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这种光伏材料或将代替晶硅,成为太阳能电池“新宠”

2019-04-29 08:31
前沿材料
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光伏材料又称太阳能电池材料,是指能将太阳能直接转换成电能的材料。晶硅作为最主要的传统光伏材料,其市场占有率达90% 以上。1976 年出现新型薄膜太阳能电池,涉及材料包括硫化镉、砷化镓、铜铟硒等,光电转换效率可达18%。然而,自2009 年以来,有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池因其简易的制备方式和优异的光电性能备受关注,光电转换效率在短短几年内就由3.8% 上升至22.1%,显示出极大的应用潜力。因此钙钛矿成为目前最为先进的一种光伏材料。

这种光伏材料或将代替晶硅,成为太阳能电池“新宠”

钙钛矿简介

与传统的太阳能电池不同,钙钛矿太阳能电池采用有机金属卤化物作吸光材料,这也是钙钛矿太阳能电池的核心材料,代替了染料敏化太阳能电池中的染料分子和有机薄膜太阳能电池中的吸光层。目前在高效钙钛矿太阳能电池中,最常见的钙钛矿材料为碘化铅甲胺(CH3NH3PbI3),其带隙约为1.5 eV。因此,从广义上讲,钙钛矿太阳能电池使用了具有钙钛矿晶体结构的有机金属卤化物的一种太阳能电池技术

钙钛矿太阳能电池优缺点简析

钙钛矿太阳能电池的原材料储量丰富,制备工艺简单,有利于商业化生产。其中,钙钛矿层具有低的结晶能,可以通过低温液相法或气相沉积法得到缺陷密度低的高质量纳米晶薄膜。此外,可以通过改变材料的组分来调节带隙宽度,从而满足不同的使用场景。因此,与现有的成熟晶硅太阳能电池技术相比极具优势,也为钙钛矿太阳能电池的商业化应用带来了乐观的前景。

当然,钙钛矿太阳能电池也有自身的缺点。这种有机金属卤化物钙钛矿晶体结构不稳定,对湿度、紫外光和温度等环境因素敏感。在室外环境中老化数日就显著分解,未封装的器件性能也随之衰减;目前转换效率较高的钙钛矿太阳能电池的尺寸均为实验室级别,随着电池尺寸的增加,其光电转换效率会随之下降;钙钛矿太阳能电池中一般都含有铅元素,对人体和环境都有极大的危害。

受限于该材料自身的缺点以及大面积器件光电转换效率较低等因素的制约,目前钙钛矿太阳能电池仍以实验开发完善为主,少有几个国内外的公司正在尝试钙钛矿太阳能电池的产业化生产及应用。

相关产业分析

成熟的钙钛矿太阳能电池技术的发展可以替代现有的晶硅太阳能电池,而其特有的柔性更拓宽了电池的应用领域。以简单的钙钛矿太阳能电池发电薄膜为例,可以广泛地用于手机、电脑、野外设备中作为移动补充电源,代替目前的太阳贴膜用于汽车中作为移动发电电源,以及代替建筑用玻璃贴膜作为建筑光伏使用。

以汽车用太阳贴膜为例,中国现有各类机动车2 亿多辆,其中家庭用小汽车约1.07 亿辆,到2020 年会增加到约1.5 亿辆,每辆车需用的太阳贴膜面积约3 平方米,因而其市场规模可达900 亿元人民币。到2020 年中国建筑面积会接近900 亿平方米,若其中窗户面积的20% 贴上太阳能薄膜进行发电,则市场规模在200 亿元人民币。

如果以平均年日照时间2000 小时计,仅用于建筑玻璃上的太阳能电池薄膜每年就能发电7200 亿度(太阳能电池薄膜的效率按10% 计算),相当于每年节约电费约4300 亿元,节约标准煤近3 亿吨,减少碳排放量7.2 亿吨。下表列出了钙钛矿太阳能电池的产业链。

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国外研究进展

钙钛矿太阳能电池作为新型光伏器件,近年来受到了国际上的广泛关注,掀起了科学家们的研究热潮。分析国外研究机构和大型生产企业的动态可见,钙钛矿太阳能电池的商业化生产已成为不可阻挡的趋势。随着技术日益成熟和工艺日趋完善,商业化生产和技术的不断革新交替进行是国外对于钙钛矿太阳能电池市场推进的主流方式。

国内研究进展

近年来,我国在钙钛矿领域的研究也紧跟国际趋势,涌现了优质的高校实验团队和少量致力于将钙钛矿太阳能电池商业化应用的科技型公司。在该领域的进展表明,无论是科研院校还是高新技术企业,都将钙钛矿太阳能电池性能的提升作为研究热点,并没有明确该材料的商业开发方向,使得我国目前的钙钛矿太阳能电池依然停留在科研领域。

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现状分析

目前,钙钛矿太阳能电池仍以科学研究为主,国内的研究与产业化推进几乎与国外同步展开,并取得了显著进步。国内很多团队的研究水平达到国际先进水平,太阳能电池的效率超过20%。甚至某些研究方向居于国际领先,比如,具有更好热稳定性的全无机钙钛矿太阳能电池,国内多个团队实现光电转换效率12% 以上。

然而,对比国内外的发展趋势,我们可以看到有明显的不同。国外的研究团队注重于生产工艺的改进、新型原材料的开发,为了早日实现钙钛矿太阳能电池的商业化生产,学者和企业大多致力于优化生产工艺,提高产品一致性;开发新型空穴传输材料,降低成本;研究先进的硅基叠层太阳能电池技术,生产高效的串联太阳能电池;在提高转换效率的同时,延长钙钛矿电池的使用寿命;同时,国外相关企业的研究也更注重于实现钙钛矿太阳能电池的工业生产,甚至不惜小幅度地牺牲转换效率以提升电池的综合性能。相对而言,我国对于钙钛矿太阳能电池的研究主要集中于电池转换效率的提升和电池组件有效面积的扩大,而对于电池商业化生产急需解决的成本、工艺、寿命等问题关注较少,这也是我国钙钛矿太阳能电池产业较少发展较慢的主要原因。

作者:国家新材料产业发展战略咨询委员会(简称“材料委”)

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