钙钛矿太阳能电池距离市场还有多远?|前沿应用
编辑:高明
审核:chen
钙钛矿太阳能电池作为第三代新概念太阳能电池代表,近年来备受关注,这得益于其具备的种种优势,譬如:它采用溶剂工艺,可以在常温下制备,生产成本大大下降;柔性好、可大面积印刷,在光伏产业的应用有着可观的前景;清洁廉价无限制,可为能源供应难题提供有效方案等等。
不仅如此,钙钛矿太阳能电池之所以成为代表,一个更加备受瞩目的优势就在于——它的原料多为液态,可以用来制备大面积柔性电池及设备,在未来或许可以应用于可穿戴智能设备上,边走路边发电!
这种在电影中才出现的镜头将来会成为日常,想想是不是就觉得很炫酷呢?但要想实现这一场景,还需解决三个难题,这也是钙钛矿太阳能电池尚未实现规模化商业生产的原因。哪三个问题呢?本次“前沿应用”栏目将带大家一探究竟~
短寿之憾
我们知道,对于电池来说,一个重要衡量指标就是使用寿命。钙钛矿电池实际生产和应用所面临的困难中,一个重要问题就是它的寿命只有短短数月,远远低于硅基太阳能电池,这也是其实现商业化面临的一个问题。
钙钛矿电池不够稳定,主要是因为钙钛矿电池对水、热、氧环境极度敏感,使得电池结构不稳定,易产生不可逆降解。要延长钙钛矿电池的寿命就要提高稳定性,目前主要有两种方法,一种是采用复合型钙钛矿材料,提高其本身的稳定性,另一种就是找到合适的添加剂物质,来抑 制钙钛矿材料的分解。
目前关于这方面的研究已经紧锣密鼓地展开。就在今年1月份,欧洲薄膜太阳能电池研究联盟Solliance,TNO,imec和埃因霍温科技大学,就报道了一种采用工业工艺(溅射镀膜,狭缝涂布镀膜,原子层沉积和基于激光的互连)制造的封装钙钛矿太阳能电池模组,该模组经受既定的寿命测试,即耐光性测试、耐湿热测试和热循环测试,具有出色的稳定性。相信未来会有更多的方法能够解决钙钛矿电池的分解问题。
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效率之痛
电池的效率是评价电池性能的另一个重要指标,在过去十年,钙钛矿太阳能电池的效率有不少提升。根据《科学》(Science)今年4月发表的一篇报道,钙钛矿太阳能电池的转换效率已经上升到26.7%,非常接近传统晶体硅太阳能电池的效率。
但事实上,钙钛矿太阳能电池的转换效率依然有很大提升空间,这是因为转化过程中,通电的载流子会因为缺陷问题被卡住,从而降低电池效率。
那么,什么是载流子寿命呢?它为何成为影响太阳能电池效率的重要指标呢?据HORIBA资 深工程师Ben Yang博士介绍,钙钛矿太阳能电池产生的电能来源于电荷的分离、迁移和重组,其中电荷可以扩散多远、游离多久,即载流子寿命,很大程度上就决定了太阳能电池的效率。载流子寿命越长,电池的效率也越高。
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既然载流子寿命如此重要,那如何提升载流子寿命呢?
精确测量是第 一步,通过不断测量找到效率低下的关键问题,进而改进。“荧光寿命测量是一种常用于表征载流子寿命的技术,通过测量载流子复合速率,进而标定电池的效率。HORIBA为测量荧光寿命研发了相应的产品。” Ben Yang博士如是说道。
DeltaFlex和DeltaPro荧光光谱仪是专门测量荧光寿命的分析仪器,它们可以监测光收集过程的效率,通过仪器搭配的TCSPC系统,研究人员可以测量重组率。另外,使用HORIBA QuantaMaster™、Fluorolog和FluoroMax®荧光光谱仪,可耦合IBH荧光寿命测试附件,测量钙钛矿中载流子传输和复合速率;同时还可耦合吸收附件,测试钙钛矿材料对不同光吸收的效率。
tips:如果您想了解更多荧光光谱仪的解决方案,点击阅读原文提交需求,我们的工程师会尽快联系您~您也可以进入HORIBA微信公众号的图书馆栏目,查看下载更多解决方案。
值得高兴的是,同样是今年4月,《自然》(Nature)杂志发表了一篇论文,介绍了剑桥大学等机构合作成果——钙钛矿材料中影响载流子寿命的“缺陷”根源。相信通过精 准的测量和缺陷根源的追溯,载流子的寿命将会一步步提升,钙钛矿电池的效率也会进一步改善。
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量产之难
实现商业化最 后一个攻关的技术点,便是“量产”。要实现大规模生产,就必须将钙钛矿从实验室搬到工厂,这是其最 终走向市场的关键。
然而目前几乎所有高效率的钙钛矿太阳能电池都是用旋涂法制备的,即将钙钛矿材料一般旋涂于金属氧化物骨架上进行制备。但旋涂法难以沉积大面积、连续的液膜,在实验室中制备,尺寸只有几厘米大小,因此无法满足工业化的高吞吐量与规模化制备的要求。这就成为钙钛矿太阳能电池量产的一个难题。
近年来,也出现了一些其他适用于规模化生产的制备方法,像是:刮刀涂布法、电沉积等等,尤其是刮刀涂布法,它的基底温度可控,因此在规模化制备高质量、大晶粒钙钛矿薄膜方法中脱颖而出。更值得欣慰的是由刮刀涂布法制备的钙钛矿太阳电池,效率也能达到20%,十分接近旋涂法制备的器件。通过不断地研究,相信未来一定能实现商业化量产。
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从上文可以看出,尽管短寿之憾、效率之痛、量产之难是制约钙钛矿太阳能电池快速走向市场的三个问题,但我们仍然对钙钛矿太阳能电池的发展前景抱有很大的期待。目前众多公司投资钙钛矿产业就是证明。相信产学研结合能够解决大规模制备技术的提升,帮助钙钛矿太阳能电池在商业化道路上大步迈进。
没有什么不可能,只要我们勇突破!现在不妨设想一下,钙钛矿太阳能电池就在我们的穿戴设备上,比如涂覆在手机表面上,那是怎样的情形呢?
我们再也不用担心手机没电了!开心吧?
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