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钙钛矿太阳能电池的机遇与挑战

光伏电池组件  来源:北极星太阳能光伏网    2019/9/11 13:40:18  我要投稿  

北极星太阳能光伏网讯:“在新型太阳能电池中,钙钛矿太阳能电池是最有前景的。”9月10日下午,在智慧能源与绿色发展论坛上,上海科技大学教授宁志军分享了钙钛矿太阳能电池的机遇与挑战。

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上海科技大学教授 宁志军

专题链接:现场直播丨智慧能源与绿色发展论坛

以下为会议实录:

宁志军:非常荣幸与大家分享一下钙钛矿太阳能电池最近的进展以及我们实验室目前最新的研究。我的介绍分四个部分,第一是钙钛矿太阳能电池的现状,二是挑战,第三部分是我们最新研究进展,最后总结一下。

在5种新型太阳能电池中,钙钛矿太阳能电池是最有前景的。因为这个材料比较新,我还是给大家简单介绍材料的结构,主要是由阳离子、有机阳离子、无机3个组分组成。大家一般认为传统半导体材料要实现非常好的性质,就是高纯的晶体硅,而钙钛矿是目前唯一的溶液法就可以得到高质量的半导体。它具有非常好的半导体性质,比如载流子迁移率非常高、激子寿命长、缺陷浓度小、可见光区吸光度高,原料易得等。它的结构主要是两种,一个是正式结构,一个是反式结构,反式结构可以全部用无机的来做。

值得重视的是,钙钛矿电池还可以跟晶体硅电池做一个叠层电池,可以吸收800纳米以上的光。目前发表出来的文章电池效率达25.2%,目前认证的最高效率是英国一家公司的28%。此外,大家很担心钙钛矿大面积制备的问题,现在这个问题也慢慢得到解决,日本东芝公司已具备了大面积制备的工艺。

下面分析一下钙钛矿太阳能电池的成本。钙钛矿电池的成本,基于这样一个结构,它是用导电玻璃在上面,再是金属电机的结构,计算下来总的成本,如果电池能达到20%的效率,它的成本大概控制到0.2美元以下,就是1块钱每瓦这样的水平。这里面主要成本来自导电玻璃这一块,本身材料很便宜,只占到14%左右的成本,钙钛矿不像晶体硅,非常薄,成本非常低。如果说导电玻璃大规模生产,钙钛矿电池成本可能继续进一步降低。进一步计算每度电的成本,如果效率20%的话,按目前成本计算,它的成本就在小于2毛钱每度电的水平上面。如果说后面效率进一步提高,它的成本可能会进一步降低。目前产业链这块,钙钛矿电池主要分为三个部分,包括原材料,包括碘化纤(音),还有ITO玻璃;组件制备,下游厂商进行电池发电贴膜、便携式电子设备。国外企业钙钛矿太阳能电池已经进入中级的阶段,国内领先的公司,如杭州纤纳光电,三个博士合伙人,在三年时间内把钙钛矿大规模组件从开始百分之六七左右很低的效率提高到17%这样的水平。还有江苏协鑫公司,他们计划1MW产线投产。国际企业包括日本东芝公司、松下公司等。松下今年发布新闻,他们组件已经通过标准稳定性的测试,在双85的条件下器件能够放置1000个小时,这个非常重要,1平方厘米效率突破20%,此外钙钛矿叠层,他们能做28%小规模组件的效率。根据他们的预测,钙钛矿市场规模1000亿元左右,在未来几年可能有突破式增长。

第二部分介绍钙钛矿电池的问题和挑战。一是稳定性问题。钙钛矿电池虽然能够通过工业化测试,但是这个测试实际上是双85条件不加光情况下测试的,实际运行之后对钙钛矿有非常严重的影响。俄罗斯一个实验室做了实验,用紫外光去照,照一段时间之后这个材料都会分解掉,这个材料本身的稳定性还是不够,容易分解。目前来说,大家用外部解决的方法,外部做一些封装,把它封起来,让离子不要跑出去,可以维持它的效率,使它保持比较高的效率。但是这里面离子移动还是一直移动,如果做稳定性跟踪的话,停一段时间会有抖动,它本真的稳定性还是一个问题,没有得到解决。另外一个,现在还没有长期跟踪,它的真实条件下跟踪还是缺少。因为对于电子器件来说,大家对环境的要求越来越高,很容易进到土壤里面去,进入到餐桌上面,这个问题还是有待解决的问题,在什么地方生产这个电池,环保审查非常严,很多公司找不到生产这样组件的地方。

此外,钙钛矿电池效率进一步提升能不能达到晶体硅的水平,这目前也是一个挑战。如果说要想超过晶体硅要往小的方向去,去找新型钙钛矿材料是目前一个方向。

下面简单介绍课题组的研究,主要是提高材料本身的稳定性,还有分子调控杂化材料结构与表界面结构,缺陷调控和载流子迁移率提高,同时稳定性提高。

首先一个工作,计算这几种例子,只有这个离子能和铅和碘结合,但它并不是很稳定的结构,它的离子在里面是没有完全填充满,会造成它的震动和不稳定性。筛选两种离子结合在一起,可以得到比较稳定的利益方面的结构,在里面填充非常满的钙钛矿结构。基于稳定这样的基底,目前基于氧化镍,在连续测试下面,大部分保持80%以上的效率。

第二个工作,通过新型稳定,它是一个弱键作用力,作用力不强,容易发生结构的移动,就会造成结构的分解,用离子键最后形成更加高的形成能,这个钙钛矿会更加稳定性。我们做了光电器件,去跟踪效率和光谱的变化,100小时之后,这个效率衰减还是非常少的。另外,我们用一个光谱的方法去跟踪,在100小时里面基本上没有变化,下面用新的RP相有明确的变化,这样的结构有效提高材料实际运行条件下的稳定性。

另外一个问题,刚才说的铅的毒性问题,首先用低维结构,把三维结构做成二维结构之后,看的分解释放能量大幅降低,分解成氧化锡,分解之后钙钛矿结构就变掉,我们看到它比三维结构更高一些,我们用低维结构制造钙钛矿薄膜,在接触氧气和水汽之后,在一段时间之内它的吸光度没有发生明显变化。

在这个结构基础之上,把三维结构做成二维、三维相结合的梯度结构,避免氧和水和三维结构氧化,我们可以达到9%的水平。通过基底继续去调节钙钛矿的生产,得到大的精力,通过这个方法提高效率,可以达到12.4%这样的效率。

最后总结一下,在最近这几年里面,非铅钙钛矿得到非常大的提升,非铅钙钛矿国内研究还是处于比较领先的水平。还有一点,锡跟铅结合形成窄带系的,理论效率来说叠层可以达到35%以上,实现比较稳定的输出。

钙钛矿太阳能电池表现出很好的发展态势,器件效率大幅提高,制备工艺慢慢成熟,器件封装之后稳定性有大幅度提升,目前还是有一些挑战,在稳定性这一块封装能不能阻止离子逃出来,很复杂之后成本会非常高,所以长期稳定性还是有待验证。另外高效率和高稳定性是不是能够同时满足,现在还没有得到解决,现在比较高效率是稳定性比较差。现在锡钙钛矿是非常好的态势,但是研究需要大量投入。最后是商业模式问题,这个可能需要正泰公司以后在这方面做很多事情。最后谢谢课题组和基金会的支持,感谢各位聆听!

(发言为北极星太阳能光伏网根据速记整理,未经本人审核)

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