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          盤點:2017年鈣鈦礦太陽能電池十大研究進展

          2018-06-12 點擊數:

          隨著能源、環境問題日漸突出,太陽能發電作為新能源產業的中堅力量獲得了大量的關注。其中,太陽能電池的發展對于整個光伏行業來說至關重要。目前晶硅太陽電池技術成熟,是市場上的主流,但是存在成本過高、效率面臨瓶頸等問題;而薄膜太陽電池整體效率并不理想,難以實現大規模量產。在此情況下,研發原料資源豐富、無毒且環境友好、基于薄膜技術且有高轉化效率的新型太陽能電池成了當務之急。

          其中新型鈣鈦礦太陽能電池是近幾年來的研究熱點,鈣鈦礦太陽能電池由敏化太陽能電池改進發展而來,具備更加清潔、便于應用、制造成本低和效率高等顯著優點。盡管鈣鈦礦太陽能電池的研究如火如荼,但面臨的問題也值得重視。首先這種新型太陽能電池在組裝過程中存在穩定性問題,包括材料的穩定性以及高效電池器件的穩定性都存在很大的問題;其次,有機-無機雜化鈣鈦礦材料中含有重金屬鉛,鉛是劇毒性物質,對環境污染嚴重;最后,鈣鈦礦層的形貌和結晶程度對鈣鈦礦電池性能起決定性作用,而影響這些材料性質的因素很多,需要更多的研究和探索。

          【盤點】2017年鈣鈦礦太陽能電池十大研究進展

          鈣鈦礦電池結構(圖)

          目前,鈣鈦礦太陽能電池離商業化大規模發展仍然存在不小的距離,而全球的科研團隊正日以繼日的推動鈣鈦礦太陽能電池的發展,讓我們一起來看看,在過去的一年,鈣鈦礦太陽能電池都取得了哪些研究進展。

          1、韓國科學家提高鈣鈦礦太陽能電池轉化效率達到22.1%

          鈣鈦礦太陽能電池的吸光材料通常采用鉛或鎳的鹵化物,這類吸光材料光電性能優良、制造成本較低,是近年來的研究熱點。

          【盤點】2017年鈣鈦礦太陽能電池十大研究進展

          通過改進鈣鈦礦太陽能電池金屬鹵化物吸光材料的制造方法,韓國科學家將鈣鈦礦太陽能電池的能量轉化效率提升到22.1%,此前鈣鈦礦太陽能電池轉化效率的最高紀錄是20.1%。

          鉛或鎳的鹵化物晶體結構中的微小缺陷會妨礙光能轉化為電能,是限制鈣鈦礦太陽能電池轉化效率的關鍵因素。據了解,新方法由該機構與韓國化學技術研究所、漢陽大學共同研發,關鍵在于減少吸光材料的結構缺陷。具體是在作為原料的有機陽離子溶液中額外添加了碘離子,制造出了晶體結構缺陷較少的吸光材料。

          實驗表明,用這種低成本方法制造金屬鹵化物吸光層,可使小型鈣鈦礦太陽能電池的轉化效率提高兩個百分點,相關成果已獲得美國國家可再生能源實驗室認可,論文發表在美國《科學》雜志上。

          2、杭州纖納光電鈣鈦礦薄膜大面積組件效率三破世界紀錄

          在短短一年時間三次打破世界紀錄,而且效率的提升相對于太陽能電池這個行業來說都屬于“大躍進”。15.2%16.0%17.4%,這三個數字訴說著杭州纖納光電在2017年的榮耀。

          【盤點】2017年鈣鈦礦太陽能電池十大研究進展

          據了解,早在2016年,纖納光電團隊就解決了鈣鈦礦光伏組件大面積生產均一性的問題,從而將鈣鈦礦光伏組件效率的世界紀錄從從12.1%提高到了15.2%,在進一步優化生產工藝之后,該效率提高到了16.0%,在幾個月之后,這一效率又被刷新為17.4%,這樣的組件效率值已經與市面上常見的多晶硅組件效率不分上下。

