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钙钛矿电池:“搅局者”将至

光伏电池组件  来源:能源评论    2019/6/20 14:06:12  我要投稿  

北极星太阳能光伏网讯:在原本沉寂的太阳能发电投资领域,钙钛矿太阳能电池今年突然成为风险投资关注的焦点。

3月15日,中国第一大风机制造商金风科技宣布,以战略投资者身份领投英国钙钛矿太阳能发电公司牛津光伏有限公司(Oxford PVTM)D轮融资,投资金额2100万英镑。

4月26日,长江三峡集团旗下三峡资本联合中国三峡新能源与杭州纤纳光电科技有限公司(简称纤纳光电)宣布,三峡资本以战略投资者身份注资纤纳光电,投资金额5000万人民币。这家成立不足4年的公司,目前是全球钙钛矿太阳能组件光电转换效率的世界纪录的保持者。

所谓钙钛矿太阳能电池(perovskite solar cells),是利用钙钛矿的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池,属于第三代新概念太阳能电池之一,具有光电转换效率特别高、成本低的特点,目前实验室转换率水平最高接近30%,是目前已经发现的实验室光电转换效率最高的太阳能电池。

不过,从全球来看,虽然钙钛矿太阳能电池尚处实验室阶段,并未实现真正的量产,但随着技术进步,2020年量产的脚步已越来越近,钙钛矿太阳能电池有望成为光伏行业的“搅局者”。

十年磨一剑

太阳能电池是一种通过光电效应或者光化学反应直接把光能转化成电能的装置。从结构上来看,太阳能电池一般是由很多层材料堆积起来的,其中起到光吸收作用的层叫做吸收层。太阳能电池也按照吸收层的材料特性来命名,比如晶体硅太阳能电池的吸收层就是单晶硅或者多晶硅;薄膜太阳能电池的吸收层一般是厚度几个微米的薄膜材料;而钙钛矿太阳能电池的吸收层就是钙钛矿。

1883年,美国发明家Charles Fritts成功制造了人类第一块太阳能电池——硒上覆薄金的半导体/金属结太阳能电池, 其光电转换效率仅约1%。1954年,美国贝尔实验室Pearson、Fuller和Chapin等人研制出了第一块晶体硅太阳能电池,获得4.5%的转换效率, 开启了利用太阳能发电的新纪元。

在最近的半个多世纪里,太阳能技术发展大致经历了三个阶段:第一代太阳能电池主要指单晶硅和多晶硅太阳能电池,其在实验室的光电转换效率已经分别达到25%和20.4%;第二代太阳能电池主要包括非晶硅薄膜电池和多晶硅薄膜电池;第三代太阳能电池主要指具有高转换效率的一些新概念电池, 如钙钛矿电池、染料敏化电池、量子点电池以及有机太阳能电池等。

其中,钙钛矿太阳能电池的进展最受人关注。需要解释的是,钙钛矿(Perovskite)材料是以俄国矿物学家列维·佩罗夫斯基(Lev Perovski)的名字命名。最早被发现的钙钛矿材料是钙与钛的复合氧化物。后来,钙钛矿的概念有了很大的延展,它已经不特指钙钛复合氧化物,而用来泛指一系列具有ABX3化学式的化合物,在这里,A可以是甲氨基等有机分子基团,而B可以是铅原子(也可以是锡原子),X则一般含有卤素原子。

在太阳能电池领域,一般使用的是有机无机复合的钙钛矿。钙钛矿一般是作为太阳能电池的吸收层来使用,在接受太阳光的照射以后,钙钛矿吸收了光子以后会产生电子——空穴对。电子带负电,而空穴可以看成是带正电。当阳光照射到这些电子——空穴对上时就形成了光电流。

最早将钙钛矿应用到电池上的是日本横滨大学教授Akihiro Kojima。2009年,他首次将有钙钛矿结构的有机金属卤化物(CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3)制成吸光层用到染料敏化太阳能电池,得到3.8%的转换效率,后来由于液态电解质导致钙钛矿材料很快分解,从而使电池效率很快衰减。但是研究人员很快意识到钙钛矿既善于吸收阳光,还能运送电荷。

就这样,钙钛矿太阳能电池诞生了。

稳定性成瓶颈

经过十年的发展,钙钛矿太阳能电池的实验室光电转换效率已经高达27%,在太阳能电池行业遥遥领先。

换句话说,以钙钛矿为原料制造的太阳能电池可以将大约1/4的太阳光直接转化为电能。

从光电转化率提升速度来看,钙钛矿也具有明显优势。以目前市场份额最高的多晶硅太阳能电池为例。1985年,多晶硅太阳能电池的实验室转化率为15%左右,在2004年达到20.4%;而后其转化率虽略有提升,但微乎其微。

对比之下,2009年钙钛矿太阳能电池实验室转化率为3.8%,如今实验室小面积器件(面积大小在几平方毫米)转化率在22%~23%,效率提升速度惊人,目前仍在继续提升中。

从全球来看,英国牛津光伏公司的太阳能电池转换效率居于领先地位。其推出的钙钛矿叠层电池光电转换效率已经达到了28%的世界纪录,这也超过了26.7%的单晶硅电池效率纪录。同时,牛津光伏公司的钙钛矿叠层电池技术路线图显示,其光电转化效率将超过30%。

需要注意的是,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,但随着电池尺寸的增加,其光电转换效率会随之下降。

从成本来看,钙钛矿太阳能电池由于材料吸光能力强、对杂质不敏感和生产工艺能耗低,其综合成本大大降低。

研究表明,钙钛矿电池对光的吸收能力是传统太阳能电池材料的100倍,因此钙钛矿电池只需使用1/100的厚度,即可产生相同的能量输出,相应减少了所需材料数量,而且产生的电压更高,还能增加能量产出。

同时,钙钛矿材料对杂质不敏感,通常90%左右纯度的钙钛矿材料就可以用于制造效率达到20%以上的太阳能电池。晶硅材料则对杂质非常敏感,纯度必须达到99.9999%以上才能用于制造太阳能电池。

由于钙钛矿材料可以溶解在普通溶剂之中,钙钛矿组件可以通过溶液涂布工艺生产,整个生产工艺流程温度不超过150度。而晶硅材料的铸锭和提拉都需要在1500度以上高温,生产能耗差距可想而知。

这种不同材料体系的成本差异具体体现为:晶硅太阳能电池每平方米造价为500~700元,薄膜太阳能电池每平方米造价1300~1400元,钙钛矿太阳能电池每平米预计成本将低至100元。

尽管具备转化效率高、成本低的优点,但钙钛矿太阳能电池也面临稳定性差导致的寿命较短的问题,这也是其最致命的弱点。

由于钙钛矿太阳能电池对潮湿环境敏感,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,钙钛矿电池已经经过了1万小时的持续光照实验,按照全天平均日照时长4小时计算,钙钛矿电池理论寿命为6.8年,考虑到实际日照时间以及日常损耗,钙钛矿电池正常寿命应小于6.8年。相比于硅电池的理论寿命25年,还有很大差距。

可喜的是,2016年以来,随着新型多离子混合型钙钛矿材料的应用,以及缓冲层材料逐渐无机化,钙钛矿太阳能电池的工作寿命正在稳步提高,在实验室中已可实现连续1000小时工作衰减低于5%。


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