高效钙钛矿太阳电池研究及其产业化进展_易炜(1)
高 效钙钛矿太阳电池研究及其产 业 化 进展 易 炸 (中国电子科技集团公司第十八研究所,天津 300384) 摘要:钙钛矿材料作为当前太阳电池领域的研究热点之一,在过去的十年间经历了飞速发展。 由于具有带隙连续可调、 轻质 、柔性、制 备 工艺简单、设 备 成 本 低等诸多 优点, 其 在 许多 领 域均有着广阔的应用前景。 系统总结了钙钛矿材料的主 要特性、最新研究进展及相 关的产 业化进展情 况 ,并 对其 具 体 应用前景、 潜在 应用市场进 行 了展望。 关键词 :钙钛矿 ;光电转 换; 叠层电池;柔性 中图分类号: TM91 4文献标识码: A文章编号: 1 002-087X(2020)07-1 073-03 DOI : 1 0.3969/ j . i ssn. 1002 -087X .2020 .07.038 Research progressonhigh-efficiencyperovskitesolarcellsand industrialization YlWei (TianjinInstituteofPowerSources,Tianjin300384,C hina ) Abstract :Perovski te ma ter ial , asoneoftheresea rchhotspotsinthef i el dofso larcel l , hasexper i encedrapi d developmentinthepastdecade .Duetoi tsadvantagesofcont inuousadjustablebandgap, l ight w ei ght ,flexibi l i ty, simpl epreparat ionprocessandlowequ ipmentcost,ithasbroadappl icationprospectsinmanyfi el ds .Inthispaper , the m aincharacteri sticsofperovsk ite , thel atestresearchprogressandtherel atedi ndustr ial i zationprogressare summari zedsyste ma t ical ly , and itsspeci f i cappl icationprospectandpotentialappl i cat i onmarketareprospected . Key words :p erovsk i te ;photovoltaicconversi on ; tandemsolarcel l ;flexibi l ity 近年来, 能源短缺和环境污染问题日益成为世界各国关 注的焦点 , 光伏技术作为未来能源供给问 题解 决方案候选 之 一 ,符合社会发展的历史潮流和国家能源战略方针。 因此 ,高 效太阳电池研发及其系统集成技术已在全世界范围内引起前 所未有的 关 注。钙 钛 矿 太 阳电池(PSCs : )是当今最有前途的几种 光伏器件之 一 ,且发展势头迅猛,受到世界范围内科研工作者 及各 大太阳电池厂商的关注。 自 2009年首次报道应用钙钛矿结构材料做为光伏电池 研 究 至 今, 钙钛矿太 阳电 池取得 了 长 足的 进步 w , 图 1 中给出 了 最新 一期的 美 国可 再 生能源实 验 室 公布的钙钛矿太 阳电 池 效率表, 可以看到韩国化学技术研究所和美国麻省理 工 学院 联合 研 发的钙钛矿太 阳电 池光电转换效率高 达 25 .2%, 已 经接 近晶体 桂 太阳电池的最佳效率。 而 一直 被人们所垢病的电池 稳定性问题也有了长足的进步。 上海交通大学的韩礼元教授 课 题组 所报 道的基于 稳 定结构的 异质 结钙 钛矿 结构 太 阳电 池 在 60 ’ c 下 , 经过 1〇〇〇h 的连续 光 照, 效率值衰降不 超 过 10%, 妈 钛 矿太阳电 池已经从实验 室 逐步走向实用化 [ 2] 。 