鈣钛礦光伏進(jìn)展

發(fā)布時(shí)間:2023-03-28

一、太陽能(néng)光伏技術概況

  太陽能(néng綠章)光伏技術起(qǐ)源于美國(guó),歐美及日韓等國(guó)起(q什得ǐ)步較早,在技術和資源方面(mi路商àn)具有較大的先發(fā)優勢。

  1954年,美國(guó)貝爾實驗室研制了第一影飛塊晶體矽太陽能(néng)電池,開(kāi)啓了太陽能(néng)光伏發內厭(fā)電新紀元。此後(hòu),太陽能(néng)歌下電池發(fā)展大緻經(jīng)曆了三個階段多綠。

  第一代太陽能(néng)電池矽片太陽能(néng)電池,以晶體矽爲主體結構,包括單晶矽和多晶矽太陽離笑能(néng)電池。制備成(chéng)光歌本較高,光電轉換效率(PCE)議對一般,電池器件穩定性好(hǎo),使用壽命一般在 20 年左右,目前已經(下中jīng)投入市場應用。在晶矽技術路徑裡(lǐ),經(jīng)曆了 P文筆erc-TOPcon-HJT 的三個階段。

  第二代太陽能(néng)電村站池:薄膜太陽能(néng)電池,厚度相比第一代大幅下降白他,包括砷化镓(GaAs)、CIGS(銅铟镓硒)和Cd好慢Te(碲化镉)太陽能(néng)電池。第二代現去電池的PEC較高,器件穩定性較男章好(hǎo),電池器件制備工藝簡單場綠,但電池使用的部分材料元素嚴重污染環境并且地道司球儲備量很少,阻礙了這(zhè)代太陽能(néng)電池商業事看化和工業量産。

  第三代太陽能(néng)電池:有機薄膜太陽能(néng)電池、燃料敏化太陽能(néng)電池、量子點敏化太文影陽能(néng)電池以及鈣钛礦太陽能(néng)電池。具有理論極限效率高、成(chéng)本低不看、儲備量大的特點,但在電池工作原理和電池材料上發(fā)生重如現大變化,由于其涉及微觀領域,制作工藝和要求都(dō都玩u)比較複雜,界面(miàn)電荷傳輸機理還(hái)需深入探讨。男西

  目前在全球範圍内,太陽能(néng)光伏高畫電池中晶體矽電池轉換效率較好(hǎo),而且技術成(chéng)熟,2商厭022年晶體矽電池所占市場份額達95%,薄膜電池約占4%,第三代電池占比不到但畫1%。


二、行業背景

1. 碳中和背景下的光伏市場長(cháng)期向(xiàng)好(hǎ一你o)

“碳中和”時(shí)代背景下,新能(nén鄉劇g)源轉型不可逆轉,光伏發(fā)電技術是新能(néng)源轉型的重要支撐關兵;預計到2050年,全球光伏累計裝機將(jiāng)人店達14TW,是當前的1.5倍;光伏發(fā)電在全球電力中的占的媽比達到40%,是當前的12倍;光伏行業長(cháng)期向(xi制雪àng)好(hǎo),未來40年都(dōu)將(jiāng)是“黃金産森電業”。

      行藍    &nb信化sp;       數據來源:樂年IRENA(國(guó)際可再生能(néng)源署)

 

2. 晶矽光伏技術效率和技術成(ché城讀ng)本已接近極限

 

 由NREL發(fā)布的全球太陽能(néng)電池實驗室最高算湖效率圖,一直刷新著(zhe)全球電池技術的最高峰值。NREL發(fā)文山布的這(zhè)個圖,是“交互式”的互動圖。你隻要把鼠标南照對(duì)準每一個數據點,就(jiù)會(hu坐開ì)自動展現該數據的詳值,以及它的主人,所在機章道構或實驗室,具體的時(shí)間點,甚至該數據背後(hòu)的故事(sh算些ì)。

  如果你覺得好(hǎo)玩,不妨嘗試一下,訪問:https://www.nrel.女相gov/pv/interactive-cell-efficiency.htm身暗l

  根據CPIA數據,光電轉化效率每提升1%,報高對(duì)應度電成(chéng)本下降5%-7%。CPIA東月預測2030年晶矽組件價格1.1-1.2元/W,而晶矽組件的成兵月(chéng)本極限約1.0-1.1暗子元/W,雖然晶矽技術已基本實現“光伏平價上網”,但無法完成(chén章科g)“光儲平價上網”的目标。考慮到視飛裝機規模動辄GW、MW,帶來的成(chéng)本優勢無疑是巨大的。

 

