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钙钛矿太阳能电池:探寻产业化力求“随插随贴即用”

Publish:2017-09-11 11:26:00

钙钛矿太阳能电池:探寻产业化力求“随插随贴即用”

      太阳能是取之不尽、用之不竭的能源,规模化利用清洁、可再生的太阳能对于优化能源消费结构、减少环境污染和全球温室效应十分重大具有的意义。因此,寻找更廉价、更高效的光伏技术是太阳能利用的一个永恒主题,关系到未来太阳能在多大程度上取代化石能源。

      我系教授徐保民实验室团队在这一领域开展了颇有成效的工作,他们积极进行柔性钙钛矿太阳能电池规模化制备的关键技术研究,已经建立起完善的面向钙钛矿薄膜太阳能电池应用研究所需要的新材料开发和器件先进制备工艺的研发平台,并取得一系列初步成果。

新一代太阳能电池,引领绿色可再生能源新方向

      太阳能电池是光伏技术中最重要的部分,可以直接利用太阳能转换成电能。而探索新型高效、低成本太阳能电池材料与技术是太阳能电池领域的前沿与重点。钙钛矿太阳能电池成了其中一个重要方向,而关键材料的稳定性、高性能器件、低成本大面积制备技术以及柔性化应用则是钙钛矿太阳能电池研究的热点。

      自2009年日本Miyasaka教授首次将钙钛矿应用于太阳电池以来,英国Snaith研究组和韩国Park研究组先后将FAPbI3(碘化铅甲脒Formamidinium Lead Iodide)用于平面和介孔结构,获得了14.2%和16.01%的电池效率。相比于 eMAPbI3(碘化铅甲胺Methylammonium Lead Iodide),FAPbI3具有更强的耐高温能力,在未来的实用化应用更有优势。另外,Park 研究组率先报道用铯替换10%的甲铵阳离子能够显著提高电池抗湿度和光照的能力。 随后,瑞士科学家Grätzel等报道了混合、MA(甲脒)、FA(甲胺)和铯的钙钛矿电池,最新电池效率达到22.1%,并获得认证。Snaith等用铯部分替代FA,形成的溴基钙钛矿电池能够承受更长时间的光照和高温,它的带隙更加适合制备高效率的钙钛矿/硅基叠层电池。

      在柔性钙钛矿电池研究方面,加州大学研究组在PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)衬底上通过纳米压印技术制备了银网格/PEDOT:PSS PH1000(导电聚合物)复合电极,基于此电极得到光电转化效率为14%的柔性 钙钛矿电池,并发现器件具有很好的柔韧性。但是由于柔性电极和空穴传输层均有PEDOT:PSS的参与,器件仍然面临稳定性的问题。国内科研人员在钙钛矿太阳电池各个方面均取得了显著的研究成果。华北电力大学采用独特的界面修饰方法,电池效率达到19.16%(第三方认证),同时进行了多种新型钙钛矿材料结构的计算与性能预测,初步掌握了材料能带结构与稳定性的关联机制。陕西师范大学发展了优质 TiO2(二氧化钛)电子传输层的低温沉积工艺,柔性电池效率达到 16.09%。 

有光就有能量,要让出行再不怕没有电

      徐保民团队以实现新型柔性太阳能电池的产业化为主要目标,项目的近期目标是实现大面积柔性钙钛矿太阳能电池的低成本全印刷制备,中期则是在此基础上开发出“随插随贴即用”的柔性高性能钙钛矿太阳能电池发电薄膜系列产品,颠覆人们对光伏电池使用的传统观念,做到人人能够安装,随时随地使用,真正实现光伏发电应用的大众化。产品将作为移动电源广泛使用于移动设备,可穿戴式电子产品,野外装备,家庭汽车和其他商业交通工具中,除此以外,还将用于家庭和建筑光伏发电,仅中国市场的规模就在10000亿元人民币以上,整个世界的市场规模将无可限量,如果成功实施或将引发一场全球性的能源革命。

