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#调研纪要#钙钛矿太阳能电池技术及其产业化

栏目:调研纪要 作者:ZML 时间:2022-08-02 10:25:40

专家简介:王言博,上海交通大学材料科学与工程学院任长聘助理教授,参与科技部重点研发计划。主持国家自然科学基金委青年基金项目。目前主要研究方向为有机无机杂化钙钛矿太阳电池稳定性与新一代低毒非铅钙钛矿太阳电池。以第一作者以及通讯作者身份,在Science,Nature Communications等高水平期刊上发表学术论文15篇。-目前主要研究方向为有机无机杂化钙钛矿太阳电池稳定性与新一代低毒非铅钙钛矿太阳电池。以第一作者以及通讯作者身份,在Science,Nature Communications

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专家简介:王言博,上海交通大学材料科学与工程学院任长聘助理教授,参与科技部重点研发计划。主持国家自然科学基金委青年基金项目。目前主要研究方向为有机无机杂化钙钛矿太阳电池稳定性与新一代低毒非铅钙钛矿太阳电池。以第一作者以及通讯作者身份,在Science,Nature Communications等高水平期刊上发表学术论文15篇。-目前主要研究方向为有机无机杂化钙钛矿太阳电池稳定性与新一代低毒非铅钙钛矿太阳电池。以第一作者以及通讯作者身份,在Science,Nature Communications等高水平期刊上发表学术论文15篇。


行业背景

各行各业都需要化石能源,化石能源燃烧会产生污染。习总书记提出的碳中和碳达峰的目标达成需要牺牲发展速度。碳达峰意味着二氧化碳排放达到极值,碳中和说明人类的活动所产生的碳和采取积极行动所减少的碳达到了一个中和。

实现目标主要有三个路径:1)推进绿色制造:减少排放,主要是降低主要能耗领域的排放。2)发展新型清洁能源:开拓一些新的应用,包括可再生能源的开发,例如光伏,风电,以及其他的生物智能等。3)优化储能:风电和光电大的缺陷是稳定性,比如雨天,夜晚等特定情况无法发电,因此要结合储能,将发出来的电稳定地并到电网,同时将多余的能量储存,应用到无法发电的场景。

太阳能利用形式包括:1)太阳能转化为生物质能:比如生长速生植物、生物智能。2)太阳能转化为热能:通过太阳能的温室实现光热的转化,比如太阳能热水器。通过光电光热来发电由于中间产生热的过渡,会产生一定比例的损耗,效率比较低。3)太阳能转化为电能:光伏发电,利用半导体界面的光生伏特效应。4)太阳能转换为化学能:利用光作为催化剂。


太阳能电池发展史

1839年AlexandreEdmondBecquerel发现光生伏打效应,1954年诞生第一块单晶硅太阳能电池,1991年诞生染料敏化太阳能电池,2009年,日本科学家发现把钙钛矿放到染料敏发电池里面有效率,因此诞生钙铁矿太阳电池。

光伏发电的基本原理:如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收,具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发,以致产生电子-空穴对。在p-n结内建电场的作用下,空穴由n区流向p区,电子由p区流向n区,接通电路后就形成电流。


第一代硅电池:

世界生第一个太阳能电池不是硅电池,而是硒电池。查理斯把硒涂在晶电体上,成为第一个最简陋的太阳电池,即通过金属和半导体的接触。因为金属和半导体之间有巨大的能级差,载流子浓度也有差异,因此转化效率只有1%。1954年,贝尔实验室诞生了第一个硅电池,效率为6%。1999年M.A.Green等人开发背部钝化的电池,之后又研发出点接触的扩散,叉指背接触等。2021年topcon电池达到26.7%的效率。

隆基在topcon领域做的较好。企业追求成本,但是成本和效率、稳定性、原材料、工艺都相关,最关键的是效率。因为光伏电站安装不只有原材料的成本,还包括光伏支架,组装整个电站的成本,因此原材料的成本被稀释,但是效率提升给企业带来的利润巨大,因此隆基直接考虑单晶硅以及相关的器件,先后刷新了N型、P型、Topcon的效率记录达到了25%以上,HJT半个月之内连续刷新两次世界纪录,2021年最新记录26.3%,上一个记录25.8%,但实现量产的效率只有23%。

隆基Topcon还没有实现量产的原因:1)perc产线已经非常成熟,换产线需要的成本高。2)在Topcon里,设备、工艺重复率不高,所以产线有问题,存在很多可以提效、降本的空间。

硅基太阳能电池:1)相比单晶硅,多晶硅太阳能电池对原材料的纯度要求较低,原料来源比较广泛,成本低。2)较多的晶格缺陷导致其转换效率低。


第二代薄膜电池:

1)AsGa:造价贵,主要运用于航空、军工、国防等不计成本的领域,效率达到30%,而且非常稳定。

2)CIGS:汉能在这领域比较好,但设备投资成本比较高,同时铟元素和锡元素有限,不适于未来大规模应用。

3)CdTe:Te储量有限、Cd毒性较高。

目前第二代薄膜电池总共占据10%不到的市场,同时最近单晶硅发展迅猛,第二代薄膜电池份额会更低,估计5%。比较好的企业比如汉能,更像一个科研机构,效率做得高,打破多次世界纪录,但是由于降本及公司管理上的各种问题而不及预期。


