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光伏成本下降福星:钙钛矿太阳能电池正冉冉升起

发布日期:2014-10-20

OFweek太阳能光伏网讯:在薄膜太阳能电池日渐兴起的今天,CIGS薄膜太阳能电池几乎占据了大半个版面。但是作为太阳能电池家族中的一员,钙钛矿太阳能电池却慢慢崭露头角。虽然太阳能电池仍旧处于“群狼环伺”的环境之下,晶硅与薄膜的论战屡有发生。钙钛矿太阳能电池却仍旧在“前有狼后有虎”的晶硅与CIGS薄膜之中保有一席之地,并且在晶硅电池等成本偏高的时期,其一度被视为“光伏成本大幅下降的福星”,不可否认其技术发展态势的无可限量。

钙钛矿材料分子与新型太阳能电池效率攀升

钙钛矿自2009年以来开始被用于太阳能电池研究,并被世界各地的多个实验室和企业反复验证。历时五年多的研究里,钙钛矿的电池效率屡次翻番,并逐渐引起了业界的注意。钙钛矿太阳能电池不仅拥有第一代太阳能电池高转化效率的特点,还有第三代太阳能电池薄膜、柔性化的特点,可用于溶液法卷对卷生产。因此,钙钛矿太阳能电池被认作是最有前景的“冉冉新星”。

钙钛矿太阳能电池的发展

钙钛矿电池(PVSK)是一种有机-无机复合型的,以MAPbX3 为吸光材料,配合电子和空穴传输材料的新型太阳能电池。其封装前的厚度仅有数微米,远薄于非晶硅、CIGS等传统薄膜太阳能电池,成本也仅是其它太阳能电池组件的三分之一,因此业内将钙钛矿太阳能电池命名为--超薄膜太阳能电池。

在早期材料应用阶段,钙钛矿太阳能电池效率非常低,仅为3.5%。彼时的自从2009年日本科学家Tsutomu Miyasaka将钙钛矿材料用于染料敏化太阳能电池作为吸光材料取得3.8%光电转换效率以来,钙钛矿材料太阳电池效率已经跃升到2013年底的15%和目前的19.3%,并且还在迅速攀升中,有望年内突破20%大关。仅仅用了5年时间,钙钛矿材料太阳电池就超越了许多太阳能电池技术数十年所积累的效率增长,这是从无先例和引人注目的。

2013年8月在MIT报告中,有研究员称钙钛矿太阳能电池的效率可达到20%到25%。但随着钙钛矿太阳能电池研究的渐次深入,同年11月11日(北京时间)美国报道,科学家们在最新研究中发现,以一种新式钙钛矿(catio3)为原料的太阳能电池的转化效率或可高达50%,为目前市场上太阳能电池转化效率的2倍,能大幅降低太阳能电池的使用成本。相关研究发表在时年的《自然》杂志上。虽然直到现在该研究并未被各大实验室或企业机构研究证明出来,但是正在一步步向上攀升甚至翻倍的光电转换效率也正是逐渐靠近其上的研究说法。

钙钛矿薄膜太阳能电池具有十分广阔的发展前景。目前,钙钛矿太阳能电池正在深入研究当中,在现有技术基础上, 进一步降低成本、提高效率和稳定性、推进其工业与商业化,是其必然的发展趋势。

世界各地实验室的研究

  日本桐荫横浜大学

  光电转换效率:3.8%

日本桐荫横浜大学教授、研究生院工学研究院主任宫坂力(TsutomuMiyasaka)通过将薄薄的一层钙钛矿(CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3)当做吸光层应用于染料敏化太阳能电池,制造出了钙钛矿太阳能电池。当时的光电转换率为3.8%。后来研究者对电池进行了改进,转换效率一下翻了一倍。虽然转换效率提高了,但之后还要面对一个致命问题,即钙钛矿中的金属卤化物容易在电池的液体电解质发生水解,导致电池稳定性低,寿命短。

牛津大学

  光电转换效率:15%

2013年,牛津大学的亨利˙司奈斯(HenrySnaith)将电池中的TiO2用铝材(Al2O3)代替,钙钛矿不仅成为了光的吸收层,也同时是传输电荷的半导体材料。钙钛矿电池的转换效率一下攀升到15%。

