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钙钛矿太阳能电池的前世今生

时间:2020-02-11 16:46      来源:未知   浏览量:

钙钛矿太阳能电池的前世今生

钙钛矿太阳能电池的前世今生和产业未来

十年以前,倘若说在一切事物上铺设使用太阳能电池,为世界提供无穷无尽的廉价能源,看起来是毫无根据的,缺少的是一种高效率、低成本和可高度生产的材料。

这种材料就是钙钛矿。

对于钙钛矿太阳能电池(PSC),业界存在着许多误解,来自各种各样的外行报道更是加剧了人们的困惑。像所有新技术的产生一样,在钙钛矿产业发展过程中,对其不看好声音比比皆是。

本文为你还原一个客观真实的钙钛矿。

钙钛矿的由来

钙钛矿由170年前在俄罗斯乌拉尔山脉首次发现的结晶立方体和类金刚石结构中的一类矿物组成,它以俄罗斯矿物学家列夫·佩罗夫斯基的名字命名,大量存在于地球地幔中,少量也存在于近地表矿床中。除此之外,钙钛矿也可以由用于太阳能电池和其他用途的化学品合成,其中包括发光二极管、催化剂电极、燃料电池、集成电路芯片、激光和传感器等等。

钙钛矿可以作为一种光伏电池材料最初是在实验室测试时发现的。2000年代中期,当时虽然将它用作太阳能电池的研究并不成功,但钙钛矿化合物相当强的光反应能力就此挖掘。近10年来,采用大约30cmx 30cm的面积,学术界、国家实验室和光伏企业在实验室环境中的钙钛矿效率从2%提高到29%,。对比回顾其他太阳能电池技术发展史,不得不说这是一个惊人的进步,要知道,其他电池技术普遍花费了40多年时间才达到实验室规模的效率。

钙钛矿电池优势

钙钛矿在太阳能电池组件领域具有许多优点:

它有很宽的带隙,这意味着更大的光电转换率;

目前的实验室效率反映了其与硅晶体和其他薄膜产品的效率差距,串联钙钛矿电池有一个可行的路线图,效率可达33%以上;

钙钛矿的生产主要通过溶液处理,过程高度简化,不需要高成本的机械和设备;

它是作为薄膜产品制造的,因此材料使用减少了20倍;

它不需要稀土或供应有限的材料;

钙钛矿具有很高的缺陷耐受性,在大于300 W的组件中工作时,可产生较高的制造成品率和易加工性(目前的薄膜需要特殊的工程、成本和风险来增加制造沉积面积);

基于钙钛矿的组件可以被塑造成传统的矩形光伏组件,也可以是柔性的,开辟了新的应用和市场;

钙钛矿型太阳能组件的制造取决于所采用的制造方法,受环境影响很小;

投资回报是以几个月和几年来衡量的。

为钙钛矿正名

而有关钙钛矿太阳能电池,最常见的误解是稳定性和毒性:

稳定性

光诱导的组件降解和环境稳定性是被反对声音不断引用的方面。早期,钙钛矿电池的稳定性是一个很大的问题。但是正如组件效率有了飞速提升一样,稳定性也早已有了快速的进步。

光引起的降解现在已经被很好的理解了:主要障碍是钙钛矿电池两侧电子转移层材料的选择。多个实验室已经成功替代了新材料并解决了该问题。

在风化方面,就像其他薄膜和晶硅太阳能电池一样,暴露在潮湿空气和其他常见的环境物质中会导致钙钛矿组件的快速降解。采用标准的组件包装方案,环境的影响得到了很大程度的解决。这不得不提到早期的铜铟镓硒化镓(CIGS)组件的发展,在当时,人们普遍提到的是对水分的不耐受性。但是现在基于CIGS的组件已经被广泛使用,没有重大的环境稳定性问题。

钙钛矿光伏电池的光诱导降解参数已经通过了超过1,000小时的生命周期测试(新技术的光伏产业标准),其中有些甚至高达10,000小时。

与机械耐久性、外加电压加热以及电流-电压行为有关的其他稳定性问题在测试过程中也同样被解决。

在光诱导和环境稳定性方面,TNO、imec和Eindhoven大学最近的一篇论文展示了采用标准制造方法封装的钙钛矿太阳能组件,成功地完成了标准光伏产业稳定性测试,包括光浸、湿热和热循环。

钙钛矿组件结构是一种最常见的甲基铵铅卤化物,然而钙钛矿电池铅的用量很小,一块钙钛矿电池组件仅含2g铅,相比之下,平均一块晶硅板含铅量达16g。(☞☞稳定性?毒性?协鑫告诉你钙钛矿到底行不行)

由于铅是一种有毒的金属物质,所以它需要在从制造到寿命结束的各个应用场合严格控制,特别是当铅以水溶性的形式使用时,比如钙钛矿太阳能电池。铅回收是世界上最大和最完整的材料产业,钙钛矿电池行业在一定程度上来说将只使用总量的0.0007g。

