什么是钙钛矿太阳能电池

随着能源、环境问题日渐突出,太阳能发电作为新能源产业的中坚力量获得了大量的关注.其中,太阳能电池的发展对于整个光伏行业来说至关重要.目前晶硅太阳电池技术成熟,是市场上的主流,但是存在成本过高、效率面临瓶颈等问题;而薄膜太阳电池整体效率并不理想,难以实现大规模量产.在此情况下,研发原料资源丰富、无毒且环境友好、基于薄膜技术且有高转化效率的新型太阳能电池成了当务之急.

其中新型钙钛矿太阳能电池是近几年来的研究热点,钙钛矿太阳能电池由敏化太阳能电池改进发展而来,具备更加清洁、便于应用、制造成本低和效率高等显着优点.尽管钙钛矿太阳能电池的研究如火如荼,但面临的问题也值得重视.首先这种新型太阳能电池在组装过程中存在稳定性问题,包括材料的稳定性以及高效电池器件的稳定性都存在很大的问题;其次,有机-无机杂化钙钛矿材料中含有重金属铅,铅是剧毒性物质,对环境污染严重;最后,钙钛矿层的形貌和结晶程度对钙钛矿电池性能起决定性作用,而影响这些材料性质的因素很多,需要更多的研究和探索.

钙钛矿电池结构(图)

目前,钙钛矿太阳能电池离商业化大规模发展仍然存在不小的距离,而全球的科研团队正日以继日的推动钙钛矿太阳能电池的发展,让我们一起来看看,在过去的一年,钙钛矿太阳能电池都取得了哪些研究进展.

1、韩国科学家提高钙钛矿太阳能电池转化效率达到22.1%

钙钛矿太阳能电池的吸光材料通常采用铅或镍的卤化物,这类吸光材料光电性能优良、制造成本较低,是近年来的研究热点.

通过改进钙钛矿太阳能电池金属卤化物吸光材料的制造方法,韩国科学家将钙钛矿太阳能电池的能量转化效率提升到22.1%,此前钙钛矿太阳能电池转化效率的最高纪录是20.1%.

铅或镍的卤化物晶体结构中的微小缺陷会妨碍光能转化为电能,是限制钙钛矿太阳能电池转化效率的关键因素.据了解,新方法由该机构与韩国化学技术研究所、汉阳大学共同研发,关键在于减少吸光材料的结构缺陷.具体是在作为原料的有机阳离子溶液中额外添加了碘离子,制造出了晶体结构缺陷较少的吸光材料.

实验表明,用这种低成本方法制造金属卤化物吸光层,可使小型钙钛矿太阳能电池的转化效率提高两个百分点,相关成果已获得美国国家可再生能源实验室认可,论文发表在美国《科学》杂志上.

2、杭州纤纳光电钙钛矿薄膜大面积组件效率三破世界纪录

在短短一年时间三次打破世界纪录,而且效率的提升相对于太阳能电池这个行业来说都属于"大跃进".15.2%、16.0%、17.4%,这三个数字诉说着杭州纤纳光电在2017年的荣耀.

据了解,早在2016年,纤纳光电团队就解决了钙钛矿光伏组件大面积生产均一性的问题,从而将钙钛矿光伏组件效率的世界纪录从从12.1%提高到了15.2%,在进一步优化生产工艺之后,该效率提高到了16.0%,在几个月之后,这一效率又被刷新为17.4%,这样的组件效率值已经与市面上常见的多晶硅组件效率不分上下.

目前主要的高效率单体钙钛矿太阳能电池的制备方法都只适用于实验室的小面积测试,少数大面积钙钛矿太阳能电池组件的认证效率都不超过12.1%,大面积的组件无法复制大学实验室里小型电池的转化效率,是目前钙钛矿电池难以商业化发展的主要制约因素之一.杭州纤纳光电制备出的大面积钙钛矿薄膜光伏组件效率突破到17.4%,为后续实现钙钛矿电池产业化应用奠定了基础.

3、日本提高钙钛矿太阳能电池转换率

据日本媒体报道,针对新一代太阳能电池"钙钛矿太阳电池"材料,东京大学先端科学技术研究中心的科研人员,通过添加地球上较多存在的钾元素,实现了结晶构造的稳定性,在不使用铷等稀有金属的前提下,实现了20.5%的高转换效率.

目前,钙钛矿太阳电池转换效率大于20%的太阳能电池,多数采用铷、铯等稀有金属来维持结构稳定.而东京大学研究小组在特定条件下通过添加钾元素保持结晶结构,在完全不使用稀有金属的前提下,成功制作了无缺陷规整的发电层,由于对电子流动不形成阻碍,从而提高了转换效率与发电安定性.

此外,该研究组还确认采用钾使电流、电压变化的方式,可抑制发电量变化的"迟滞现象".比使用铷等金属的抑制效果更高,可做到更稳定的发电.

4、上海交大团队研发出高效率钙钛矿太阳能电池模块

国际著名学术期刊《Nature》在线发表了上海交通大学韩礼元教授团队的研究成果.该团队使用更加经济安全的新方法制备出比蝉翼还薄数十倍的大面积钙钛矿薄膜,向实现大规模低成本太阳能发电的目标迈出了重要一步.

