钙钛矿电池:“搅局者”将至

钙钛矿电池:“搅局者”将至
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文/袁苏

在安静的太阳能投资领域,钙钛矿太阳能电池突然成为今年风险投资的焦点。

3月15日,中国最大的风力发电机制造商中国风电科技公司宣布,将成为英国钙钛太阳能公司Oxford PVTM的圆税融资的战略投资者,投资额为2100万英镑。

4月26日,长江三峡集团三峡资本与中国三峡新能源和杭州纤维纳米光电科技有限公司(简称光纤纳米电子)宣布三峡资本投资公司作为战略投资者,投资5000万元人民币。该公司成立于不到四年前,目前是钙钛矿太阳能组件全球光电转换效率的世界纪录保持者。

所谓的钙钛矿太阳能电池是使用钙钛矿基有机金属卤化物半导体作为光吸收材料的太阳能电池,属于第三代新概念太阳能电池,具有高光电转换效率和低成本。目前的实验室转化率接近30%,这是实验室中发现的光电转换效率最高的太阳能电池。

然而,从全球范围来看,虽然钙钛矿太阳能电池仍处于实验室阶段,尚未实现真正的大规模生产,随着技术的进步,2020年的大规模生产步伐越来越接近钙钛矿太阳能电池预计成为光伏产业的“扰流板”。

十年磨剑

太阳能电池是通过光电效应或光化学反应将光能直接转换成电能的装置。从结构的观点来看,太阳能电池通常由多层材料堆叠,并且用作光吸收层的层称为吸收层。太阳能电池也根据吸收层的材料特性命名。例如,晶体硅太阳能电池的吸收层是单晶硅或多晶硅;薄膜太阳能电池的吸收层通常是厚度为几微米的薄膜材料;钙钛矿太阳能电池吸收层是钙钛矿。

1883年,美国发明家查尔斯弗里茨成功制造出第一个人体太阳能电池硒涂层薄金半导体/金属结太阳能电池,其光电转换效率仅为1%左右。 1954年,美国贝尔实验室的Pearson,Fuller和Chapin开发出第一个晶体硅太阳能电池,其转换效率达到4.5%,开启了太阳能发电的新纪元。

在过去的半个世纪中,太阳能技术的发展经历了三个阶段:第一代太阳能电池主要指单晶硅和多晶硅太阳能电池,其在实验室的光电转换效率已达到25%和20.4%分别。第二代太阳能电池主要包括非晶硅薄膜电池和多晶硅薄膜电池;第三代太阳能电池主要指一些转换效率高的新概念电池,如钙钛矿电池,染料敏化电池,量子点电池,有机太阳能电池等。

其中,钙钛矿太阳能电池的进展是最受关注的。应该解释的是,钙钛矿材料是以俄罗斯矿物学家Lev Perovski的名字命名的。首先发现的钙钛矿材料是钙和钛的复合氧化物。后来,钙钛矿的概念得到了极大的扩展。它没有具体涉及钙 - 钛复合氧化物,而是用于指具有ABX3化学式的一系列化合物。这里,A可以是有机分子基团,例如甲氨基。基团和B可以是铅原子(也可以是锡原子),X通常含有卤素原子。

在太阳能电池领域,通常使用有机 - 无机复合钙钛矿。钙钛矿通常用作太阳能电池的吸收层。在暴露于阳光之后,钙钛矿吸收光子并产生电子空穴对。电子带负电,可以认为空穴带正电。当阳光照射到孔对上的这些电子时,形成光电流。

钙钛矿首次应用于电池的是日本横滨大学教授Akihiro Kojima。 2009年,他首先使用钙钛矿结构的有机金属卤化物(CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3)作为染料敏化太阳能电池的光吸收层,实现了3.8%的转换效率。后来,由于液体电解质,钙钛矿材料非常快速分解,因此电池效率迅速降低。但研究人员很快意识到钙钛矿擅长吸收阳光和携带电力。

通过这种方式,钙钛矿太阳能电池诞生了。

稳定性成为瓶颈

经过十多年的发展,钙钛矿太阳能电池的实验室光电转换效率已达到27%,引领太阳能电池产业。

换句话说,由钙钛矿制成的太阳能电池可将约1/4的太阳光直接转换成电能。

从光电转换速度的角度来看,钙钛矿也具有明显的优势。以市场份额最高的多晶硅太阳能电池为例。 1985年,多晶硅太阳能电池的实验室转换率约为15%,2004年达到20.4%;那么转换率略有提高,但是很小。

