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钙钛矿会成为未来光伏的完美解决方案么?目前还需迈过这几道坎……

时间:2019-08-12

  

澳大利亚悉尼新南威尔士大学教授,江苏里托光伏科技有限公司首席科学家Martin Green在6月举行的SNEC光伏前沿技术论坛上发表了精彩演讲对于钙钛矿的方兴未艾,MartinGreen解释了这一见解。他说,钙钛矿太阳能技术最早是在美国斯坦福大学研究的。现在这项技术已实现28%的光电转换效率,但其稳定性尚未得到解决。

据了解,马丁格林教授于1948年出生,澳大利亚人,现任澳大利亚新南威尔士大学教授,澳大利亚科学院院士。他是世界太阳能电池的权威代表。由于其在太阳能领域的杰出贡献,它赢得了许多世界级的荣誉,包括国际电工委员会R.Cherry奖,J.J.Ebers奖,澳大利亚国家奖,正确的生活方式奖,全球能源奖等。

Martin Green教授提到的钙钛矿电池使用的是由钙钛矿材料制成的微米薄膜,这种薄膜已经从实验室项目演变为近十年来太阳能发电的新亮点。目前,全球十几家公司,成熟的电子巨头和初创企业都希望很快实现钙钛矿电池的产业化。

与晶体硅相比,钙钛矿更便宜并且具有更高的光电转换效率,至少在实验室中是这样。但作为下一代太阳能材料,钙钛矿在十年后会成为完美的解决方案吗?格林教授认为,从目前的角度来看,钙钛矿的大规模工业化需要经历稳定性和材料安全等几个障碍。

提高效率

在OxfordPV的研究实验室,距离牛津大学以北15分钟车程,研究人员正在测试1厘米见方的闪亮黑色电池。他们正在探索在光电转换方面更有效的新材料组合,最终产品类型在工作台上:一个大型的钙钛矿涂层太阳能模块,测量243平方厘米的标准硅电池,层压在两片玻璃之间。

研究人员可以从许多不同的“钙钛矿”晶体结构中进行选择。钙钛矿术语最初指的是矿物钙钛氧化物(CaTiO3),它于1839年在俄罗斯乌拉尔山脉中发现,并以俄罗斯矿物学家Lev Perovskite命名。但太阳能电池中的钙钛矿与矿物质几乎没有共同点,它们的ABX3结构有一点共同之处。

从太阳能的观点来看,这些材料的一个重要优点是入射光使带负电的电子进入更高的能级,留下空位或“空穴”,如带正电的粒子。如果这些带电的电子和空穴在淬火之前可以到达钙钛矿膜上方和下方的电极,则可以产生电流。

2009年报道的第一个钙钛矿光伏器件的光电转换效率仅为3.8%。但由于晶体很容易在实验室制造,而且它们是通过将低成本的盐溶液混合在一起而形成的,研究人员正试图改善它们的性能。到2018年,美国和韩国研究人员制备的钙钛矿电池的效率飙升至24.2%,理论极限低于30%,但不幸的是,钙钛矿效率的记录仅限于小于1平方厘米。上。

研究人员说:“人们尚未证明有能力在大面积生产高效钙钛矿电池。”一个问题是制备大面积均匀钙钛矿涂层更困难。另一个原因是。在实验室中使用微型电池时,科学家们使用TCO薄膜来收集电流。这些TCO薄膜可以通过大量光线,但电阻很小,这意味着它们可以使电流更小。这个电阻率问题将在更大的区域内变得更加明显。例如,在松下,研究人员报告了一块6.25平方厘米的钙钛矿电池,效率为20.6%。但当35个细胞组合成412平方厘米的组件时,效率降至12.6%。该公司拥有钙钛矿“迷你组件”的认证记录,七个单元,约17.3平方厘米,效率为17.3%。

但提高效率的最快方法可能是在硅晶圆上使用钙钛矿。去年,OxfordPV报道了通过在晶片表面涂覆17%高效钙钛矿层制成的效率为28平方厘米的1平方厘米系列电池。钙钛矿可以吸收更多的短波长蓝绿光,使硅能够吸收更长波长的红光。

它们足够耐用吗?

然而,钙钛矿的主要挑战是它们能否持续25年。在澳大利亚悉尼新南威尔士大学研究钙钛矿和其他太阳能材料的马丁格林说:“钙钛矿的稳定性需要满足晶体硅组分的规格,现在似乎不可能。”

钙钛矿对空气和水分敏感,但这不是最致命的问题。商业太阳能电池板已经用塑料和玻璃包装以保护,这也适用于大多数钙钛矿。更重要的问题是钙钛矿材料本身的晶体在某些情况下随着钙钛矿的温度而变化。尽管变化是可逆的,但它会影响其后续表现。

在瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL),由Michael Graetzel领导的团队在ABX3结构中开发了三到四种不同的“A”阳离子。该团队将甲基铵和甲酸阳离子与少量钌和锇混合,以防止与使用单独的阳离子相比由温度和湿度引起的结构变化。

另一个问题是当光照射到钙钛矿晶体时,小的“X”阴离子在结构内部移动。如果阴离子中存在任何间隙(可能发生),则会导致一系列链式反应,这些反应可能会改变晶体的成分和效率或导致失效。就大多数太阳能技术的效率差异而言,钙钛矿电池更为明显。

大多数钙钛矿电池研究公司尚未公布其稳定性结果。但他们都表示,他们遵循瑞士日内瓦国际电工委员会(IEC)制定的硅太阳能电池板认证标准。该标准称为IEC,涉及室内测试,其中组件在85%相对湿度下加热至85°C,持续1000小时;即使使用冰雹模拟测试,模块面板在-40°C和90°C之间循环至-100次。

如果在这些测试后硅面板仍在工作,那么在正常天气下它应具有25年的性能保证。然而,由于钙钛矿和硅的不稳定性不同,尽管它们通过了这些测试,但它们可能仍然不适用于现实世界。与目前主流光伏模块的25至30年寿命相比,这是一个主要缺点。

铅毒性

钙钛矿电池的另一个潜在危害是它们含有铅,一种有毒金属。研究人员尝试使用锡等替代品,但电池性能下降。这并不意味着不能使用钙钛矿电池。 OxfordPV串联电池的生命周期分析表明,少量铅泄漏对环境毒性影响不大。该分析还认为,硅电池使用的资源对电池生产过程中的整体环境影响更大。

但一些研究人员表示,含铅的问题消除了在一次性电池产品中使用钙钛矿的想法。 Graetzel认为他们可能会在人们很少去的大型太阳能发电厂中使用它。 Graetzel说:“如果有人想要肆无忌惮地销售钙钛矿成分,他们的想法是错误的和危险的。如果孩子刺穿包装材料,很容易导致铅中毒。”

与此同时,大多数生产钙钛矿组件的公司表示,他们不想进入主流太阳能电池板市场,至少不是立即进入,这就是为什么他们可以专注于轻质薄膜电池。一些公司已退出钙钛矿市场。跨国公司富士胶片是钙钛矿太阳能专利的第三大持有者。然而,在对钙钛矿太阳能电池进行基础研究后,它不再开发用于制造它们的电池或材料。发言人Shohei Kawasaki说,澳大利亚的钙钛矿开发商GreatCellSolar于12月投入运营;虽然它是世界上最大的太阳能电池板制造商晶科能源公司在中国上海建立了合作关系,但未能吸引足够的投资来建设该设施。

这些挫折表明,钙钛矿的优势并不像倡导者想象的那么明显。钙钛矿太阳能电池能否真正满足各方面的要求,或者必须经过户外实验测试。

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