当前,大多数常用的太阳能电池都是以硅材料为基础制成的,因为硅这种材料可以将太阳能转化为清洁的电能。但是,制造硅的过程却并不清洁,需要大量来自电厂的能量,而这些电厂又产生了大量二氧化碳排放。

为了使用更环保的材料替代硅,研究人员将重点放在了钙钛矿薄膜上。钙钛矿薄膜是一种低成本的柔性太阳能电池,不仅可以用最少的能量生产,而且几乎没有二氧化碳排放。

尽管钙钛矿太阳能电池的应用前景十分广阔,但在得到大规模应用之前,仍面临着一些重大挑战。特别是它们本身的不稳定性,使得它们难以大规模量产。

图 | 钙钛矿太阳能电池(来源:Medium)

近日,来自斯坦福大学(Stanford University)、美国国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory)研究人员组成的科研团队,在钙钛矿太阳能电池量产方面取得了突破性研究。

在这项工作中,研究人员展示了一种可以快速、稳定生产钙钛矿电池的新方法,并将所制造的钙钛矿电池组装成太阳能模块,为设备、建筑物甚至电网供电。这项工作以“Rapid Open-Air Fabrication of Perovskite Solar Modules”为题,在线发表在 Cell Press 旗下科学期刊 Joule 上。

(来源:Joule)

对此,论文作者之一、斯坦福大学博士后 Nick Rolston 表示:“钙钛矿太阳能技术正处于可商业化与崩盘之间的岔路口,数百万美元已经投向许多钙钛矿初创企业中,但在未来三年中,如果没有在延长电池寿命方面实现突破,这些钱就会慢慢烧完了。”

“这就是为什么他们团队开发的新型钙钛矿制造工艺如此令人兴奋的原因。” Rolston 补充道。

快速制备方法问世

钙钛矿太阳能电池是由廉价、存量充足的化学物质(如碘,碳和铅)制成的合成晶体薄膜。

这种薄膜电池重量轻、可弯曲,并且可以在露天实验室中以接近水沸点的温度下生长,而这与精炼工业硅通常所需的 3000 华氏度(1650 摄氏度)相差甚远。

科学家目前开发出的钙钛矿电池,可以将 25% 的太阳能转化为电能,尽管这种转换效率可以与硅材料相媲美,但这些实验电池并不能很快被应用到屋顶上。

Rolston 表示:“大多数有关钙钛矿的研究工作都只是涉及到体积很小的可用太阳能电池,如小拇指指甲盖大小一般。”

在尝试制造更大的电池时会产生缺陷和针孔,从而大大降低电池效率。与持续 20-30 年的刚性硅电池不同,薄膜钙钛矿在受热和受潮时会降解。

图 | 指甲大小的钙钛矿材料(来源:Printed Electronics World)

Dauskardt 表示:“人们可以在实验室中制造一个小型演示设备,但传统的钙钛矿加工还无法快速、高效地进行生产。”

为了应对大规模量产这一挑战,研究人员采用了他们最新发明的一项专利技术,即快速喷射等离子体处理技术(rapid-spray plasma processing)。

这项技术使用带有两个喷嘴的自动化设备来快速生产钙钛矿薄膜。其中,一个喷嘴将钙钛矿化学前体所需的液体溶液喷涂到一块玻璃板上,另一个喷嘴释放一种等离子体高活性电离气体。

图 | 钙钛矿薄膜制造过程(来源:Nick Rolston)

Rolston 表示:“采用传统工艺制备方法,需要将钙钛矿溶液烘烤大约半小时,我们的创新之处在于使用等离子体高能源(plasma high-energy source),在一个步骤中快速将液体钙钛矿转化为薄膜太阳能电池。”

通过快速喷涂工艺,斯坦福大学的研究团队可以每分钟生产 40 英尺(12 余米)厚的钙钛矿薄膜,大约比制造硅电池的速度快 4 倍。“我们实现了所有太阳能生产技术中的最快产出速度,人们可以想象将大块玻璃板放在辊子(roller)上,并以前所未有的速度生产钙钛矿薄膜。” Rolston 说。

除了突破创纪录的生产率,新制造的钙钛矿电池还实现了 18% 的能量转换效率。

对此,Rolston 表示:“我们希望使这个制造过程被最大化地应用。尽管等离子体处理系统听起来可能很新颖,但它确实能以非常合理的价格买到。”

研究人员估计,他们的钙钛矿薄膜的制造成本约为 25 美分/平方英尺,这远远低于生产典型硅模块所需的成本(2．5 美元/平方英尺),可以说便宜 100 倍。

全新的太阳能组件

硅太阳能电池通常在封装模块中互相连接,以提高其转换效率以及承受恶劣天气条件的能力。同样地,为实现商业化,钙钛矿太阳能电池的制造商最终也不得不构建稳定、高效的封装模块。

为此,研究人员成功制造了钙钛矿封装模块。即使被搁置 5 个月之久,这种封装模块也能以 15．5% 的太阳能转换效率运行。

图 | 钙钛矿太阳能电池组件(来源:Nick Rolston)

传统的硅太阳能电池发电成本约为 5 美分/千瓦时。为了与硅电池竞争,钙钛矿模块必须封装在防潮层中,并且至少要能防潮 10 年。研究团队现在正在探索新的封装技术和其他方法来提高钙钛矿太阳能电池的耐用性。

“如果我们能制造出一个能持续 30 年的钙钛矿组件,那么我们就可以将电力成本降低到 2 美分/千瓦时以下。当成本达到这个数字时,我们就可以使用钙钛矿进行实用规模的能源生产,比如建设一个 100 兆瓦的太阳能发电场。” Rolston 说。

未来,随着技术的不断发展与突破,新型太阳能电池也将会实现大规模的落地应用,人类将最终受益于这种更高效、更环保的能源转换方式。