总结钙钛矿材料的特点,大致有以下几个方面 [3] : ( 1)较高的光吸收系数。 钙钛矿材料在 300 ? 800nm波长 范围内均有非常高的吸收系数(大于 3 xlOknr1 ; ) , 厚度不足 收稿日期 = 2019-1 2-06 作者简介 : 易炜 ( 1 978— 男 ,湖南 省人 ,本 科,工 程 师, 主 要研 究 方向为先进能源系统技术开发。 1jjim , 即可实现 对该波段太 阳 光的充分吸收; (2)连续可调的带隙宽度。 通过调节A、B、X位置的原子 种类, 能够实现对吸收层膜带隙宽度的调节 , 例如 ,X位置当 为 I离子的带隙宽度时最小 ,为 C1 离子时带隙宽度最大, 通过 进 行 调节X 位 置卤族元素 Cl/Br/I 的元素比例 ,可使 得材料禁 带宽度 在 1 . 1 8?3 .02eV之间大幅度调节, 通 过调控 钙 钛矿材 料中各元素比例 ,来调控吸收层膜的带宽,可以很好匹配太阳 光谱, 提高太 阳 光谱利用率, 同时, 这也使 得制备钙钛矿 叠层 多结电池成为可能; (3)极佳的材料质量。 与其他多晶半导体薄膜相比 ,钙钛矿 薄膜的缺陷态密度非常低(在 1 〇15cm—量级, 单晶钙钛矿材料 更低 至 10 w c m -3 量级) ,正因为此,钙 钛矿薄膜的非辐射复合 率很低 , 钙钛矿中的载流子扩散长度超 过 100jun, 这 一优良 的特性使得钙钛矿电池的开路电压很高 , 电压损失值(£8 -VJ 1 073 2020.7Vol .44No .7 很小, 目前 , 所 报 道的高效率的钙 钛矿 电 池 开 路 电压损失在 0, 3?0.4V之间 , 与高效率的硅电 池 和GaAs 电 池接 近; (4)钙钛矿材料可以实现低温结晶 ,制备工艺简单。 钙钛矿 材料成膜温度非常低, 低于 1CKTC就可实现高质量结晶 ,这就 会大大降低 工艺成本, 同时也 使得制备 全柔 性太 阳电 池成为 可能, 特别适合卷对卷连续制备 工艺 。 1 高 效 太阳 电池研究 现 状 1 . 1 单结钙 钛矿太 阳电 池 目前, 针对轉钛矿太阳电池的研究工作主要集中于精确 调控材料组分、优化轉钛矿材料制备工艺 、修饰界面状态抑制 载流子复合、开发稳定性更为优异的全无机钙钛矿材料、开发 环境 友好的 无Pb 钙钛矿材料等方 面,且 在很大 程度上 取得 了 可喜 进 展。 如 上海交 通大 学的韩礼 元 教授课 题组采用 在富P b 材料表面制备功能化的石墨烯层来降低载流子的界面复合, 所制备的 1cm 2 电 池效率超过了2 1% h ;瑞士联邦理工学院的 MichaelGra tzel 教授课 题组采用多种 铵 盐(乙基 胺、碘化胍 等) 处 理材料表面所制 备的 电 池效率 达到 22 .3 % ,且 其在标准光 照 条件下经过550h后效率衰减不超过5%, 表现出良好的稳定 性%韩 国 化学技术研究 所 SangSeok 教授报 道的有机 - 无机 杂化钙钛矿结构太阳电池, 通过在溶液中添加元素硫提升前 驱体溶 液的稳 定 性 h目前其 课 题组钙 钛矿电池的最 高效率为 24.2%;在无机钙 钛矿太 阳电 池研究方 面, Wang等 联合 开 发的 用胆碱碘处理材料表面, 所制备的 @-(^?1>13 相的全无机太阳 电池效率达到 1 8.4% , 同时具有非常好的环境稳定性% 1 . 2 叠 层电池 制备 技术 传统种类的太 阳电 池 已经发展 数十年 , 其中单晶 硅电池 最高效率 已经 超过 26%,CIGS 太 阳电池效 率 也已高达22 .9 %, 继续大幅度提升电池的光电转换效率已变的非常困难 , 而制 备多结叠层太阳电池 是 继续保持光电转换效率提升的 主 要方 法 。 