第三代新型太阳能电池:

1)染料敏化太阳能电池:从90年代被开发到2021经历大概30年,然而最高效率停留在13%。因为很难对染料进行一个完全填充,无法进行非常高效的光的吸收,同时机子结合比较紧密,机子分离也比较困难,存在的问题很多。同时液态电解质易分解、泄漏、不易封装,稳定性很差。

2)有机太阳能电池:由有机材料构成核心部分的太阳能电池。主要是以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料,以光伏效应而产生电压形成电流,实现太阳能发电的效果。2019年以前效率停留在15%以下。2021年效率达到18%,而且稳定性存在问题,目前无法引起工业的关注。


钙钛矿太阳电池研究现状

1989年,俄罗斯地质学家列夫·佩罗夫斯基(LevPerovski)发现钙钛氧三,随后开发一系列的丝酸等材料,在光学晶体有了非常广泛的应用。材料的特点就是在可见光范围内具有一个极强的光激束,而且可以在低端溶液中结晶,降低工业的成本。同时钙钛矿既可以高效传电子,也可以高效传空穴,因此无需要像硅需借助PN结,自己就可以传送,减少了很多界面的问题,以及其具有高载的迁移率。故从2009年诞生以来,仅十年时间达到25.5%的效率。钙钛矿应用领域广泛,比如太阳能电池、LED、激光、x线成像、探测领域等。钙钛矿电池2013年也入选science十大科技突破。

2009年,Miyasaka将钙钛矿材料首次应用于太阳电池吸光层。第一个电池效率只有3.8%,稳定性是分钟级的,主要原因是离子的电解液对钙钛矿具有腐蚀作用。

2012年,Nam-GyuPark和Michael合作研发首个全固态钙钛矿太阳电池,将钙钛矿做成厚厚的吸收层,作为吸光的主体。效率大概为10%,稳定性达到百小时。

2013年,学生HenryJ.Snaith做个首个平面结构钙钛矿太阳电池,从正式结构反面结构跳出来,做成平面结构,将钙钛矿工期缩短几天。结构简单,效率高,现在的高效率器件全部是基于平面结构。

PeterChen做了首个反式结构的开放电池,反式结构相比于正式的制作只需要两天,其材料很多都是无机,比较稳定。目前效率达到22%。

Seok2014年发明反溶剂法促进钙钛矿结晶的方法,几乎所有实验室都在采用。

Yangyang2014年将界面传输优化,大幅提升器件性能,达到19%以上。

JingbiYou是中国唯一在钙钛矿发展历史上打下两个世界纪录点的人,2019年在上界面缺陷钝化,达到23.3%的效率。

Seok2021年在下界面缺陷钝化,达到25.5%的效率。


钙钛矿太阳电池产业化现状与挑战

钙钛矿的成本约为硅的1/2,主要挑战有:

1)稳定性:钙钛矿电池是有机无机杂化的电池,只做全无机会损失本身的吸光的范围,对于极限效率有影响。所以更倾向于使用有机无机杂化的电池,因为其是一个典型的离子晶体,而且有机部分机团的大小要比无机的部分大很多,所以库伦力是很弱,因此会产生水氧作用的分解,光下的卤素分离,热下的组分损失,电场作用下的离子移动等。材料本身稳定性很差。

2)面积扩大化:硅的26.7%效率建立在面积200多平方厘米,钙钛矿的25.5%建立在面积是0.09平方厘米,差了一万倍。对于光伏材料来讲,在小面积上高效的发电容易,但光伏电站需要平米级别,原因是小的面积去连接,成本过高。因此需要做大的模块,效率越高,稳定性越好,成本也就越低,存在性能的权衡。器件面积增大会导致效率大幅降低。

杭州纤纳20平方厘米的小面积组件配件,效率达到21.4%;极电光能在64平方厘米实现20%的效率。协鑫1000平方厘米上实现15%的效率;松下,近几年公布800平方厘米实现17.9%的效率。


最新研究

钙钛矿/硅叠层:将硅和钙钛矿连接到一起,可以打破本身的效率极限,由33%的理论极限直接达到40%以上的理论极限,钙钛矿本身的理论极限是30%,硅本身的理论极限接近29%,硅效率2021年已经达到26.7%,钙钛矿是25.5%,但结合之后,牛津光伏叠层器件效率达到29.5%,即将量产;完成100MW的钙钛矿叠层电池生产线的安装。国内钙钛矿/Perc效率达24.5%,与牛津光伏相差较大。

全钙钛矿叠层:可进一步降级器件成本,同时可发挥钙钛矿材料能带可调的优势,认证记录24.8%。

1)小面积器件效率24.3%@0.08cm2,大面积器件22.3%@1cm2。

2)含铅钙钛矿器件最高效率已达25.5%,但由于铅的毒性,大规模市场存在一定风险。


未来展望

1)钙钛矿光电材料的深入研究。

2)廉价高效且稳定的电荷传输层材料的开发。

3)无铅钙钛矿太阳电池。

4)钙钛矿/硅叠层太阳电池。

5)大面积技术:大面积制膜技术,适用于钙钛矿的大面积钝化技术,封装技术。

6)钙钛矿光伏电站户外长期运行性能监测。


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