钙钛矿墨水打印到柔性基材上。

第四方面是大面积的挑战。近两年来钙钛矿电池得到了行业巨大的关注,最大的吸睛点来自钙钛矿电池效率的不断突破,目前已接近晶硅电池,超越晶硅电池的效率已经指日可待。然而,钙钛矿效率的提升并没有带来商业化的投资,最大的问题就是钙钛矿电池的面积:屡破记录的效率只能在几平方厘米的电池面积上实现。

2020年美国能源部太阳能技术办公室(DOE-SETO)2000万美元推进钙钛矿,其中支持的意向沉积技术,就是生产用于大面积太阳能电池和增强常规硅太阳能电池的钙钛矿材料薄膜。

最后,钙钛矿电池的环保问题。含铅一直是部分环保人士针对钙钛矿电池的最大诟病,如今性能最佳的钙钛矿一般都是用少量的铅制成的,尽管研究人员也在探索替代成分和新的封装策略,以减轻与铅毒性有关的担忧。

对于钙钛矿含铅or NOT对光伏电池的收益和风险,行业专家由不同的理解和看法。相对于晶硅电池中的含铅焊带,钙钛矿电池中的铅几乎可以忽略不计,协鑫纳米的钙钛矿专家范斌就一直在用实证来说明钙钛矿电池中铅的稳定性。

钙钛矿电池的商业化

钙钛矿电池尽管一直没有得到规模化的应用,但其商业化的道路却备受关注。牛津光伏与梅耶博格的顶级合作,协鑫纳米100MW产线的落地,最新的分析认为钙钛矿光伏产品将于2021年开售。

而今年7月31日,杭州纤纳光电宣布,衢州纤纳新能源科技有限公司5GW生产基地落成典礼暨钙钛矿生产线投产仪式举行。

在转化效率上,NREL新纪录:钙钛矿叠层效率24.16%。

钙钛矿的研究成果正在从实验室快速步入规模化生产,商业化进程不断加快,投资者的关注也愈发强烈。从科技猜想到实验室、再到产线的过程无论是时间、还是空间都在缩短,成为光伏领域产、学、研最为浓缩,融入最为紧密的前沿领域。

作为最有想象力和生命力的下一代新型太阳能电池技术,第二届全球钙钛矿与叠层电池产业化论坛即将于2020年10月召开,一场由科学家、研究院、生产商、投资商、设备商、实验室、地方产业园区、金融研究等全行业参与的盛会即将开幕。

责任编辑:小牛

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