          目前主要的高效率單體鈣鈦礦太陽能電池的制備方法都只適用于實驗室的小面積測試,少數大面積鈣鈦礦太陽能電池組件的認證效率都不超過12.1%,大面積的組件無法復制大學實驗室里小型電池的轉化效率,是目前鈣鈦礦電池難以商業化發展的主要制約因素之一。杭州纖納光電制備出的大面積鈣鈦礦薄膜光伏組件效率突破到17.4%,為后續實現鈣鈦礦電池產業化應用奠定了基礎。

          3、日本提高鈣鈦礦太陽能電池轉換率

          據日本媒體報道,針對新一代太陽能電池“鈣鈦礦太陽電池”材料,東京大學先端科學技術研究中心的科研人員,通過添加地球上較多存在的鉀元素,實現了結晶構造的穩定性,在不使用銣等稀有金屬的前提下,實現了20.5%的高轉換效率。

          【盤點】2017年鈣鈦礦太陽能電池十大研究進展

          目前,鈣鈦礦太陽電池轉換效率大于20%的太陽能電池,多數采用銣、銫等稀有金屬來維持結構穩定。而東京大學研究小組在特定條件下通過添加鉀元素保持結晶結構,在完全不使用稀有金屬的前提下,成功制作了無缺陷規整的發電層,由于對電子流動不形成阻礙,從而提高了轉換效率與發電安定性。

          此外,該研究組還確認采用鉀使電流、電壓變化的方式,可抑制發電量變化的“遲滯現象”。比使用銣等金屬的抑制效果更高,可做到更穩定的發電。

          4、上海交大團隊研發出高效率鈣鈦礦太陽能電池模塊
          國際著名學術期刊《Nature》在線發表了上海交通大學韓禮元教授團隊的研究成果。該團隊使用更加經濟安全的新方法制備出比蟬翼還薄數十倍的大面積鈣鈦礦薄膜,向實現大規模低成本太陽能發電的目標邁出了重要一步。

          鈣鈦礦太陽能電池材料結構十分脆弱,因此其薄膜面積很難做大,這已經成了世界級難題。之前,科學家一直嘗試用“真空蒸鍍法”和“溶液法”來制作鈣鈦礦薄膜,超過20%認證效率的鈣鈦礦太陽能電池面積頂多像個米粒那么大。韓禮元教授團隊研制出的鈣鈦礦薄膜,比蟬翼還要薄上幾十倍,只有1微米,面積達到400平方厘米。
          據了解,韓禮元教授團隊引進甲銨氣體,利用化學反應和創新的制備技術,制備出有效面積達36.1平方厘米的模塊,在國際機構首次獲得12.1%的認證效率,創下了第一個大面積鈣鈦礦模塊的效率世界紀錄。
          上海交通大學材料科學與工程學院金屬復合材料國家重點實驗室韓禮元教授預計未來大面積鈣鈦礦模塊的效率將做到16%、18%,下一步將盡快想辦法把效率提高,然后將面積再做大。韓禮元教授表示,成本上來看,大面積鈣鈦礦模塊轉化率達到15%以上,其成本就可以比硅電池便宜一半以上。


                5、有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池研究獲進展
          雖然有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池的光電轉化效率已提升到22.1%,但是還是存在穩定性、遲滯效應及大面積制備等問題。目前廣泛報道的快速退火方法制備的鈣鈦礦太陽能電池器件的J-V曲線表現出明顯的遲滯效應。