相比之下,2009年钙钛矿太阳能电池的实验室转换率为3.8%。今天,实验室中小面积设备的转换率(几平方毫米的面积)为22%至23%,效率提升率惊人。继续改进。

在全球范围内,Oxford PV的太阳能电池转换效率处于最前沿。其钙钛矿层压电池的光电转换效率达到了28%的世界纪录,也超过了26.7%的单晶硅电池效率记录。与此同时,Oxford Photovoltaic的钙钛矿层压电池技术路线图表明其光电转换效率将超过30%。

应当注意,目前,具有高转换效率的钙钛矿太阳能电池的尺寸是实验室水平,但随着电池尺寸的增加,光电转换效率将降低。

从成本的角度来看,钙钛矿太阳能电池由于其高光吸收能力,对杂质的不敏感性和生产过程中的低能耗而具有大的吸收能力。

研究表明,钙钛矿电池吸收的光量是传统太阳能电池的100倍,因此钙钛矿电池仅使用1/100的厚度来产生相同的能量输出,从而减少了所需材料的数量。并且产生的电压更高,这也增加了能量输出。

同时,钙钛矿材料对杂质不敏感,纯度约90%的钙钛矿材料可用于太阳能电池,效率大于20%。结晶硅材料对杂质非常敏感,并且必须具有超过99.9999%的纯度才能用于制造太阳能电池。

由于钙钛矿材料可以溶解在普通溶剂中,钙钛矿组分可以通过溶液涂覆工艺生产,并且整个生产工艺温度不超过150度。晶体硅材料的晶锭和电梯需要处于1500°C以上的温度,并且可以想象能耗差距。

不同材料系统的成本差异体现为:每立方米晶体硅太阳能电池的成本为500~700元,每平方米薄膜太阳能电池的成本为1300~1400元,每平方米的估算成本钙钛矿太阳能电池的价格低至100元。

尽管转换效率高且成本低,但钙钛矿太阳能电池由于稳定性差而面临寿命短的问题,这也是其最致命的弱点。

由于钙钛矿太阳能电池对潮湿环境敏感,因此在暴露于潮湿空气时会迅速分解。即使是昼夜温差引起的水蒸气也可能对它们造成损害,因此必须采用防水包装。

目前,钙钛矿电池已经历了小时的连续光照实验。根据日平均日照时间4小时,钙钛矿电池的理论寿命为6。8年。考虑到实际日照时间和日损耗,钙钛矿电池正常寿命应小于6。8年。与硅电池的理论寿命相比,25年来,仍然存在很大差距。

幸运的是,自2016年以来,随着新型多离子杂化钙钛矿材料的应用和缓冲材料的逐渐矿化,钙钛矿太阳能电池的工作寿命在实验室中稳步增加和持续。 1000小时的工作衰减小于5%。

预计2020年将实现量产

目前,钙钛矿太阳能电池正处于大规模生产的前夕。

在过去的十年里,世界顶尖的科研机构和大型跨国公司,如牛津大学、瑞士洛桑联邦理工学院、中国科学院、南方科技大学、日本松下,夏普、东芝等公司投入大量人力和资源,实现了钛矿石太阳能电池的大规模生产。

件确立。

件下,菲奥纳光电的钙钛矿太阳能组件每瓦的成本将低于1元。

除了光纤到纳米光伏,中国的私人能源集团GCL集团和英国牛津光伏公司已经提出了大量生产钙钛矿太阳能电池的时间表。

今年2月,GCL集团下属子公司苏州GCL纳米技术宣布在钙钛矿光伏组件技术上取得突破。GCL Nano率先建设了10MW级大型钙钛矿组件的中试生产线,完成了相关材料合成和制造工艺的开发,并开始建设100兆瓦的生产线。计划到2020年实现钙化。钛矿石光伏组件的商业生产。

据报道,GCL纳米10兆瓦中试生产线生产的钙钛矿光伏组件尺寸为45厘米×65厘米,光电转换效率达到15.3%。这是全球最大的钙钛矿光伏组件面积,也是大面积钙钛矿组件的最高价值。

GCL Nano的100兆瓦生产线正在建设中,将模块面积扩大到1 m×2 件下,100兆瓦生产线钙钛矿光伏组件的成本预计低于1元/瓦,大规模生产组件的使用寿命将超过25年。当生产能力扩大到超过1吉瓦时,钙钛矿部件的制造成本将进一步降至每瓦0.7元左右。

在国外,今年3月,Oxford Photovoltaic从其最大股东Meyerberg 200兆瓦的异质结生产线,用于钙钛矿电池的试生产,最终将位于牛津的Havre河边缘2020年。勃兰登堡工厂的试点运营。 Oxford PV将该系列电池转换率的初始目标设定为27%。

有理由相信,2020年将成为人类光伏发电史上的转折点。

主编:李昂