《钙钛矿电池再突破,效率高达21%》

  • 来源专题:能源情报网信息监测服务平台
  • 编译者: guokm
  • 发布时间:2021-03-03
  • 钙钛矿型太阳能电池,是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池,属于第三代太阳能电池,也称作新概念太阳能电池。

      作为新型电池,钙钛矿电池最大的特点就是不需要用到硅,作为主流电池重要原料之一,硅料在过去的十多年时间里有涨有跌,但总体是呈现下降趋势。尤其是近年来我国掌握了高纯晶硅的核心技术,并积极扩产提高了国产化程度。

      但在2021年,硅料可能再一次成为组件企业的“香饽饽”,2020年四季度的多个长单巨额合同。基本上把保利协鑫、通威股份等企业的大部分产能锁定,头部效应进一步加强,而其他二线组件企业,可能就会陷入“有钱没硅”的困境。

      不过,这种情况也许会让本次钙钛矿电池得到发展,尤其是一些实验室产品进入小规模量产阶段。

      近期,华东理工大学的科学家们开发出了第一种不需要掺杂剂就能达到高电荷迁移率和稳定性的有机空穴传输层,性能较为优异。在经过观察后,发现含有新型空穴传输材料的钙钛矿太阳能电池的功率转换效率超过21%。相比硅太阳能电池基本不落下风。