在 现有太阳电 池 制备技术条件下, 采用 宽带隙的钙钛 矿太 阳电池 做为顶电池 , 与窄带隙的晶体硅太阳电池、CIGS太阳 电池进行叠层制 备, 如图 2所示 , 可提高太 阳 光谱的利用率, 经 计算 , 这两种类型叠层电池的理论转换 效率均超过 32%。 目 前,实验 室所制备的钙 钛矿 - 晶 硅叠层 太 阳电池最 佳转换效率 已经达到 28%, 钙钛矿 -C IGS叠层太阳电池最佳转换效率达 到 23 .9%pi ,全钙钛矿叠层太 阳电池效 率 已达到 24.8%? ,效 率 均仍有进一步提升空间 。 总结制备叠层电池的关键技术问题主要有 : (1 ) 因为叠层 电池制备过程历经多步工艺, 这就要求所制备的钙钛矿电池 矿 鮝SWU矿/〇GS?S钙It矿muiris igssc tttTttttttOb. (?)钙钛矿 -晶 桂 (酬钦矿-CIGS蜃层( c)ft钛矿-钙妹矿 荇w人m屯池 太⑷ 电池否 池 图2 钙 钛矿叠层太阳电池示意图 的各功能层(特别是钙钛矿材料本身)要有较好的稳定性, 这里 的稳定性包括热稳定性和化学稳定性; (2)优化顶、底电池的光 学设计来增 强电 池对光的吸收 ,同时 要 注意平衡顶、底 电 池 电 流, 因为叠层电 池的 电流 值是由顶、底 电 池 电流的最小 值来决 定的 , 避 免 电流的浪费 ; (3 )通过缓冲层或其他技术 手 段 ,实 现 顶层透明电极的最优化制备; 〇4) 设计两结电池之间的隧穿复 合层并提升其制备质量, 减少太阳光在此部分的浪费和电流 损失。 2 钙 钛矿太阳电池 产业 化 现状 近五年 来, 越来越多的 企业开始投人到大面 积的钙钛 矿 光伏组 件 研 发中 , 其中具有代表 性的 有 : 英国牛津大学的 Snaith创办的牛津光伏 ,其致力于钙钛矿- 晶硅叠层太阳电池 的研发工作,公司在2019年的欧洲光伏会议上报道了最新研 究成果一光电转换效率超过28%的硅钙钛矿叠层电池 ,并 展示了 最新 开 发的 380W 叠层电池 组件。 中国 杭州纤纳光电 在国际范围内是较早开展钙钛矿产业化研究的公司之一 , 目 前其已具备光电效率为 17.3%的刚 性钙钛矿小 型组 件 (面积 17.8cm 2 )的生产能力 ,如图 3 (a)所示% 荷兰的 Solliance公司 开 发 了面积达到 1 44cm 2 、填充 因子高达 90%的半柔 性钙钛矿 模 组 ,组 件效率 达到 1 3 .8 % 、个别电池效率 达到 14 .5 %, 如图 3 (b)所示。 波兰的Saule Tech nologies 团队基于喷墨打印 方 法开 展半透明柔 性钙钛矿光伏 电池 研发 工作, 图 3(c) 是其 展示的 样 品。 华中科技大学武汉光电国家研究中心采用丝网印刷技术, 用低成本的碳材料替代传统的贵金属作为太阳电池上电极材 料, 制 备 得到 了面积 100cm2 、效率 大 于 10%的钙钛矿 光伏 组 件,如图3(d)所示。 此外,澳洲的 Greatcel lSolar公司研制了效 率为 12%边长为 10cm 的方形组件。 湖北万度光能有限责任 公 司( 鄂州)建 设了1 1 0m 2 可印刷钙 钛 矿 太 阳电池的小型示范 系统 ,苏州协鑫纳米科技有限公司开发了效率高达 16.4%的柔 性钙钛矿电池组件, 这些成果均表明钙钛矿光伏组件 具 有良 好的应用前景 。 <a )杭州纤纳光电17.8c m 1刚 fl i组件 : (bWi的Sol li ance公司丰 丨 ? : 组件 ; (c破 ’ 5 . 的Sa uk, Techn ol ti giesUI队汗发的 ’卜.逆明托 丨i 丨r太K 丨 电池ftil i ’ i : (<〇中中科技大学制备的丨00era 1钙钛矿光伏 组件 图3钙钛矿太阳电池组 件 综上所述, 钙钛矿电池走向商 业 化 主要有 两方面的挑战 : (1 )如何量产用于规模电站的光伏组件 ,并与传统光伏材料在 大面积电池效率、价格、稳定性等方面进行竞争; (2)如何将钙 2020.7Vol .44N〇 .7 1 074 钛矿电池应用在新兴领域,发挥其轻质、柔性、制备工艺简单、 电池可定制不同尺寸等优势, 完成从电池制备到组件应用的 全套 设计 。 