三、鈣钛礦技術進(jìn)展


  2009年,日本科學(xué)家宮坂力短關(Tsutomu Miyasaka)在他的實驗室制備出了第一塊鈣钛自西礦太陽能(néng)電池,但轉換效率隻有3.8%。日有可以說(shuō),3.8%的轉換效率僅僅是一個開(kāi)始,隻用拍微了幾年,鈣钛礦電池的效率就(jiù)幾何式增長(cháng);2做民012年時(shí),通過(guò)更改“國要配方”,調整帶隙,牛津大學(xué)的Henry Sna機又ith團隊已經(jīng)制備出轉換效率超過(guò)10%的鈣钛礦電話說池;經(jīng)過(guò)十多年的知姐發(fā)展,2022年8月,鈣钛礦單節電池效率就(j術懂iù)提升到了25.7%(晶矽電池用去電了60+年);2022年12月在業,德國(guó)柏林亥姆霍茲中動都心(HZB)科學(xué)家生産出一種(zhǒng)鈣钛礦/矽串聯太陽能務亮(néng)電池,光電效率高達32.5%,創下新的世界紀錄。

  晶矽單結電池極限效率爲29.7%,媽國而單結鈣钛礦電池可達到33%左右章友,鈣钛礦疊層電池則可達44%,且鈣钛礦電池對(duì)雜質缺陷容忍度高,樂見效率進(jìn)一步提升的潛力大。


四、鈣钛礦産業化挑戰與進(jìn)展

  每種(zhǒng)材料都(dōu)有其優劣靜一勢。晶矽之所以加工難度高、投入大,正是因爲它化學(x了不ué)結構類似金剛石,原子和原子之間相互作用力很穩定,所以從長做成(chéng)電池後(hòu)能(né金中ng)使用20-40年。鈣钛礦容易獲取和配置的另機從一面(miàn),是它的化學(xué)式很脆弱,務答穩定性較差,抛開(kāi)這(zhè)一點外技拍,鈣钛礦也很難大面(miàn)積制備。

  因此鈣钛礦産業化需要面(miàn)臨以下兩(liǎng)數公大挑戰:

  1.大面(miàn)積保持高效率(支撐20%的光電轉換效率)

  2.野外運行長(cháng)壽命(25年的野少那外運行壽命)

  近幾年,對(duì)影響穩定性的内部機愛錢理有了較清晰的認識,一些針對(duì)性的技術方案也頻坐逐漸得到了驗證,越來越多的課題組能(néng)夠制備出具有玩得長(cháng)期穩定性的鈣钛礦太陽電池/組司拿件。下圖是鈣钛礦組件和電池穩定性的改進(jìn)措施和研發(fā)紅民進(jìn)展:


      &nb也和sp;        技師;   改進(jìn)措施

舉例

優化鈣钛礦層的結構和材料

改變材料配比

Ø 可以通過(guò)改變材料配比,可以形成(chéng)更加穩定新北高效的鈣钛礦材料

Ø 如2019年北京大學(xué)在鈣钛礦活性層中引入具有氧化吧謝還(hái)原活性的稀土Eu3不習+/Eu2+的離子對(duì),在光照或者85℃加熱老時街化條件下1500小時(shí)後(hòu),仍可保持原有效率的人森92%和89%。在最大功率點處連續工志又作500小時(shí)後(hòu)仍可以保持原有效率的91%微制。

摻雜有機聚合物

Ø 在鈣钛礦材料中摻雜有機聚合物如PEG、PMMA等,或無機物如NiO、石墨烯了員等,利用PEG和PMMA分子的疏水性可有效朋拍改善鈣钛礦材料的工作環境,提升壽命;無機材料的高穩定性也可以小但有效地改善鈣钛礦表面(miàn)缺錯跳陷,降低其分解的概率。

Ø 如2021年浙江大學(xué)將(jiāng)聚乙二醇改性的富勒烯嗎呢(PCBHGE)摻入鈣钛礦吸收層中。在連續光照下最厭街大功率點處測試,前212小時(shí)器件效率幾廠中乎沒(méi)有降低,并且在接下來的600小時(shí)後(hòu),器件效書都率仍可保持其初始效率的80%。

低維鈣钛礦

Ø 和三維鈣钛礦相比,二維鈣钛礦和二維-三維鈣钛礦複合業時材料具有更好(hǎo)的穩定性。通過(guò)改善鈣钛礦刀機配方或在前驅體溶液中加入二維鈣钛礦溶液,可以有效提員公高穩定性。

鈍化工藝

Ø 通過(guò)鈍化工藝可以有效降低鈣钛還輛礦晶界中的缺陷,阻止水分子、氧分子、金屬原子對(duì有時)鈣钛礦層的破壞,還(hái)可以時站調控界面(miàn)接觸勢壘,優化能(néng)級匹配、輔助結晶過(舊農guò)程等,有效提升鈣钛礦器件的效率和穩定性。目前常用的鈍化劑有路微船易斯酸、路易斯堿、铵鹽等三大類。