      如这种新型材料可以保持稳定性和寿命的话,或许吸引一些组件企业的兴趣。

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    • 编译者:guokm
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    • 在米兰举行的第八届世界光伏能源转换大会(WCPEC-8)上,欧洲Solliance合作机构TNO、TU Eindhoven、Imec 和 TU Delft宣布,他们已经实现了一项非凡的壮举:四端钙钛矿/硅叠层太阳能电池通宵效率认证,首次超越了30%的效率极限障碍。 晶硅电池的理论效率在30%以下,因此打破30%的效率障碍可能是利用光伏来加速能源转型和提高能源安全的一大步。Solliance各成员一直在联手推动钙钛矿/硅叠层太阳能电池的转换效率,希望超越当今商用光伏组件的极限,因为高效率会使每平方米占地的组件功率更高,每千瓦时的成本更低。此外,实现高功率密度可以让这些太阳能电池在BIPV应用上创造更多机会,有更多建筑的表面可以被光伏组件覆盖。 目前新兴的电池结构都钙钛矿/晶硅叠层,因为叠层可以更好地利用太阳光谱,可以达到比单结太阳能电池更高的效率。叠层结构的顶部和底部电池彼此独立运行,让应用不同的底部电池成为可能。商业PERC技术以及异质结或TOPCon等高端技术,甚至CIGS等薄膜技术可以在4段子叠层设备中实施,几乎不需要对太阳能电池进行任何修改。 在Solliance开发的四端子 (4T)结构中,来自荷兰和比利时的研究人员已成功将面积为3×3 mm 2的半透明钙钛矿电池的效率提高到19.7%,并获得 ESTI(意大利)认证。该电池使用先进的光学和电学模拟,指导优化实验室模拟,钙钛矿电池具有高度透明的背接触,允许超过93%的近红外光到达底部设备。 下层的硅器件是一个20×20-mm2宽异质结太阳能电池,具有优化的表面钝化、透明导电氧化物和镀铜前触点,用于最先进的载流子提取。光学堆叠在钙钛矿下方的硅器件就为总太阳能转换贡献了 10.4% 的效率点。结合起来,这种非区域匹配的4段子串联设备独立运行的转换效率为30.1%。 此外,将这种高度透明的钙钛矿电池与背接触(金属包裹和叉指背接触电池)以及TOPCon 太阳能电池等其他硅基技术相结合,也能实现接近30%的转换效率。这证明了高度透明的钙钛矿太阳能电池的潜力及其与已经商业化的技术相结合的灵活性。
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    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心—领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2022-02-22
    • 华东师范大学教授方俊锋团队与中国科学院宁波材料技术与工程研究所副研究员李晓冬合作,在《科学》杂志发表论文,介绍了他们在反型钙钛矿太阳能电池研究方面的最新成果。 “(该研究)创造了新的反型钙钛矿电池效率世界纪录,转化效率首次实现大于24%。”《科学》杂志审稿人评价说。 另一位审稿人则认为,该研究突破了反型器件效率低这一长期困扰钙钛矿电池发展的瓶颈,为钙钛矿电池研究开辟了新的思路与方向。 有望实现低成本光伏发电 在全球气候变化和“双碳”目标下,光伏技术发展受到世界各国的广泛重视。钙钛矿太阳能电池成本低、效率高,被认为是最有希望实现低成本发电的新型光伏技术之一。 钙钛矿太阳能电池是利用钙钛矿型“有机—金属卤化物杂化”半导体作为吸光材料的太阳能电池,属于第三代太阳能电池,也被称为新概念太阳能电池。 “钙钛矿电池分为正型N-I-P电池和反型P-I-N电池。相对正型,反型钙钛矿电池有其自身优势,可低温制备、工艺简单、稳定性好,同时能与晶硅电池兼容,实现叠层电池的制备。”方俊锋告诉《中国科学报》,反型钙钛矿/晶硅叠层是钙钛矿电池商业化应用的路径之一。 此外,反型钙钛矿电池无需使用具有光催化活性的TiO2以及掺杂的有机空穴传输层,光照下的输出稳定性更好,因此更具发展潜力。 “尽管反型器件具有诸多优势,但目前高效率的钙钛矿电池基本上都是正型器件。正型钙钛矿电池效率已达25%,而反型钙钛矿电池的最高效率仍维持在22%~23%。”方俊锋说,“因此,如何缩小正反型器件效率差距,实现高效稳定反型器件的制备,一直是钙钛矿电池研究领域的焦点和难点问题。” 电池效率创新高 经过反复实验论证,该课题组采用构筑表面异质结、提高器件内建电场的思路,首先在钙钛矿表面旋涂上吡啶—2—羧酸铅制备富铅层,随后用高反应活性的六甲基二硅硫醚进行硫化,原位形成PbS-I层,实现钙钛矿表面费米能级的上移和能带弯曲,从而在钙钛矿界面处引入额外背场,构建出高效的界面异质结,在抑制界面复合的同时,还能显著提高器件开路电压。 基于此方法,研究人员用稳定性好的含羧酸基团聚噻吩衍生物作为空穴传输层,富勒烯衍生物PCBM作为电子传输层,首次将反型钙钛矿电池的转化效率提高到24%以上。 “通过构筑性能优异的界面异质结,使钙钛矿表面的费米能级上移,从而在界面处引入一个额外电场,抑制界面复合,是实现反型电池高效率的主要原因。”该论文第一作者李晓冬对《中国科学报》说。 实用化指日可待 除了提高反型钙钛矿电池的转化效率,该研究还实现了电池稳定性的大幅提升。 “对于所有太阳能电池来说,没有稳定性就无法实际应用。”李晓冬说,“对钙钛矿电池来说,稳定性格外重要,这也是目前制约钙钛矿电池走向商业化的瓶颈。” 研究人员发现,Pb-S键强度远高于钙钛矿中的Pb-I键,可以有效抑制老化过程中钙钛矿的衰减,同时Pb-S键与钙钛矿的晶格参数接近,能够进一步稳定钙钛矿的晶体结构,从而实现电池稳定性的大幅提升。 实验表明,利用Pb-S键,电池经过2200小时的高温(85℃)加速老化测试,其效率仍可以保持在初始值的91.8%。光照下(55℃±5℃),经过1000小时的连续最大功率输出加速老化测试,效率也能稳定在初始值的90%以上。 “这为反型钙钛矿电池研究提供了一个新的思路与方向。”方俊锋说,“通过合理优化设计,反型钙钛矿电池完全可以实现兼具高效率和高稳定性。” 业界认为,钙钛矿电池作为当前最具潜力的新型光伏技术,在国家宏观政策、产业界的支持以及科研人员的配合下,极有希望走向大规模商业应用。 “未来将继续围绕高效稳定的反型钙钛矿电池展开深入研究,探索构建高效界面异质结的新方案,进一步提升器件效率和稳定性。”谈及这项研究的应用前景,方俊锋说,“我们也会开展一些大面积钙钛矿电池模组研究,推动钙钛矿电池走向实用化。”