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新型太阳能能源——钙钛矿太阳能电池

发布时间:2021-11-26 来源:元禄光电

清洁能源背景

党的十六大召开以后,我国的未来发展目标是实现我国人民的小康生活水平,并且实现我国社会的可持续发展战略。要想实现可持续发展这一目标,主要是对环境的保护问题。我国的发展一直都是以牺牲自然环境和人们的生活环境为代价的。可持续发展主要是对现在常规能源的减少使用减轻他们对环境的影响,积极开发新能源。开发新能源成为了我们要保护环境的必须之路,所以我们必须提高我们利用新能源的科技水平。使用新能源的道路可能并不像我们想像的那么容易,但为了我们的子孙后代可以生活在良好的环境下,这是我们必须要做的事。

 

清洁能源的准确定义应是:对能源清洁、高效、系统化应用的技术体系。对清洁能源的定义蕴含着三层的意思。一,清洁能源不仅仅是对能源的一个简简单单的分类,而是指对能源的利用方面,它是一个技术体系。二,清洁能源不仅仅只强调它的清洁性,对环境的污染小,更重要的是它的经济性。三,清洁能源的清洁性必须是符合国家规定的排放标准

 

目前我国主要的集中清洁能源包括:洁净煤技术、核电、太阳能、风能、水能、地热能、潮汐能、生物质能。

 

其中光伏太阳能作为一种不可或缺的可再生能源技术,被广泛应用,2019年我国经济总量逼近100万亿元大关,光伏产业贡献巨大,占新能源总贡献约17%。截止20216月底,我国累计光伏并网容量为267.086GW,其中,集中式光伏电站180.032GW,分布式光伏电站87.054GW。目前主流的光伏太阳能电池为晶硅电池、碲化镉电池、砷化镓电池等,根据科研人员统计,目前主流的电池,从生产到商业化产生清洁能源,需要三年回收整个电池生产过程中消耗的能源成本,为进一步环节清洁能源问题,新型的钙钛矿电池应用而生,据统计钙钛矿电池从原材料生产到商业化产生清洁能源所消耗的能源成本回收仅需六个月;根据科研人员的统计,从能源成本考虑,钙钛矿电池15%的转换效率即可比拟晶硅电池20%的转换效率。低成本、高转换率的新型钙钛矿电池技术发展势在必行。另一方面,钙钛矿电池是具备中国完全独立自主的知识产权的背景,为钙钛矿电池的推行具备了政策性优势。

 

什么是钙钛矿电池

钙钛矿是以俄罗斯地质学家列夫 · 佩罗夫斯基 ( Lev Perovski )的名字命名的,其结构通常有简单钙钛矿结构、双钙钛矿结构和层状钙钛矿结构。简单钙钛矿化合物的化学通式是,其中X通常为半径较小的或,双钙钛矿结构( Double-Perovskite) 具有 组成通式,层状钙钛矿结构组成较复杂, 研究较多的是具有通式以及具有超导性质的和三方层状钙钛等。研究最多的是组成为的钙钛矿结构类型化合物。

 

钙钛矿是指一类陶瓷氧化物,其分子通式为ABO3 ;此类氧化物最早被发现,是存在于钙钛矿石中的钛酸钙(CaTiO3)化合物,因此而得名  。由于此类化合物结构上有许多特性,在凝聚态物理方面应用及研究甚广,所以物理学家与化学家常以其分子公式中各化合物的比例(1:1:3)来简称之,因此又名“113结构。呈立方体晶形。在立方体晶体常具平行晶棱的条纹,系高温变体转变为低温变体时产生聚片双晶的结果。

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钙钛矿电池结构

目前主流的钙钛矿电池结构主要包括介孔钙钛矿电池以及平面式钙钛矿电池,未来的方向是叠层钙钛矿电池(钙钛矿-钙钛矿叠层/钙钛矿-硅基叠层技术)。

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钙钛矿电池优缺点

优点:

钙钛矿电池具备廉价的材料成本、低能耗、工艺制程简易,超高转换率的优势。

该研究的领导者、宾夕法尼亚大学能源创新研究中心联合主任安德鲁˙阿姆表示,以新式钙钛矿为原料制造的太阳能电池能将大约一半的太阳光直接转化为电力,为目前硅晶电池的2倍,因此,只需一半太阳能电池就可提供同样的电力,这将大大减少安装成本,从而让总成本显著降低。目前,德国海姆霍兹柏林材料所(HZB)开发出29.1%效率的钙钛矿-硅层叠钙钛矿电池。钙钛矿电池领域光电转化率前景巨大,可创造的商业空间、能源空间前景广阔。

缺点:稳定性较差,主要体现在三个方面,一是水的稳定性、二是温度稳定性、三是离子移动相关稳定性,从而影响电池的寿命;另一方面的缺点在于材料含铅,具有一定的毒性,不过相比较于含砷、镓、碲、镉材料的毒性就小很多。

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钙钛矿电池与传统太阳能电池对比

钙钛矿电池目前制约条件

钙钛矿电池的优点是高转换率,缺点是稳定性差,如何来通过材料等各方面技术提升来提高稳定性问题需要科学人员进一步探索,那么另外一点,也可以通过封装技术来提高电池的使用寿命。

我们都知道晶硅太阳能电池的稳定性上也是受到不少的诟病,目前市场上通过五层玻璃进行加固封装来提升电池的寿命,那么同样可以在封装方向上通过技术手段进行封装来延缓电池的寿命问题。

第二点是钙钛矿电池的制程问题,目前制约条件是如何确保印刷或真空镀膜或旋涂过程中保证大尺寸的钙钛矿电池制作,并能有效保证材料的一致性问题以及如何封装问题需要进一步寻找可靠的解决方案。

激光在钙钛矿电池领域的应用

主要体现在三个方面,一是刻蚀划线、二是钙钛矿电池烧结、三是钙钛矿电池封装。

刻蚀划线:主要是应对导电层、钙钛矿层、电极层刻蚀、划线以及清边处理;

烧结:利用激光技术对钙钛矿电池表面进行烧结,从而提高电池的寿命及稳定性问题;

封装:通过激光焊接技术对玻璃进行焊接,提高电池的寿命问题。

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钙钛矿电池应用前景

钙钛矿电池具备的低成本、高光电转换率为商业应用开辟了新的应用空间,未来光伏太阳能领域的领导者,与传统晶硅电池相比,6个月内回收能源成本,为未来的商业化应用创造了巨大的利润空间,超高转换率为更多信息应用开辟了新思路,轻便化产品让钙钛矿电池贴近民生生活领域,商机无限。

钙钛矿电池应用主要体现在几个方面:

1.传统光伏电站领域,与传统硅晶电池相比,转换率高,成本低,相同面积下的电池创造更高的经济价值;

2.可携带产品领域,钙钛矿电池光电转换效率高,可在柔性PET/PNT等基材上制成电池模组,为可穿戴产品、移动端、背包等可移动式充电提供了坚实的基础,贴近民生生活领域创造了广泛的商业机会;

3.汽车领域,新型汽车调光玻璃已投放市场,新能源汽车也早已走向千万家,新型的钙钛矿电池薄膜电池汽车也将会成为下一个风口;

4.外太空领域,人类探索宇宙的步伐正在亦步亦趋的稳步前行,新型钙钛矿电池已在外太空测试过太阳辐射造成的影响并已通过验证,高转换率低成本将会成为探索太空领域的宠儿;

5.建筑领域,科技狂人马斯克的solarcity已开辟先驱,为建筑行业开辟了新的光伏应用战场,高转换率低成本的钙钛矿电池必将拥有一席之地;

5.其他更包括了室内传感器、医疗、飞机制造等更多领域开创商机,未来的钙钛矿电池商机无限。

钙钛矿电池现状

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目前各大研究所及企业均已纷纷进入,已开始小批量试制进入市场,如英国Oxford Photovoltaics、瑞士Solaronix、澳大利亚Dyesol、以色列3G solar、德国巴斯夫BASF、日本索尼等等,国内包括华为、宁德时代、比亚迪、长城汽车、协鑫光电等等。整体的行业有国内企业公布的光电转换率高达25%,目前整体上均处在赛道上,谁家取得先机,谁将成为市场的引导者,未来可期!

 

来源:武汉元禄光电技术有限公司  www.whlasers.com


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