          中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心熊奕敏課題組副研究員曹亮與中科院上海應用物理研究所高興宇課題組、蘇州大學孫寶全課題組合作,發現提高有機-無機雜化鈣鈦礦薄膜結晶相純度尤其是表面結晶相純度,能有效消除鈣鈦礦太陽能電池器件遲滯效應和提升器件性能,并且器件遲滯效應的消除并不依賴于器件結構。此項研究揭示了鈣鈦礦結晶相純度尤其是表面結晶相純度對器件J-V遲滯效應有重要影響。
          據了解,研究人員利用上海光源的掠入射X射線衍射(GIXRD)對制備的CH3NH3PbI3-xClx薄膜進行了系統表征。通過改變X射線的探測深度發現鈣鈦薄膜結晶相不純,尤其是薄膜表面存在明顯的多相結構。
          為了明確有機-無機雜化鈣鈦礦薄膜結晶相純度,尤其是表面相純度對器件遲滯效應和性能的影響,研究人員通過優化后處理條件提高了的CH3NH3PbI3-xClx薄膜的結晶相純度,消除了薄膜表面的多相結構。基于此類薄膜的器件未表現明顯遲滯效應,且光電轉換性能得到進一步提升。
          值得說明的是,器件遲滯效應的消除并不依賴于器件結構,即正式N-i-P結構或反式P-i-N結構,揭示了鈣鈦礦結晶相純度尤其是表面結晶對器件J-V遲滯效應和性能有主要影響。結合XPS和SEM結果,充分說明有機-無機雜化鈣鈦礦薄膜表面結晶相純度影響表面或者晶界處低配位的Pb和I離子。這些離子作為電荷陷阱,導致遲滯效應及低光電轉化效率。因此,提高鈣鈦礦薄膜的結晶性、尤其是表面的結晶相純度,有利于開發高性能無遲滯有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池。


                     6、瑞士新技術顯著提高鈣鈦礦太陽能電池實用性
          目前,鈣鈦礦太陽能電池商業化的一個限制在于,材料在陽光下容易性能衰減。瑞士科學家將鈣鈦礦太陽能電池的轉化效率提高到了20%并使其更耐用,有望推動鈣鈦礦太陽能電池更快投入商業應用。

          鈣鈦礦太陽能電池在接收太陽光之后,會產生電子和電子空穴,此時就需要一種高效的媒介把它們傳輸到電極上。目前的媒介材料造價高且不穩定,所以尋找性能穩定和低廉的媒介材料就成了關鍵。
          瑞士洛桑聯邦理工學院研究發現,硫氰酸亞銅可作為一種廉價、穩定的媒介材料。鈣鈦礦太陽能電池如果涂覆上60納米厚的硫氰酸亞銅涂層,在60攝氏度高溫下暴曬長達1000小時的加速老化試驗中,性能損耗小于5%。
          這一成果發表在新一期美國《科學》雜志上。

           

          7、北大研究團隊在鈣鈦礦光伏材料的生長機理原位研究方面取得新進展

          鈣鈦礦太陽能電池分為正式(n-i-p)和反式(p-i-n)兩種結構。常規的正式器件制備工藝相對復雜,且與柔性基底的兼容性不好。相比較而言,反式結構器件因制備工藝簡單、可低溫成膜、無明顯回滯效應等優點受到越來越多的關注,但是其光電轉換效率還稍顯不足。

          【盤點】2017年鈣鈦礦太陽能電池十大研究進展

          為解決反式結構鈣鈦礦太陽能電池器件效率較低的問題,北京大學“極端光學創新研究團隊”的朱瑞研究員和龔旗煌院士等從鈣鈦礦薄膜形貌控制、界面調控及組分優化等角度進行了全面系統的研究,取得了一系列創新成果。

          他們利用醋酸鉛前驅體體系,先是將微量溴甲胺作為添加劑應用于鈣鈦礦前驅體溶液中,該策略可以有效改善鈣鈦礦薄膜的表面形貌,使其光學和電學性能均得到明顯提升。最終,基于醋酸鉛前驅體的反式平面結構鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率從14.26%大幅度提高至18.32%。

          隨后,他們又借助界面調控,首次在鈣鈦礦太陽能電池領域提出了“電荷載流子平衡”的概念,并系統地研究和實現反式鈣鈦礦太陽能電池器件內的電荷載流子平衡,將反式鈣鈦礦太陽能電池光電轉換效率進一步提升至接近19%。

          之后,該團隊又進一步采用雙源前驅體溶液法,在體系中引入“甲脒”有機陽離子將吸收光譜拓展至近紅外區域,并結合對空穴傳輸層的優化,確保了電荷有效傳輸和收集,同時提升了器件的開路電壓,最終將光電轉換效率提升至20%以上。

