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                                  低价高效可印刷的钙钛矿电池?

                                   2020-07-30    116  

                                  近日,众多高校实验室纷纷爆出喜讯:上海交大韩礼元教授团队发声,团队历时3年在大面积高质量钙钛矿薄膜制备的基础上,开发了有效面积36.1cm2的钙钛矿电池模块,在国际认证机构首次获得了12.1%的认证效率。这一成果的出现意味着未来钙钛矿光伏技术有了走出实验室、实现大规模产业化的可能。

                                  华中科技大学自主研发出的新型钙钛矿太阳能电池正在积极准备量产,华科大团队已经获得超过16%的光电转换效率,每峰瓦成本还仅为传统太阳能电池的1/5,每平米预计成本将低至100元。

                                  光电转化率

                                  提及新的光伏材料,首先要考虑到的就是光电转化率,有同学会问,为什么上述两则新闻中所提及的钙钛矿太阳能电池的光电转化率相差4个百分点。

                                  这样的数据差是由于如下几个原因:

                                  第一,钙钛矿电池的光电转化率与其电池面积及厚度有直接关系,依靠现有制备薄膜的技术,钙钛矿薄膜的面积越大,越容易出现瑕疵,电池的效率就越低。超过20%国际认证效率的钙钛矿太阳能电池模块面积只能达到0.04至0.2平方厘米,顶多像米粒那么大,上海交大所提出的12.1%是在面积为36.1cm2的前提下。

                                  第二,在这种钙钛矿 ABX3 结构中,A 为甲胺基(CH3NH3),B 为金属铅原子,X为氯、溴、碘等卤素原子。由于相对复杂的晶体结构对 A、B、X 三个位点上的原子(或基团)半径有着较高的要求,钙钛矿吸光材料的组成比较固定。最近一些研究组用甲咪基取代A位上甲胺基,使带隙变窄(1.48 eV),获得了更高的光电流。对于 B 位上的 Pb 原子,当 Sn 原子替换 Pb 原子后,目前尚未见有光电响应的报道。而 X 位上的原子,目前可以选用氯、溴、碘等卤素原子,但只有以碘为主的钙钛矿有合适的带隙,可以获得高转换效率。除了 CH3NH3PbI3 之外,CH3NH3PbI3-xClx 也是目前研究较多的材料。在保持能级结构基本不变的情况下,少量氯元素的掺杂可以提高电子迁移率,显示出了更加优异的光电性能。因此,部分元素的改变也对光电转化率影响深刻。


                                  目前在高效钙钛矿型太阳能电池中,最常见的钙钛矿材料是碘化铅甲胺CH3NH3PbI3,它的带隙约为 1.5 eV(理论研究表明,能隙在1~1.5eV的材料,对太阳光的吸收效率最高,典型的钙钛矿ABX3的能隙大多落在这个范围),消光系数高,几百纳米厚薄膜就可以充分吸收 800 nm以下的太阳光。而且,这种材料制备简单,将含有 PbI2 和 CH3NH3I 的溶液,在常温下通过旋涂即可获得均匀薄膜。上述特性使得钙钛矿型结构 CH3NH3PbI3 不仅可以实现对可见光和部分近红外光的吸收,而且所产生的光生载流子不易复合,能量损失小,这是钙钛矿型太阳能电池能够实现高效率的根本原因。


                                  钙钛矿电池印刷浆料

                                  成本

                                  一、单价

                                  谈完转化率,接下来首要考虑的就是成本问题。在世界上主要有3种类型的太阳能电池中,最贵的是多结太阳能电池,这种电池用于卫星、无人机等,光电转换效率高达46%,但造价昂贵;最常见的是晶硅太阳能电池,用它做成的光伏发电面板随处可见,光电转换效率约在18%,每平方米造价为500元至700元;其次,是以汉能为代表的薄膜太阳能电池,它的特点是薄,厚度为晶硅电池的1/10,转换效率约为10%—12%,其明星产品“汉瓦”定价为1390元/平方米。而钙钛矿每平米预计成本将低至100元。

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