华中科技大学

  光电转换效率:12.84%

7月18日出版的《科学》(Science)杂志刊发了华中科技大学韩宏伟课题组完成的有关全印刷介观钙钛矿太阳能电池研究的新成果。

华中科大全印刷介观钙钛矿太阳能电池研究获突破

借鉴钙钛矿太阳能电池的发展,韩宏伟课题组通过引入两性分子开发出混合阳离子型钙钛矿材料(5-AVA)x(MA)(1-x)PbI3(碘铅甲胺-5-氨基戊酸),并将其应用于无空穴传输材料可印刷介观太阳能电池中。其特点是在单一导电衬底上通过逐层印刷方式涂覆二氧化钛纳米晶膜、氧化锆绝缘层、碳对电极层,之后填充钙钛矿材料。这一关键技术实现了介观太阳能电池低成本和连续生产工艺的完美结合。结果显示这种新材料的应用不仅获得了12.84%的光电转换效率,且器件显示出良好的重复性及稳定性。该光电转换效率获得美国Newport公司独立光伏实验室权威公证,为目前国际上无空穴传输材料型钙钛矿太阳能电池最高效率。

北京大学

  光电转换效率:19.3%

根据北京大学9月消息,钙钛矿型有机—无机杂化材料纪录被刷新到19.3%(Science杂志报道),此前经权威机构验证的光电转换效率是17.9%。近期还有希望达到晶体硅电池的25%的水平。

研究发现,钙钛矿型光伏材料的结晶形貌对其光电性能的影响至关重要,北京大学肖立新教授、龚旗煌院士与西安交通大学吴朝新教授、侯洵院士合作,通过分步溶液成膜方法对掺氯钙钛矿材料进行优化,相对于一步溶液成膜方法,微观形貌容易控制,器件效率得到极大提高,并进一步研究钙钛矿薄膜材料的成膜条件,实现对钙钛矿薄膜形貌的调控,成功制备介观结构的钙钛矿太阳能电池,同时提高太阳能电池的吸光能力及电荷传输能力该创新研究群体还针对钙钛矿电池急需解决的稳定性问题,开发了一种新型疏水性空穴传输材料使器件的稳定性得到极大改善。

研究人员针对钙钛矿太阳能电池中的界面工程问题,利用碱金属盐修饰透明导电电极表面,优化了透明电极与钙钛矿活性层材料之间的能级匹配,实现了不依赖于氧化物致密层的钙钛矿型太阳能结构,该器件的光电转换效率可达到15.1%。结果表明,通过界面修饰工程可以替代常规的致密氧化物薄膜,实现电子的有效收集,这将有助于简化器件的制备工艺,同时也使钙钛矿太阳能电池仍保持良好的器件性能。

中国企业与机构的突破

  厦门惟华光能

  光电转换效率:19.6%

2014年7月,有消息称厦门惟华光能有限公司研制出的钙钛矿太阳能电池光电转换效率已达19.6%,这超越了欧美、日本、韩国等研究所公开发表的同类型电池的转化效率,成为全球第一。这也是专业企业机构最新的产品研究记录,当业界的目光都转向实验室研究的稳定与可行性时,厦门惟华光能却已经默默地将钙钛矿太阳能电池产品摆在了聚光灯之下。产品被证明研究成功,但是如何产品的应用与生产将会是其下一步需要攻克的难题。

青岛储能研究院

  光电转换率:11.3%

2014年5月,中国科学院青岛生物能源与过程研究所先进储能技术中心(青岛储能产业技术研究院)逄淑平博士领导的研究小组成功开发出新型钛矿型太阳能材料(NH2CH=NH2PbI3)。该材料因其具有良好的热稳定性和光电转换性能,在低成本柔性太阳能储能领域(如光伏大棚等)有着广阔的应用前景。

据了解,该研究小组正在对钙钛矿材料和器件进行进一步优化,通过减小晶体内晶格、位错缺陷浓度,提高载流子的扩散距离;通过晶界钝化手段,降低晶界的缺陷能级对载流子的捕获作用,从而实现光电转换效率的进一步提升。在平面电池结构中,该材料11.3%的光电转换效率已达到该器件结构的世界领先水平。

研究小组还在非铅的环境友好型钙钛矿光电转换材料设计与制备及其器件应用取得新进展。在此基础上采用原子层沉积(ALD)技术和卷对卷(ROLL TO ROLL)技术探索制备出低成本、大面积、柔性、高效太阳能电池,将极大地满足青岛乃至山东地区对低成本柔性光伏大棚等的需求。

不过此前有传闻表示,属性好用的钙钛矿仍旧面临着一些待攻破细节问题,比如其所产生的电流较低,近年来世界各地的大学研究实验室和企业仍旧不断进行着此项工艺的测试和革新。斯坦福大学的材料科学和工程学教授迈克尔·迈克吉此前表示:“钙钛矿太阳能电池在面市之前,还需要解决多个问题,其中之一就是,钙钛矿的储量并不充足。”因此,虽然钙钛矿太阳能电池的前景被十分看好,在实际运用上还有很长的一段路需要探索。究竟钙钛矿太阳能电池的光电转换效率能否达到业内所期望的50%?能否如同晶硅太阳能电池一般广泛使用?且拭目以待。

文章来源:OFweek 太阳能光伏网

 

 

 

 

 

 

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