《科学》刊文评述钙钛矿太阳能电池商业化挑战

         921日,《科学》杂志在线刊发了题名为《钙钛矿太阳能电池商业化挑战》综述文章[1],详细阐述了近年来钙钛矿太阳能电池在器件结构性能、稳定性、规模化制造技术等方面取得的重要科研进展及其商业化应用面临的潜在系列挑战。报告的关键要点如下。

  1、器件结构和性能

  1)目前钙钛矿太阳能电池主要结构体系分为两类:一是类染料敏化太阳能电池的介孔结构,而根据电子传输层和空穴传输层的位置不同,介孔钙钛矿太阳能电池又可以细分为正向结构和反向结构;二是类聚合物太阳能电池的平面型结构,即分层结构中用平面的电子传输层替代介孔电子传输层,即电池结构不含有介孔层。

  2)光电转换效率逼近单晶硅。目前光电转换效率最高的电池采用的是传统介孔结构,单结的小面积(0.09平方厘米)介孔钙钛矿电池转换效率已经达到了23.3%,与商业化多年的多晶硅电池、碲化镉、铜铟硒镓(CIGS)等化合物薄膜电池相当,逼近单晶硅。而为了突破单结太阳能电池Shockley-Queisser效率极限,研究人员还开发了基于钙钛矿电池的串联多结太阳能电池,效率提升到了25%左右的水平。

  2、器件稳定性

  1)器件稳定性问题突出。钙钛矿薄膜易于受到水分、氧气、紫外光照等因素的影响而引起薄膜降解,从而导致电池性能逐步衰退,也即电池存在严重的稳定性问题,这成为了电池迈向商业化的致命阻碍。

  2)稳定性问题解决方案。目前发展的主要解决方案,包括电池封装、钙钛矿结构维度下降(三维到二维)、增加疏水层等;例如,通过封装工艺降低水和氧气造成的钙钛矿层分解,选用更加稳定的新材料替代不稳定传输层,提高器件稳定性等。经过多年的技术攻关,目前钙钛矿电池的稳定性问题得到了一定的改善,在温度55℃、功率为1千瓦/平方米的辐照下钙钛矿太阳能电池的实现了1万小时左右稳定运行而没有出现明显的性能衰退,相当于能够在大多数欧洲国家提供10年的户外使用期限。不过,需要指出的是,钙钛矿太阳能电池标准化测试方法还需要进一步统一化。除此之外,还要提高测试报告的透明化,譬如需要提供初始的器件性能、归一化参数等数据。

  3、规模化制造工艺

  1)高效率(超过20%)电池还是局限于小面积器件。当前无论是单结还是多结钙钛矿电池,其高效率的电池均是小面积尺寸(小于1 平方厘米),不利于商业化生产。因此想要让钙钛矿太阳能电池走出实验室迈向商业应用就必须发展大面积的规模化制造技术。

  2)相关公司和研究团队已经开始了卓有成效的尝试,不同工艺在大面积领域被积极尝试并取得了初步效果:杭州纤纳光电科技有限公司得到面积为17.8平方厘米的刚性钙钛矿电池模块,获得了17.4%转换效率;荷兰Solliance公司利用卷对卷工艺制备了169平方厘米柔性钙钛矿电池,其转化效率为11.1%;华中科技大学光电国家实验室采用丝网印刷工艺得到了面积为100平方厘米的电池模块,其转换效率超过10%。由上可见,通过各方努力钙钛矿太阳能电池在规模化制造工艺方面取得了显著进步。然而,商业化生产不止要求规模化生产技术,还要考虑退役电池的回收处理问题、生产线的安全操作问题(钙钛矿部分原材料具有毒性)等,上述问题都需要一一解决。

  文章最后总结道,钙钛矿太阳能电池的研究已经涵盖了从基础研究到产业应用的方方面面,既有电池机理相关基础科学问题,又有工业级的制造和应用问题。未来,科技界和企业界需要在光伏组件大面积制造技术、长程稳定性、有毒原材料替换处理、标准化测试方法、废旧电池回收等方面加大研究力度。而随着学术界和企业双方合作的加强和研究深入,阻碍钙钛矿电池商业化进程的问题会逐步得到解决。   (郭楷模)

 

  


 

[1] Perovskite Solar Cells on the Rise, With Likely Commercialization in 2019. http://science.sciencemag.org/content/361/6408/eaat8235?rss=1/blog

原文始发于:《科学》刊文评述钙钛矿太阳能电池商业化挑战

 

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