钙钛矿太阳能电池产业化之路初现成果

      在太阳能光伏电池领域,徐保民教授曾经在PARC(美国施乐帕克)研究中心主持了利用“共挤压(Co-extrusion)”打印方法制备晶硅太阳能电池银电极栅线(Gridlines)的技术研发,该项技术可以取代现在普遍使用的丝网印刷方法,在不增加任何设备成本和工艺步骤的情况下,通过改变银电极栅线的线高与线宽之比而将电池的光电转换效率相对提高20%以上。该项技术已经转让给欧洲一家主要晶硅太阳能电池生产商并实现了商业化生产。

      徐保民教授还和美国最大的太阳能电池制造商Solar World Industries America合作,发明了无接触打印且可实时调控线宽的金属化技术,解决了高生产高通量(High Throughput)下金属栅线的精确定位难题,该项技术已经用于高效率PERC-MWT电池的生产。

      徐保民教授还在PARC中心主持低倍聚光技术研发,该项技术通过开发特制的低成本光学薄膜,以取代晶硅片,从而能够在保持太阳能组件同样发电效率的同时,将晶硅片的用量减少到原来的1/4, 并因此将组件的成本降低30%以上,该项技术已经转让给亚洲的一家主要晶硅太阳能电池制造商。

      在南科大,在过往研究的基础上,徐保民教授实验室开发了一系列新型空穴传输材料,实现无掺杂空穴传输层旋涂制备并应用于钙钛矿太阳能电池,器件光电转换效率达到17.3%。

      实验室采用首创的热辅助旋涂工艺实现快速的钙钛矿层结晶,时间缩短为传统工艺的十分之一,这将有利于印刷制备中高通量的生产薄膜太阳能电池;采取该工艺,获得的器件效率超过19%,在2个月后效率仍然在15%以上,展现了良好的环境稳定性;大面积和柔性器件的效率也在15%左右(图1)。


图1 新HASP(热辅助旋涂)工艺器件性能

      实验室通过小分子t-BP(4-叔丁基吡啶)修饰钙钛矿吸光层,使得其抗水氧能力增强,从而能够在较高的湿度下制备出高性能的电池器件,70%的湿度下电池效率仍然能够达到10%左右。J. Phys. Chem. C, 121(2017), 6546−6553 (图2)


图 2 t-BP 修饰制备钙钛矿层示意图

      实验室开发新型无机量子点,制备了无机量子点修饰的钙钛矿太阳能电池,发现其性能得到了极大的提升,同时稳定性也得到了增强(图3)。


图 3 量子点修饰钙钛矿太阳能电池器件

钙钛矿太阳能电池或将走进千家万户

      徐保民团队的目标是实现柔性钙钛矿太阳能电池的低成本大面积卷到卷全印刷制备,进一步的后续主要目标则是在此基础上开发出低成本高性能的“随插随贴即用”的柔性钙钛矿太阳能电池发电薄膜系列。电池的光电转换效率在10% 到15%,使用寿命根据不同用途在3-10年。这些太阳能电池发电薄膜将可以广泛地用于手机、手提电脑、野外设备中作为移动补充电源,代替目前的太阳贴膜用于汽车中作为移动发电电源,以及代替建筑用玻璃贴膜作为建筑光伏使用。

      这些应用拥有巨大的市场。以汽车用太阳贴膜为例,中国现有各类机动车2亿多辆,其中家庭用小汽车约1.07亿辆,到2020年会增加到约1.5亿辆,每辆车需用的太阳贴膜面积约3平方米,因而其市场规模可达900亿元人民币。2014年中国建筑面积近500亿平方米,到2020年会接近900亿平方米。一般窗户面积占建筑面积的20%,若窗户面积的20%可以贴上太阳能薄膜进行发电,则市场规模在200亿元人民币。加上不用玻璃但仍可以用于太阳光伏发电的建筑表面,整个市场的规模将在10000亿人民币以上。如果以平均年日照时间2000小时计,仅用于建筑玻璃上我们的太阳能电池薄膜每年就能发电7200亿度(太阳能电池薄膜的效率按10%计算),相当于每年节约电费约4300亿元,节约标准煤近3亿吨,减少碳排放量7.2亿吨,或为中国减少近8%的碳排放量。