3 应用前景 基 于高 的质量比功 率及 柔 性化的特点 , 钙钛 矿 太 阳电池 已成为了飞行器(无人机、平流层飞艇等)能源供给的候选之 一 。 特别 是 近年来,各种飞行器均朝着纯电驱动、小型化、异形 化的方向发展 ,这对飞行器的能源系统比能量、柔性程度等提 出了更高的要求 ,高效钙钛矿太阳电池、钙钛矿基叠层太阳电 池在这些方面优势明显, 其研发也越来越受到广大科研工作 者的重视。 钙钛矿电池另一个有优势的应用场景是现在非常火热的 智能可穿戴电子消费类产品市场。 由于钙钛矿太阳电池可低 温下在 柔性衬底 上制备, 能够实现与需要供电的 设备紧密贴 合,不需其它粘结材料的辅助。 此外, 通过对钙钛矿电池进行 弯曲等相关测试发现弯折所带来的电池效率损失非常小。 因 此,柔 性钙钛矿太 阳电池能为日常可穿 戴 设备供电 ,如智能手 表、智能眼镜、智能衣物等; 同时可集成于军用装备 上 ,如军用 手表、帐篷、背包、武器、通讯设备等 ? 。 光伏发电发 展至 今, 应用领域 已开始 从传统形式 逐渐向 特殊场景方向发 展。 在建筑幕墙 、玻璃上推广光伏 发电技术 不 但可以充分利用建筑物的纵向空间 ,不需要占用额外的场地 , 减少电流输运过程中所带来的费用和能耗 , 而且可以实现外 观的美化, 一 举多得。 钙钛矿太阳电池可以根据要求定制不同 的尺寸, 实现一体化集成,其掺杂不同元素可以制备多种颜色 的太阳电池, 且可实现半透明电池制备, 在光伏建筑一体化 ( BIP V) 方 面 有着得 天独 厚的优势, 图 4为 应 用钙钛 矿 组件 所制 备的建筑物外墙。 图4钙钦矿太阳电池组件 在 BI PV中的应用 最后,在空间领域 ,钙钛 矿 太阳电池也有着良好的应用潜 力。 日 本航 空航天研究 所的实验 室研究 表明, 封装 后的钙钛 矿 电池在-80? 10(TC的条件下展现了良好的热稳定性,且在强 度 107倍 于自然空间 条件的质子束照射 下仍呈现出良 好的稳 定性。 硅和m-v太阳电池在该强度的质子束辐照下均会遭到 破坏 。 钙钛矿电池的稳定 性 主要受环境中水汽的影响 , 由于 太 空中 是 无水无空气环境, 因此钙 钛矿电池在太 空环境中应该 具有很好的稳定性。 欧洲的科研 团队已开展了钙钛 矿 电 池在 空间的 应用 研究 ,相信不久的将 来, 钙钛 矿 太 阳电 池 也将 应用 于空间探测领域。 4 结 束语 韩 钛矿太 阳电池制备工艺简单、 设 备 投 人 小 、理 论成 本低, 其优异的 光电性能 通过近年 来电池 效率的 快速提升被越来越 多的人所认可。 基于上述诸多优点,钙钛矿太阳电池能量回收 期小于传统的晶硅太阳电池及CIGS薄膜太阳电池。 我们相 信,伴随着世界范围内广大科研工作者继续开展针对性的研究 工作 ,其稳定性也会得到明显的增强 ,逐步走向实用化。 此外, 超 柔 性 、高质 量 比功率、便于一体 化 集 成 、可与多种传统电 池 制 备 成 叠层电池等 特点 也为 其潜在应 用市场 贏得更为广阔的 空 间 ,未来的光伏市场必将有钙钕矿太阳电池的一席之地。 参考文献: [ 1 ] KOJIMAA,TESHIIMAK , S HI RAIY ,etal .Organometalhal ide perovskites asvisible - lightsensi tizersfor photovol taiccel ls [J] .Jour? naloftheAmericanChemicalSociety , 2009 , 13 1( 17): 6050-6051 . 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