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钙钛矿:下一个颠覆者?

2019-10-16 07:55
来源: i能源

种种迹象表明,钙钛矿似乎正以新的颠覆者的角色杀入产业,它能真正成为下一个搅动产业风云、催生商业浪潮的革命者吗?

一百多年前,法国物理学家A.E.贝克勒尔发现光生伏特效应(光伏),而后物理学规律下的太阳能电池能量转化率最高可以达到33%,此后的漫长时间里,全世界的科学家都试图接近这一理论极限。

光伏产业是能源史上技术迭代突出的产业之一,电池材料、技术在效率和效益的倒逼下不断掀起新的产业潮流。在当前太阳能电池领域,晶体硅电池称王已是不争的事实。1954年,第一块现代太阳能电池在美国贝尔实验室诞生,在硅中掺入一定量的杂质后的光电转换效率仅为6%。65年后,晶体硅电池的最高效率已经超过26%,全球的光伏电站也被蓝色的多晶硅组件和黑色的单晶硅组件瓜分殆尽。

但在物理法则下,晶体硅电池的效率提升之路正变得越来越窄。在通往其29%的极限效率终点过程中,每0.1个百分点的提升都意味着人类在科研上对一座珠峰的征服。

即便晶体硅电池在当下仍然占据着太阳能电池的王位,但在时间隧道的隐秘之处,新的光伏颠覆者似乎已经磨刀霍霍。尤为注意的是,相比而言它只用了10年时间便拿出了媲美晶体硅电池65年所取得效率的成绩单。

这个新的颠覆者就是钙钛矿电池,是晶体硅电池、薄膜电池之后的第三代光伏电池之中的突围者。

2009年,钙钛矿电池第一次面世时的效率只有3.8%,但是10年后的今天,钙钛矿电池的实验室效率便跃升至25.2%,叠加钙钛矿电池在晶体硅之上的效率更是高达28%。

来自科研界的结论显示,相比晶体硅电池,钙钛矿电池的效率上限更高,设计出的电池效率理论上可以达到33%的效率极限,而由钙钛矿电池和晶体硅组成的的叠层电池理论转换率极限更是高达43%。

“现在,实验室中钙钛矿电池已经和晶硅最高效率相当,大面积的钙钛矿电池组件的效率基本上可以做到每年提升一个半百分点,同时解决一些稳定性的问题,这样经过3~4年的时间,钙钛矿电池可以达到目前晶体硅产线的效率水平。而且,钙钛矿相比晶体硅经济性更强,所以这个时间可能会更短。”作为钙钛矿太阳能组件效率世界纪录的保持者,杭州纤纳光电科技有限公司(下简称“纤纳光电”)CEO姚冀众接受《能源》记者采访时说。

尽管钙钛矿电池目前在稳定性、大面积制备等方面还存在问题,但是其飞速提升的效率和发展前景已经让包括三峡集团、金风科技、协鑫集团、通威以及国际上的牛津光伏等能源企业大笔的投入资金。

与此同时,针对钙钛矿电池中的种种问题,中国、韩国、日本、美国、英国、瑞士等国的众多顶级科研院校近年来频频取得突破。2018年至今在《自然》和《科学》上发表的关于钙钛矿太阳能电池/LED的论文便高达16篇,其中有8篇来自中国或外籍华人之手。

资本的嗅觉是商业的风向标。种种迹象表明,钙钛矿似乎正以新的颠覆者的角色杀入产业,它能真正成为下一个搅动产业风云、催生商业浪潮的革命者吗?

实验室新宠

美国国家可再生能源实验室(NREL)是光伏世界各类产品效率比拼最权威的竞技台,2019年,这家在业内声名显赫的实验室发布了一份报告,这份报告中有一张1976年到现在的一系列光伏技术研究电池的最高确认转换效率图表,从这张表上可以看到太阳能电池技术发展最前沿的科研成果。

太阳能电池最高确认转换效率

在NREL发布的太阳能电池效率图表中,晶体硅电池技术、薄膜技术和新兴光电技术是最为人所关注的三类效率曲线,目前光伏产业中能够实现产业化应用的技术均出自这三类电池技术,分别用蓝色、绿色和黄色区分。

钙钛矿电池便是新兴光电技术的黄色区域中的一员。

1839年,德国化学家古斯塔夫·罗斯在俄罗斯乌拉尔山探险时发现了第一种钙钛矿——天然矿物钛酸钙(CaTiO ),从此以后,学术界的研究人员便把所有具有ABX 结构的晶体材料统称为钙钛矿。

2009年,日本科学家Tsutomu Miyasaka率先将钙钛矿材料用于染料敏化太阳能电池作为吸光材料,获得了3.8%的光电转化效率。自此之后,钙钛矿电池成为国内外顶尖高校实验室研究的目标。

“钙钛矿电池在稳定性和有毒物质铅方面还存在一定的问题,但是它确确实实引起了研究界的注意力。”9月4日,在第二届中澳科学未来会议上,对于钙钛矿,素有“光伏之父”之称的悉尼新南威尔士大学(UNSW Sydney)马丁·格林(Martin Green)教授接受《能源》杂志记者采访时说。

2013年12月20日,钙钛矿入选美国《科学》2013年十大科学突破。

“这种新一代太阳能电池材料在过去一年中获得大量关注,它比传统的硅电池要更便宜且更易生产。钙钛矿电池还不及商用太阳能电池那样有效,但正以飞快的速度改进。”《科学》如此描述。

在钙钛矿电池面世八年之后的2017年,Tsutomu Miyasaka又与韩国成均馆大学Nam-Gyu Park、教授牛津大学物理学Henry J. Snaith教授因共同发现并应用钙钛矿材料实现有效的能源转换,荣获化学领域2017年度“引文桂冠奖”(对遴选出的可能摘取诺贝尔奖的全球最具影响力的研究人员所颁发的奖项,自2002年以来,每年发布的引文桂冠奖已成功预测了39位诺贝尔奖得主)。此时钙钛矿电池的效率已经突破了20%。

2019年8月2日,NREL发布了最新的最高确认转换效率图表。新兴光电技术中,由韩国化学技术研究所和麻省理工学院共同创造的钙钛矿电池的最高效率达到25.2%,成为新兴光电技术中首个超越第二代薄膜电池(最高效率为铜铟镓硒电池的23.4%),挤入晶体硅电池最高效率行列的三代光伏电池技术。

2019年6月,科技部发布《国家重点研发计划“可再生能源与氢能技术”等重点专项2019年度项目申报指南》,其中在太阳能行业便率先提到了开展稳定大面积钙钛矿电池关键技术及成套技术研发。关键指标方面要求大面积钙钛矿光伏电池效率≥19%(面积>20cm×20cm),室温25℃,AM1.5光照1000小时后,效率衰减≤10%。

目前,钙钛矿电池25.2%的最高效率是在实验室取得的,电池面积小于1cm ,且属于非稳态。但伴随着实验室成果的持续突破,钙钛矿电池正在走出象牙塔,向着更大面积、更加稳定的产业化要求进击。

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