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“即将进入黄金时期”——钙钛矿太阳能电池

日期:2019-07-31    来源:光伏产业网

国际太阳能光伏网

2019
07/31
14:37

关键词: 光伏 太阳能 太阳能电池

   在德国哈弗尔河畔勃兰登堡郊区的一家工厂,身着洁净工作服的技术工人正在将闪亮的薄方块装进平板组件中,这将是未来市场上最好的太阳能电池板。
  这家试点工厂属于英国牛津大学校办公司牛津光伏(Oxford PV)。自2012年起,该公司便致力于钙钛矿晶体太阳能电池的商业化。10年前,日本桐荫横滨大学的宫坂力(Tsutomu Miyasaka)研究小组宣布首批钙钛矿太阳能电池问世。但是这些早期的实验室原型非常不稳定,效能仅有3.8%。
  后来,研究人员和制造商在效能方面取得了巨大进步,并解决了设备的稳定性和可扩展性问题。例如,2018年6月,牛津光伏公布了其里程碑式的最新效率,达到27.3%。相比之下,当前的硅太阳能电池光伏效率的最好纪录是26.7%,而商用硅电池组件的效率还要低得多。
  目前,该公司正着手推出全球首个商用叠层硅-钙钛矿太阳能电池组件,将钙钛矿材料的薄膜层与硅太阳能设备相结合。牛津光伏首席技术官克里斯?凯斯(Chris Case)表示,太阳能组件的外观和性能与传统硅太阳能电池组件非常相似。主要的不同在于,它们产生的光电效率更高,会产生更多电量。
  钙钛矿太阳能产业7年前尚不存在,而今天其发展已十分引人注目。现在,有几十家公司竞相将此技术推向市场。全球数百名研究人员正在研究新型钙钛矿材料和处理方法,研究如何使设备工作。凯斯认为2018年关于钙钛矿的学术论文数量有望突破5000篇(包括有关钙钛矿光电探测器、X射线探测器和发光二极管的报告)。
  短短10年间,钙钛矿已经从刁钻、低效的实验产品发展为达到或超越传统太阳能电池性能的商业级产品。除有机发光二极管、染料敏化或量子点太阳能电池外,没有其他太阳能光伏技术可以与之相媲美。
  凯斯称:“目前我们正处于历史的转折点。现在,在全球大多数地方,无补贴的太阳能发电成本低于其他任何形式的发电。”他认为钙钛矿将确保太阳能的主宰地位。
  “阻止不了。即便是全球最大的石油公司也无法阻止它。”
  钙钛矿的诱人之处是,在将光子转化为电能方面比硅更为优越。
  科罗拉多州戈尔登国家可再生能源实验室钙钛矿太阳能团队负责人约瑟夫?贝瑞(Joseph Berry)说:“我的一个同事喜欢说,如果你要选择一种理想的太阳能材料,你绝不会选硅。(硅)能成为一种重要材料,是因为所有研发资金都投资于硅(用于集成电路和太阳能)。”
  贝瑞称:“高纯度无瑕疵的硅才具备我们垂涎的特性。钙钛矿能够容忍瑕疵的存在。我们无须精心处理材料就可获得极具竞争力的产品效能。”钙钛矿还可用于各种低成本的生产方法,包括旋涂和卷对卷印刷。美国国家可再生能源实验室的研究人员甚至开发出一种可作画的钙钛矿墨水。
  贝瑞预测,如果建造一座10亿瓦规模的钙钛矿太阳能电池厂,最终成本大约是目前建造一座类似规模硅太阳能电池工厂的1/10。最终产品柔韧且近乎透明,因此专家设想可使用它们作为窗玻璃和建筑物的喷涂涂层。
  钙钛矿最初是指含钙、钛和氧的矿物,于1839年首次被发现。此后,钙钛矿指代一大类具有与此类矿物相同晶体结构的化合物。其化学成分简写为AMX3,其中A通常代表有机分子,M代表金属(如铅或锡),X代表卤素(如碘或氯)。桐荫横滨大学的宫坂研究团队用化合甲基铵三碘化铅制成了首个钙钛矿电池。但牛津光伏的凯斯认为,成千上万种化合物都可以形成这种晶体结构。
  无论化学性质如何,钙钛矿太阳能电池都必须满足3个基本商业化标准:稳定性、效能和可量产。凯斯称,他的公司将硅薄膜和钙钛矿组合成“叠层”电池,解决了上述3个问题。这种电池可以使用目前的太阳能电池片制造方法生产。
  早在2012年公司开始研究钙钛矿时,牛津光伏就瞄准了可以涂在玻璃上,用于窗户和其他建筑构件的纯钙钛矿产品。凯斯称:“这是一个杰出的创意,但我们意识到步入商业化可能还需要5到10年。我们力求缩短交付时间。”
  
当阳光进入牛津光伏的叠层电池时,光子穿过透明电极层,抵达钙钛矿层,钙钛矿层吸收较短的波长(趋向于光谱的蓝色端)。未被吸收的光子穿过一个稀薄结合层,遇到吸收较长波长的硅层。最终,更多的可用光被电池吸收。
  凯斯解释道:“要制造出效能为26%甚至30%的叠层电池,只需要效能15%到17%的钙钛矿层,外加效能为20%的普通硅层。”

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