Ø 如2022年武漢大學(xué)柯維俊、陶晨和方國(guó)家等人開(kāi來內)發(fā)的一種(zhǒng)内部封裝策略,通過(guò)全面(miàn作男)鈍化鈣钛礦材料中的空位,從而阻斷離子擴散或遷移的通道(dào)。所得鈣钛礦林和太陽能(néng)電池的功率轉換效率高達24.01%。更重要的是,該器件物樹表現出出色的穩定性,在其最大功率點測量(55℃溫度下黃得,N2氣氛中)1000小時(shí)後(hòu)哥現保持其初始效率的88%。

優化傳輸層和電極材料

電子傳輸層材料優化

Ø 對(duì)電子傳輸層材料的優化主要有兩(liǎng)懂視個方向(xiàng),其一是對(du開明ì)Zn02等材料進(jìn)行摻雜處理,使其薄層的形貌更加平整,提升穩國動定性。其二是選擇新的電子傳輸層材料,如SnO2材料、富勒烯等。

空穴傳輸層材料優化

Ø CuSCN、NiOx等材料有著(zhe)光熱穩定性較高、不易分解等優點,目前被(唱師bèi)廣泛運用于鈣钛礦電池空穴傳輸層的制備中,有效提得資高了鈣钛礦電池的穩定性。此外,經(jīng)過(guò)摻雜月海的PTAA、P3HT,有機無機雜爸知化的空穴傳輸材料也在不斷開(kāi)發(fā)并運用中。

電極材料優化

Ø CrO3等金屬氧化物電極和碳電極等穩定性較好(hǎo)、能(néng輛得)有效防止鹵素離子腐蝕。

增加緩沖層

Ø 在鈣钛礦層和上下傳輸層之間添加緩沖層可有效降低鄰層之間的互相影響,降低器件的缺舞內陷密度,提高整體效率和穩定性。目前常見的緩沖層材料包括南讀Mo等金屬元素、PCBB-2CN-2C8等有機材料、C60和部分金屬氧化物等無雜對機材料等。

Ø 如2022年普林斯頓大學(xué)盧月玲團隊在鈣钛礦吸光層和電荷傳輸層之秒電間,特别設計了一種(zhǒng)新型的全無機二維緩沖層(厚度相當于幾個原子),筆睡以阻擋化學(xué)成(chéng)分在這(zhè)兩媽還(liǎng)層之間移動。測試在110℃高溫下連續運行2100小時(s工樂hí)保持80%有效性。

優化封裝

Ø 封裝主要作用是降低環境對(duì)鈣钛風計礦材料的影響,陰止水分子和氧氣進(jìn)入器件微森中,引發(fā)鈣钛礦材料的反應和分解討山,還(hái)可阻止鈣钛礦分解生成(ché人媽ng)的氣體擴散,防止毒性鉛洩露等。舞個目前常用的封裝材料包括玻璃基闆、POE膠膜和丁基膠等。

Ø 如2020年澳大利亞石磊博士等人發(fā)現聚合物-玻璃“毯蓋”式封裝技術能(高鄉néng)夠形成(chéng)絕對(d飛銀uì)密閉的體系,在濕熱(DH)和濕度凍結(HF)循環測試中采物山用這(zhè)種(zhǒng)封裝技術的電池在技房工作1800h後(hòu)未發(fā)姐票生降解。

Ø 如2021年北卡羅來納大學(xué)與中國(guó)科學(xu雪山é)院的研究小組用一種(zhǒng)新型的封裝技術服慢制作了一種(zhǒng)微型鈣钛礦太陽能(néng)組件,使用P現內OE密封膠進(jìn)行離子凝膠和鈣钛礦設備的封裝和分離,組件效率亮個高達18.5%,且可以防止鉛洩露。


資料來源:中國(guó)知網,材料導報,化學北兒(xué)通報,浙商證券研究所,高端制造呂娟團隊

  國(guó)内企業在鈣钛礦太陽能(néng)電物裡池組件高性能(néng)技術開(k時技āi)發(fā)、面(miàn學弟)積放大與穩定性攻關等各方面(m拿內iàn),均有一定的技術積累,走在前列的來筆公司有協鑫光電、纖納光電、極電光能(néng)和仁爍光能(néng)等船裡。纖納光電稱其組件可以通過(guò)IEC标準測試,協鑫光電來湖的産品正在測試過(guò)程中,其它廠為門家産品穩定性情況暫未公布。  


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參考内容:

[1]劉霞."32.5%!鈣钛礦/矽串聯電池效率刷新紀錄"農笑;科技日報 2022-12-21,004,國(guó)際.

[2]呂娟,夏纾雨."鈣钛礦電池也老穩定性如何了?——光伏設備系列報告(深度)"微信公衆号 2022-區很08-24.

[3]袁斯來,蘇建勳."資本熱但熱寵「鈣钛礦」:挑戰、挫敗與動搖|36碳深度"微信公衆号 2023-0知行2-28.

[4]邱世梁,王華君."鈣钛礦深度廠湖(50頁)浙商"微信公衆号 2023-02-12.