          該系列研究工作得到中國國家自然科學基金委、科技部、北京大學人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、“極端光學協同創新中心”“2011計劃”量子物質科學協同創新中心、“青年千人計劃”和美國勞倫斯伯克利國家實驗室(LBNL)等單位的支持。

          8、西安交大在非鉛鈣鈦礦太陽能電池研究中取得重要進展

          基于甲基銨鉛碘鈣鈦礦太陽能電池雖然是國際上科研以及產業領域關注的熱點,但是有鉛的毒性和對環境的損害成為制約其發展的因素之一,因而發展非鉛鈣鈦礦太陽能電池意義重大。對于非鉛鈣鈦礦薄膜(錫基鈣鈦礦等)而言,其結晶特性、薄膜形態與缺陷等更難控制,而這些缺陷是導致其性能破壞的重要因素,因此高質量、低缺陷非鉛鈣鈦礦(錫基)薄膜的制備技術是突破其發展的關鍵。

          【盤點】2017年鈣鈦礦太陽能電池十大研究進展

          針對非鉛鈣鈦礦電池的技術難點,西安交大電信學院吳朝新教授率領團隊系統地開展了新型高質量鈣鈦礦薄膜制備技術、動力學過程及其高性能非鉛鈣鈦礦太陽能電池的研究,在國際上率先發展了“蒸鍍-旋涂”的鈣鈦礦薄膜制備技術,并基于這種“蒸鍍-旋涂/浸泡”薄膜制備技術,成功地解決了錫基鈣鈦礦成膜的瓶頸,實現高質量低缺陷的錫基鈣鈦礦薄膜,國際上首次報道室溫制備甲瞇錫碘鈣鈦礦太陽能電池其柔性器件光轉換效率3.98%。該研究成果在國際頂尖期刊AdvancedMaterials(IF18.96)發表。

          9、我國鈣鈦礦光伏組件制備技術取得突破

          目前鈣鈦礦太陽電池的各項研究都處于快速發展的階段,但是若要實現商業化發展,鈣鈦礦電池就必須從電池做到組件,并具備優異的性能。2017年,武漢理工大學程一兵專家團隊在兩項鈣鈦礦太陽能電池組件制備技術方面取得突破,達到國際上同類產品的最高光電轉換效率。

          在5cmx5cm塑料基板柔性鈣鈦礦太陽能電池組件的研制中,程一兵團隊研制出光電轉換效率11.4%的鈣鈦礦電池組件,超越日本東芝公司5cmx5cm柔性鈣鈦礦太陽能電池組件10.5%的光電轉換效率。

          程一兵團隊在10cmx10cm玻璃基板鈣鈦礦太陽能電池組件制備技術也取得突破,經國家光伏質量監督檢驗中心驗證,其相關組件光電轉換效率為13.98%,在國際上經過驗證的同類產品中位居效率首位。

          據了解,程一兵團隊依托武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室,2015年以來致力于鈣鈦礦太陽能電池組件制備技術的研發。這兩項突破表明我國科研人員在鈣鈦礦光伏組件制備技術上走在了世界前列。

          10、“印刷術”突破柔性鈣鈦礦太陽能電池難題

          中科院化學所綠色印刷重點實驗室研究人員利用“印刷術”突破了柔性鈣鈦礦太陽能電池難題,有望為柔性可穿戴電子設備提供可靠電源。這一成果在國際學術期刊《先進材料》(Adv.Mater.)上刊發。

          鈣鈦礦材料其本身薄,基材厚度在一毫米以內,極具在人體上穿戴的可能;但材質脆,不耐彎折。研究人員通過納米組裝-印刷方式制備出“蜂巢狀納米支架”可作為力學緩沖層,實現了柔性鈣鈦礦太陽能電池更高的力學穩定性。同時,研究人員在器件內部搭起光學諧振腔,實現了50平方厘米面積上12.32%的光電轉化率,在高效率電池在大面積可重復性上取得重大突破。

          這項研究通過納米組裝-印刷方式制備了鈣鈦礦的蜂巢狀納米支架,并在其內部搭建起“光學諧振腔”,這兩項創新同時提高了柔性鈣鈦礦太陽能電池力學穩定性和光電轉化率。

           

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