钙钛矿的下一个十年

未来10年钙钛矿电池发展面临的重大挑战是什么?除致力于达到理论效率极限外,需要将小面积钙钛矿电池积累的技术经验转移到大面积组件和叠层结构器件的商业化生产中,也需要保证钙钛矿电池的长期稳定性。除此,未来可能会发展可回收的钙钛矿电池材料。因此,预测将在以下方面进行研究:

实现转换效率的理论极限值。根据相关参数分析,开路电压(VOC)和填充因子(FF)实验数据与理论值之间存在一定程度的差距。据报道,VOC和FF与非辐射复合有关,包括Shockley-Read-Hall复合和界面复合。因此,需要对界面和晶界进行研究,以便更好地理解复合的起源。人们提出了不同的界面工程技术,但观察到的数据仍显示与理论上值VOC(1.33V)和FF(0.91)存在差异。目前需要寻求一个通用有效的方法在单结钙钛矿电池上获得超过30%的转换效率。

大面积涂层溶液的研究。大面积涂层旋涂过程中的向心力允许在涂层溶液中使用高沸点极性非质子溶剂形成钙钛矿薄膜。然而,用于旋涂方法的极性非质子溶剂溶液仅适用于超过10×10 cm的大面积涂层,这意味着需要为没有向心力的大面积涂层开发新的涂层溶液。

回收技术。为避免铅浪费,回收技术是十分重要的。可以对废弃的钙钛矿太阳能组件进行化学处理以溶解钙钛矿,需要开发有效的收集铅的方法,特别是收集铅I2、导电衬底和金属电极,实现完全可循环利用。

基于钙钛矿的串联技术。叠层结构被认为是钙钛矿电池进入光伏市场的有效途径之一。钙钛矿电池可以用作顶部单元,较窄的带隙Si或CIGS放置在底部。需要对最佳带隙进行设计,以达到效率的最大化;此外,还应进行光电管理方面的研究,以改善最终叠层结构中的光伏参数;就叠层电池结构而言,钙钛矿顶部电池的正向或反向结构取决于半导体Si的类型。例如,使用p型Si底部电池和在Si底部电池顶部的倒置钙钛矿结构报告了超过25%的转换效率;除了双结之外,三结也可能得到更高的转换效率。模拟结果预测,底部具有1.1 eV 硅,中部具有1.44 eV钙钛矿,顶部具有1.95 eV钙钛矿的三结单元可产生约39%的效率。

钙钛矿电池产业现状

进入2020这个转折点,单结钙钛矿-硅叠层太阳能电池便以29.15%的最新效率再次刷新效世界记录,打破了此前牛津光伏公布了钙钛矿-硅叠层电池28.0%转化效率(☞☞28%,接连打破记录的钙钛矿电池横空出世!),牛津光伏作为最早一批布局钙钛矿的光伏企业其28.0%转化效率通过了美国国家可再生能源实验室 (NREL) 认证。

与此同时,国内光伏企业对钙钛矿的布局也在加快钙钛矿电池的量产化进程。

杭州纤纳光电首条20MW钙钛矿量产产线生产的钙钛矿组件(200cm-800cm)效率达到11.98%,打破了日本东芝公司保持的前世界纪录。

2019年2月,协鑫集团旗下苏州协鑫纳米科技有限公司率先建成10兆瓦级大面积钙钛矿组件中试生产线,完成了相关材料合成及制造工艺的开发。领跑者创新论坛《☞☞2019首届钙钛矿产业化大会》上,协鑫宣布并已开始100兆瓦量产生产线的建设工作,计划于今年实现钙钛矿光伏组件的商业化生产。在1241.16平方厘米的有效面积上,☞☞协鑫纳米实用化钙钛矿组件效率达到了15.31%。

为了满足联合国减排计划所需的全球能源总量的20%,光伏产业将需要在未来30年内每年安装300至500 GW的线性增长,这使供应链面临的巨大挑战。晶硅组件工业的大型资本密集问题将太阳能供应限制在全球能源总量的5%。人们普遍误解,晶硅组件的低利润率主要是由于它们是高度商品化的产品,资本密集正在阻止巨大而持久的利润率,加剧了供应链规模扩大的融资挑战。

太阳能的成本仍然很高,从许多研究来看,太阳能的安装成本需要低于2.1元/W才能解决这一问题,即使与低成本的储能相结合也是如此,而钙钛矿太阳能以其独特的简化制造属性、原材料、性能和小的环境影响,使其具有高度的可扩展性。根据不同的商业模式,钙钛矿组件可以在比其他太阳能工厂便宜50%的设施中制造,而且使用的材料也较少。支持钙钛矿电池制造的供应链也很小,工厂更靠近终端市场。下一个阶段,钙钛矿电池能够以多快的速度通过某一特定生产方法从而实现大批量生产应用?让我们拭目以待。

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