一、钙钛矿太阳能电池的优缺点?
钙钛矿太阳能电池的优点,钙钛矿电池转换效率极高。钙钛矿太阳能电池作为第三代太阳能电池,具有高效率特点,单结钙钛矿电池理论最高转换效率达31%,多结理论效率超过50%,远高于晶硅的29.4%。钙钛矿电池相比晶硅产业链大幅简化,成本更低
缺点,安装复杂
二、钙钛矿实力出圈,开创光伏产业新格局
太阳能是一种能量丰富、清洁的能源,合理、有效地利用太阳能是解决人类能源和环境问题的重要途径。
近年来的研究发现,具有钙钛矿晶体结构的甲脒(FA)钙钛矿材料由于具有很高的光吸收系数、很长的载团昌流子传输距离、非常少的缺陷态密度等优异性质,在太阳能电池、发光器件、光电探测器、激光器、光催化、光检测等领域应用前景巨大,成为国际上极为重要的研究热点材料之一。
目前,中国计量科学研究院认证的,300cm²的大尺寸钙钛矿光伏组件已经创造出18.2%的转换效率,创造新的世界纪录,进一步验证了钙钛矿光伏创新技术产业化的可行性。
全球范围内多家公司都不约而同提速了钙钛矿电池商业化量产的步伐,在科研方面,国内几乎所有的理工科院校都在开展与钙钛矿有关的课题研究。
钙钛矿电池的产业化时机已经逐渐成熟,其商业化发展速度很可能会刷新许多人的认知。
2019年6月, 科技 部发布国家重点研发计划“可再生能源与氢逗帆能技术”等重点专项2019年度项目申报指南的通知,其中在太阳能一项中,特别提出为 探索 大面积太阳能电池制备技术,开展高效稳定大面积钙钛矿电池关键技术及成套技术研发,解决大面积钙钛矿电池稳定性问题。
新技术的推广,首先要有一个成熟产业的技术作为支撑,正如晶硅电池的产业化有半导体产业技术为基础一样,钙钛矿电池的制造产完全可以采用液晶面板行业的设备和技术,而且对技术和工艺的要求同样也要更低一些。
同时,国内高等院校的理工科专业均开展与钙钛矿相关的研究课题组,为行业发展培养了一定基数的技术人才;大企业纷纷布局,不断提高钙钛矿电池的光电转换效率,加速推进钙钛矿电池的商业化进程。
钙钛矿是一种化合物电池,其原材料来源于基础化工材料,有多达几万种原材料可供选择,完美避开对有限原材料的资源依赖。
而相比晶硅电池对硅料的需求,钙钛矿电池对于原材料的需求要少得多。一块72片电池的晶硅组件对硅的消耗量约为1公斤,而同等面积的钙钛矿电池组件只需要钙钛矿材料2克左右。
稀缺问题之外,材料的可突破性对于技术的发展前景可能更为重要。只有依托于那些具有可设计性和可迭代性材料的技术,未来才有更大的发展空间。
钙钛矿的晶体结构,是不会被卡在某个数值(目前最高光电转换效率记录是29%),复杂的原理我就不赘述了,有一点要强调的是,钙钛矿并不是一种矿物,而是一种结构的统称,具备这种结构的人工合成材料,统称为钙钛矿。同时钙钛矿对杂质并不敏感,纯度只需要做到90%就足够了,甚至为了增加材料之间的强度,还可以在涂布时主动添加粘合剂、增强剂一类的“杂质”,综合各种优势,决定了钙钛矿作为太阳能电池具备的独特优异性能。
目前市面上的钙钛矿材料以粉末居多,能稳定合成钙钛矿单晶的研发生产机构屈指可数。其中,中山复元新材料有限公司旗下的珀优思品牌,专注研发与生产钙钛矿材料,具备几十种钙钛矿前驱体材料的合成与销售。
尤以甲脒(FA)钙钛矿单晶为拳头产品,实现稳定合成,平稳供货,与国内多所知名院校与企业建立深度合作关系;围绕合成钙钛矿所需的前驱体材料,形成完善的供应体系;在材料配方、制备塌指扒工艺、产品结构设计方面构建钙钛矿技术领域的核心优势。
在“双碳”背景下,节能减排已成为各行业发展不可逆转的趋势,大力发展清洁能源已成为 社会 的一致共识。珀优思—钙钛矿材料首选提供商,期待共同开创与见证钙钛矿能源时代的来临。
三、钙钛矿型太阳能电池是什么原理
高效钙钛矿太阳能电池中,最常用的吸光材料是CH3NH3PbI3,其带隙约为1.5eV[20],能充分吸收400~800nm的可见光,比钌吡啶配合物N719高出一个数量级。CH3NH3PbI3吸光材料有很好的电子传输能力,并具有较少的表面态和中间带缺陷,有利于光伏器件获得较大的开路电压,是钙钛矿太阳能电池能够实现高效率光电转化的原因。目前常用的空穴传输材料(Holetransportmaterial,HTM)有spiro-MeOTAD、P3HT(聚3-己基噻吩)、CuI和CuSCN等。韩国Noh研究团队[44]以PTAA作为HTM,所制备的太阳能电池最高光电转换效率为12%。Giacomo等[24]分别以P3HT和Spiro-OMeTAD作为HTM制备钙钛矿太阳能电池,对比发现两者光电转换效率十分相近,但引入P3HT的器件开路电压(Voc)达到0.93V,高于引入Spiro-OMeTAD器件的开路电压(Voc=0.84V)。在引入空穴传输层的钙钛矿太阳能电池中,对空穴传输层的厚度有较高的要求。例如spiro-OMeTAD层应较薄,以使空穴从spiro-OMeTAD中传输到对电极的阻力最小化,而典型钙钛矿吸光材料的电导率一般在10-3S/cm数量级,为了防止钙钛矿吸光膜层和对电极中发生电流短路现象,spiro-OMeTAD厚度又应适当增加。鉴于以上原因,空穴传输膜层的厚度必须通过不断的实验探索才能达到最优化。另外,还可通过采用渗透性更好的空穴传输材料来获得更高的填充系数和光电转换效率。针对目前常用的空穴传输材料spiro-OMeTAD合成路线复杂、价格昂贵等问题,科研人员研制了一系列易于合成且成本低廉的小分子作为空穴传输材料。Christians和Qin等[45,46]分别以CuI和CuSCN作为空穴传输材料,实验结果表明CuI的导电性比spiro-OMeTAD好,可以有效改善器件的填充因子,获得6%的光电转换效率;而CuSCN中空穴传输速率为0.01~0.1cm2·V/s,远高于spiro-OMeTAD中空穴传输速率,使得器件短路电流大大增加,光电转换效率为12.4%。这些新型无机空穴传输材料在未来大规模研究和应用中,有望作为spiro-OMeTAD的替代品降低电池的原料成本。最近Fang等[47]采用紫外臭氧表面处理和氯元素界面钝化两个关键技术,首次在一种结构为FTO/CH3NH3PbI3-xClx/Spiro-OMeTAD/Au无空穴阻挡层的钙钛矿太阳能电池上取得了1.06V的开路电压和14%的光电转化效率。