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刘埃森:我国钙钛矿光伏电池产业的未来

发布时间:2019-07-16      作者:刘埃森  
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钙钛矿光伏电池的快速发展使钙钛矿材料成为光伏世界的后起之秀,并引起了学术界的极大兴趣。由于它们的制造方法仍然较为前沿,因此钙钛矿的基本物理和化学性质还有很多研究空间。此外,根据以往研究表明,钙钛矿配方和制造程序的工程改进令功率转换效率已显著提高,中国可再生能源学会光伏专委会《2019年中国光伏技术发展报告》数据显示,截至2018年12月,钙钛矿光伏电池效率达到了23%以上。

 

 

钙钛矿(结构)

 

    术语“钙钛矿”和“钙钛矿结构”通常可互换使用。从技术上讲,钙钛矿是一种在乌拉尔山脉首次被发现的矿物,以Lev Perovski(俄罗斯地理学会的创始人)名字命名。

 

    真正的钙钛矿(矿物质)是由钙、钛和氧组成的CaTiO形式。同时,钙钛矿结构是具有通用形式ABX3结构的一类化合物。然而,由于光伏电池的大多数研究不涉及矿物学和地质学,钙钛矿和钙钛矿结构可互换使用。

 

    钙钛矿晶格排列如图1所示。与结晶学中的许多结构一样,它可以以多种方式表示。考虑钙钛矿的最简单方法是在立方体中心作为A型的大原子或分子阳离子(带正电荷)。然后立方体的角被原子B(也带正电荷的阳离子)占据,并且立方体的面被具有负电荷(阴离子)的较小原子X占据。

 

    根据结构中使用的原子/分子,钙钛矿具有一系列特性,包括超导电性,巨磁电阻,自旋相关传输(自旋电子学)和催化特性。因此,钙钛矿为物理学家、化学家和材料科学家提供了令人兴奋的竞技场。

 

    2012年,钙钛矿首次成功应用于固态光伏电池,此后大多数电池采用以下钙钛矿形式ABX3的材料组合:

 

A=有机阳离子-甲基铵(CH3NH3+)或甲(NH2CHNH2+

B=大的无机阳离子-通常是铅(II)(Pb2+

X =略小的卤素阴离子-通常是氯(Cl-)或碘化物(I-

 

    由于这是相对一般的结构,因此这些基于钙钛矿的装置也可以给出许多不同的名称,这些名称可以指更普遍的材料类别或特定的组合。

 

    大多数有效的钙钛矿基于第IV族(特别是铅)金属卤化物,超出此范围的研究已证明具有挑战性,可能需要比现有技术更深入的知识来探索钙钛矿结构范围的其他可能。基于钙钛矿的铅基光伏电池有一系列优点,包括可见光区域的强吸收,长电荷载流子扩散长度,可调能隙和易于制造(由于高缺陷容限和能够在低温下加工)。

 

钙钛矿光伏电池引起广泛关注的原因

 

    钙钛矿光伏电池自2012年以来在短时间能内引起如此高度的关注,是因为钙钛矿器件的功率转换效率与新兴的光伏研究技术以及传统的薄膜光伏技术相比毫不逊色。在相对较短的时间内,钙钛矿光伏电池的效率急剧上升。此外,截至201812月,钙钛矿已超过所有其他薄膜非聚光器技术,包括CdTe和铜铟镓硒(CIGS)。可以说,虽然在过去的几年里有了更多的资源和更好的光伏电池研究基础设施,但钙钛矿光伏电池效率的显著上升却最令人印象深刻。

 

    图2是一系列与钙钛矿竞争的技术能隙相比的开路电压。该图表显示了从光到电的转换过程中光子的能量损失了多少。基于激子标准的有机光伏电池,这种损耗可高达吸收能量的50%,而钙钛矿光伏电池的光子能量利用率则通常超过70%,并有可能进一步提高。

 

    钙钛矿不仅已接近了最先进技术(如GaAs)的价值,而且成本低得多。在性价比方面可以说是最接近钙钛矿的晶体硅光伏电池,已比最先进的GaAs便宜1000倍,而钙钛矿甚至有可能更为低廉。

 

钙钛矿光伏电池的特性

 

    在化学组成上,有机无机杂化钙钛矿材料具有ABX3型的晶体结构。其中A位甲脒离子含量高于95%,同时X位溴离子含量低于5%FAPbI3基钙钛矿材料,其能隙低于1.55eV,在已经发展的各种钙钛矿材料成分配比中最接近于单节光伏电池的理想能隙。目前,两步法制备的光伏电池器件长时间工作的稳定性要普遍低于一步法,这是由于传统两步法制备难以获得含有碱金属离子的钙钛矿薄膜。

 

    钙钛矿最令人兴奋的特性之一是高效率。根据实验室计算,科学家们认为钙钛矿光伏电池能够超越传统的单晶硅或多晶硅电池的效率。虽然它们的开发时间远远少于硅电池,但钙钛矿电池已达到实验室效率20%以上。研究人员希望钙钛矿光伏电池可以在实验室开发完成后超过传统面板的效率极限。

 

