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钙钛矿电池距离商业化还有多远

科技日报 2022-09-21 09:53:50

钙钛矿电池,自“出生”就“天赋异禀”,得到了广泛的关注。其不仅可以做得更加轻薄,还具有低成本和易制备的优点以及弱光效率高的优势。

光伏电池是一种通过光电效应将太阳能转化成电能的装置,具有广阔的发展和应用前景。钙钛矿太阳能电池(以下简称钙钛矿电池)作为一种新型的光伏电池,也在近年逐渐崭露头角。近日,科技部等九部门联合印发《科技支撑碳达峰碳中和实施方案(2022—2030年)》,也对钙钛矿电池这一新型电池有所提及。

那么,什么是钙钛矿电池?其相比传统太阳能电池有哪些不同之处?未来将有哪些应用场景?科技日报记者就此采访了多位深耕于钙钛矿电池领域的专家。

结构形似“三明治”的新型光伏电池

钙钛矿电池由染料敏化电池演化而来,指采用钙钛矿材料作为吸光层材料的电池。

作为新一代太阳能电池,钙钛矿电池工作原理与传统太阳能电池并无不同。它的结构形似“三明治”,典型结构有5层。两个电极就像三明治的两片面包分别位于最外层,由外向内挨着电极的是空穴传输层和电子传输层,而钙钛矿层则居于最中间。

当太阳光照在钙钛矿电池上,太阳光光子能量大于带隙时,钙钛矿层吸收光子产生“电子—空穴对”。电子传输层将分离出来的电子传输到负极上;空穴传输层则将与电子分离的空穴传输到正极上,进一步在外电路形成电荷定向移动,从而产生电流,实现光能向电能的转换。

北京理工大学材料学院教授陈棋这样形容钙钛矿电池的工作原理:“如果说太阳能电池本身是一间教室的话,男同学和女同学则是电子和空穴。当光照到太阳能电池,就好像下课铃响起了一样。这时,男同学就会排队从后门出来,女同学就排队从前门出来,从而形成电荷定向运动。”

钙钛矿电池有三大突出优势

钙钛矿电池因材料特殊,自“出生”就“天赋异禀”,得到了广泛的关注。

2016年《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》中就提及,要“加强钙钛矿、染料敏化、有机等新型高效低成本太阳能电池技术研发”。

重庆大学物理学院教授、博士生导师邓业浩表示,相比市场上常见的晶硅太阳能电池,钙钛矿电池有三大突出优势。

首先,钙钛矿材料本身的吸光能力强。在太阳光的主要波长下,钙钛矿材料的吸光能力可达晶硅的10倍以上。因此,在太阳能转换效率相当的情况下,钙钛矿电池可以做得更薄。“这将极大地拓展产品形式,丰富应用场景。”邓业浩说。

其次,钙钛矿电池具有低成本和易制备的优点。邓业浩说:“钙钛矿材料是一种合成材料,其原料本身没有稀有金属,并且可以通过溶液制备。因而钙钛矿材料的制造成本较低,制备容易。”

最后,钙钛矿材料还具有弱光效率高的优势。在阴天弱光的条件下,钙钛矿材料不仅可以吸收短波光,还可以将能量转化效率保持在相对稳定的状态。钙钛矿材料的这一特点使得钙钛矿电池作为一种薄膜型光伏电池,不仅可以做成单层电池,理论上还可以叠加在各种电池材料表面,形成叠层电池,从而有效提高太阳光的利用效率。

邓业浩表示,从目前实验室测得的结果来看,经过几十年发展的晶硅太阳能电池的最高转化效率为26.7%,而目前钙钛矿电池的转化效率就已经可以达到25.7%,钙钛矿电池未来可期。

走出实验室还需补齐两个短板

尽管在理论上、实验室中钙钛矿电池有相当大的优势,可是从产业化角度来看,钙钛矿电池仍处于萌芽状态。这是由于其本身存在两个短板,即稳定性较差和大面积应用时的效率损失。

首先,是稳定性较差这一问题。

陈棋表示,尽管在实验室中,钙钛矿电池可以实现较高的光电转换效率。但其在实际应用中,仍受到诸多条件的制约。

北京曜能科技有限公司董事长孙于超表示,业内正在从多方面努力,以解决钙钛矿电池面临的问题。以稳定性问题为例,解决该问题最直接的一种手段,就是针对钙钛矿材料本身的改性。即通过结构设计、元素替换、添加掺杂等手段,让材料本身变得稳定,提高材料的本征稳定性。另一种可行的手段,是通过工艺和工程手段隔绝外界的不稳定因素,即隔绝水、热等环境因素,从而减少乃至避免外界不稳定因素对于材料和器件的影响。

对此,中国科学院电工研究所太阳电池技术研究部主任王文静表示,从外围手段隔绝不稳定因素,尚需经过大量的室外验证。据了解,目前已报道的钙钛矿电池其最长工作寿命往往只能达到几千小时,远低于晶硅电池。

除了稳定性问题外,大面积应用时的效率损失问题是钙钛矿电池的另一短板。

“在效率上,其实钙钛矿电池完全可以进行商业化应用。但是如何从实验室的小面积,扩展到实际应用场景中的大面积,是其商业化需要面临的一个严峻挑战。”王文静坦言,目前实验室里制造的钙钛矿电池只有指甲盖大小,与市场需要的太阳能电池在尺寸上相距甚远。

钙钛矿材料本身的结晶时间短,生产中的工艺窗口时间只有几秒,造成了生产上的困难。除此以外,在制备钙钛矿电池的过程中,一个坏点、一个灰尘都有可能影响整个电池面板的效率,影响了其大面积应用时的效率。

“目前来看,钙钛矿电池制备技术需要解决如何让钙钛矿的薄膜更加致密平整,以及如何保证环境清洁,避免灰尘等因素干扰提升良品率两个问题。设计更为先进的制备技术,能有效保证钙钛矿电池在大面积应用时的效率。”王文静说。

我国钙钛矿光伏技术未来可期

尽管钙钛矿电池有诸多不确定性,但学界不少专家仍对其未来持乐观态度。

陈棋表示,目前我国在钙钛矿电池的学术研究和产业研究上,具有两个最大的优势:一是研究群体大,国内研究钙钛矿电池的企业、机构远比国外多;二是国内有非常巨大的产业基础,光伏市场和光伏制造业在中国呈现蓬勃之势。

“我国钙钛矿光伏技术的未来,可谓前途无量。”陈棋说。

在钙钛矿电池的未来应用方面,孙于超表示,钙钛矿技术最有价值的应用场景是在大规模光伏发电领域。钙钛矿在与晶硅结合组成叠层电池后,可以大幅提高现有光伏组件的发电效率,从而进一步降低发电成本,加快对于传统化石能源的替代,助力我国“双碳”目标实现。此外,钙钛矿电池的厚度仅为晶硅电池的千分之一,柔性轻便的特质使其具有丰富的应用场景,例如用于穿戴式发电装置、光伏玻璃建筑一体化、野外临时发电设备等,甚至可以运用于太空发电。

奋战在钙钛矿电池领域多年,孙于超和科研团队见证了钙钛矿电池从不为人知,到渐渐走入大众视野。在得知《科技支撑碳达峰碳中和实施方案(2022—2030年)》中提及“要研发高效稳定的钙钛矿电池”后,孙于超兴奋地表示:“钙钛矿电池的好时候到了!”

封面图片来源:摄图网-400105948

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责编 裴健如

原标题: 钙钛矿电池距离商业化还有多远

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