    钙钛矿光伏电池的另一个优点是其可低成本生产的人造原料。标准光伏电池由晶体硅制成,必须从自然环境中提取并在用于制造光伏电池之前进行广泛处理。而钙钛矿细胞是通过一种被称为“溶液加工”的过程制成的,这与制作报纸的方法相同。

 

    得益于溶液处理,钙钛矿制造具有高度可扩展性,与其他光伏电池板技术相比,生产成本非常低,其普及潜力巨大。

 

    与其他薄膜技术一样,钙钛矿光伏电池低成本、高转换效率的特性使其极具学术价值。薄膜面板通常是柔性的,轻质的和半透明的。从设计的角度来看,钙钛矿光伏电池比传统的硅光伏电池板轻盈得多,它们的轻质特性意味着其可以在屋顶,墙壁或任何承力较小的地方安装,因此除了屋顶之外还可以结合到建筑物的其他部分中使用。

 

    新型钙钛矿光伏电池是近几年来的研究热点,钙钛矿光伏电池由敏化光伏电池改进发展而来,具备高光学吸收系数、可调带隙、低复合、更加清洁、便于应用、制造成本低、制造难度低和效率高等显著优点。尽管钙钛矿光伏电池的研究如火如荼,但其面临的问题也值得重视。钙钛矿光伏电池并非十全十美,特别是其不稳定性和毒性。首先,新型光伏电池在组装过程中存在包括材料和高效电池器件的不稳定问题;其次,有机-无机杂化钙钛矿材料中含有剧毒重金属铅,对环境污染严重;最后,钙钛矿层的形貌和结晶程度对钙钛矿电池性能起决定性作用,影响这些材料性质的因素很多,需要更多的研究和探索。

 

    上述问题一旦解决,钙钛矿电池将在光伏电池市场中发挥重要作用。科罗拉多大学McGehee教授曾提出一个短期解决方案是制造“串联”光伏电池,即在传统硅上层叠加钙钛矿。钙钛矿电池是半透明的,捕获可见光谱中的某些波长,允许其他波长通过并被下面的硅电池捕获。

 

    McGehee的研究显示,串联电池的效率比单独的硅电池提高10%。如果能够克服规模和稳定性的障碍,钙钛矿光伏电池未来将会改变光伏产业的长远发展。

 

从世界各国最新研究进展看我国光伏电池产业的未来

 

    从整体来看,国际上涉足钙钛矿光伏电池研究的企业多为相关领域正在做前瞻布局的高新企业,包括材料、电子、化学等领域的国际知名公司,此外,也有部分新创立的中小型钙钛矿光伏电池公司,此类公司多处于商业化的早期阶段,总体而言,钙钛矿光伏电池离大规模商业化还有着一段不小的距离。

 

    截至目前,国际上至少有40个国家正在开展对新一代低成本、高效率的钙钛矿光伏电池实用化的研究,例如,IBM公司在2009年公布的“IBM未来5年的5项创新”新型钙钛矿光伏电池的普及应用被列入了未来5年内有望改变人们工作、生活和娱乐方式的创新项目之一。已涉及新型钙钛矿光伏电池产业化研究和制造领域的国外重点企业包括英国牛津大学的Henry J.Snaith创立的牛津光伏公司,该公司被MIT Technology Review杂志评为“2017年度全球最具创新力50家公司”之一,目前公司总资本达到3000万英镑,其已经公布的认证电池产品效率可达20.1%2014年),串联层应用可达到28%的转换效率,还可用于标准玻璃镀膜设备,公司主要集中在钙钛矿光伏电池与晶硅迭层光伏电池以及与建筑一体化透明能量窗方向;同期开展钙钛矿光伏电池产业化研发的国外公司还包括:瑞士的Solaronix,澳大利亚的Dyesol,英国的G24 Innovations,以色列的3G Solar,爱尔兰的Solar Print,德国的巴斯夫BASFHeliatek、默克Merck,日本的镰仓Fujikura、新力Sony Corp、夏普Sharp SolarPeccell Technologies、写真印刷Nisasha等。

 

    国内涉足钙钛矿光伏电池研究的企业多为高新技术企业,不少企业都得到了高校研究的大力支持,部分企业直接由科研人员创立,钙钛矿光伏电池商业化的情况和国际情况基本类似,皆处于早期阶段,谈及大规模商业化应用还为时尚早。

 

    中国的光伏产业在过去几年中,得益于大量出口重复生产和低价格产品而快速发展。中国光伏产业的优势,包括丰富的太阳辐射和大量的安装生产基地。然而,与国外产品相比,技术差距大、产业技术更迭速度跟不上、缺乏政策指导、企业缺乏运营经验、缺乏有效市场监督。并且中国对低产能能源(如燃煤)的依赖等也有可能成为阻碍中国光伏产业发展的拦路虎。

 

    总而言之,效率、稳定性、可伸缩性和成本是钙钛矿光伏电池研究开发的重点,也是其从实验室走到实际工业应用的关键所在。中国光伏产业的发展是否能够依靠钙钛矿光伏电池走上新的台阶,仍要拭目以待。

 

 

本文刊登于《科技与金融》20197月刊,如需转载请与编辑部联系。

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