钙钛矿太阳能电池材料结构十分脆弱,因此其薄膜面积很难做大,这已经成了世界级难题.之前,科学家一直尝试用"真空蒸镀法"和"溶液法"来制作钙钛矿薄膜,超过20%认证效率的钙钛矿太阳能电池面积顶多像个米粒那么大.韩礼元教授团队研制出的钙钛矿薄膜,比蝉翼还要薄上几十倍,只有1微米,面积达到400平方厘米.

据了解,韩礼元教授团队引进甲铵气体,利用化学反应和创新的制备技术,制备出有效面积达36.1平方厘米的模块,在国际机构首次获得12.1%的认证效率,创下了第一个大面积钙钛矿模块的效率世界纪录.

上海交通大学材料科学与工程学院金属复合材料国家重点实验室韩礼元教授预计未来大面积钙钛矿模块的效率将做到16%、18%,下一步将尽快想办法把效率提高,然后将面积再做大.韩礼元教授表示,成本上来看,大面积钙钛矿模块转化率达到15%以上,其成本就可以比硅电池便宜一半以上.

5、有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池研究获进展

虽然有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的光电转化效率已提升到22.1%,但是还是存在稳定性、迟滞效应及大面积制备等问题.目前广泛报道的快速退火方法制备的钙钛矿太阳能电池器件的J-V曲线表现出明显的迟滞效应.

中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心熊奕敏课题组副研究员曹亮与中科院上海应用物理研究所高兴宇课题组、苏州大学孙宝全课题组合作,发现提高有机-无机杂化钙钛矿薄膜结晶相纯度尤其是表面结晶相纯度,能有效消除钙钛矿太阳能电池器件迟滞效应和提升器件性能,并且器件迟滞效应的消除并不依赖于器件结构.此项研究揭示了钙钛矿结晶相纯度尤其是表面结晶相纯度对器件J-V迟滞效应有重要影响.

据了解,研究人员利用上海光源的掠入射X射线衍射(GIXRD)对制备的CH3NH3PbI3-xClx薄膜进行了系统表征.通过改变X射线的探测深度发现钙钛薄膜结晶相不纯,尤其是薄膜表面存在明显的多相结构.

为了明确有机-无机杂化钙钛矿薄膜结晶相纯度,尤其是表面相纯度对器件迟滞效应和性能的影响,研究人员通过优化后处理条件提高了的CH3NH3PbI3-xClx薄膜的结晶相纯度,消除了薄膜表面的多相结构.基于此类薄膜的器件未表现明显迟滞效应,且光电转换性能得到进一步提升.

值得说明的是,器件迟滞效应的消除并不依赖于器件结构,即正式N-i-P结构或反式P-i-N结构,揭示了钙钛矿结晶相纯度尤其是表面结晶对器件J-V迟滞效应和性能有主要影响.结合XPS和SEM结果,充分说明有机-无机杂化钙钛矿薄膜表面结晶相纯度影响表面或者晶界处低配位的Pb和I离子.这些离子作为电荷陷阱,导致迟滞效应及低光电转化效率.因此,提高钙钛矿薄膜的结晶性、尤其是表面的结晶相纯度,有利于开发高性能无迟滞有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池.

6、瑞士新技术显着提高钙钛矿太阳能电池实用性

目前,钙钛矿太阳能电池商业化的一个限制在于,材料在阳光下容易性能衰减.瑞士科学家将钙钛矿太阳能电池的转化效率提高到了20%并使其更耐用,有望推动钙钛矿太阳能电池更快投入商业应用.钙钛矿太阳能电池在接收太阳光之后,会产生电子和电子空穴,此时就需要一种高效的媒介把它们传输到电极上.目前的媒介材料造价高且不稳定,所以寻找性能稳定和低廉的媒介材料就成了关键.

瑞士洛桑联邦理工学院研究发现,硫氰酸亚铜可作为一种廉价、稳定的媒介材料.钙钛矿太阳能电池如果涂覆上60纳米厚的硫氰酸亚铜涂层,在60摄氏度高温下暴晒长达1000小时的加速老化试验中,性能损耗小于5%.

7、北大研究团队在钙钛矿光伏材料的生长机理原位研究方面取得新进展

钙钛矿太阳能电池分为正式(n-i-p)和反式(p-i-n)两种结构.常规的正式器件制备工艺相对复杂,且与柔性基底的兼容性不好.相比较而言,反式结构器件因制备工艺简单、可低温成膜、无明显回滞效应等优点受到越来越多的关注,但是其光电转换效率还稍显不足.

为解决反式结构钙钛矿太阳能电池器件效率较低的问题,北京大学"极端光学创新研究团队"的朱瑞研究员和龚旗煌院士等从钙钛矿薄膜形貌控制、界面调控及组分优化等角度进行了全面系统的研究,取得了一系列创新成果.

他们利用醋酸铅前驱体体系,先是将微量溴甲胺作为添加剂应用于钙钛矿前驱体溶液中,该策略可以有效改善钙钛矿薄膜的表面形貌,使其光学和电学性能均得到明显提升.最终,基于醋酸铅前驱体的反式平面结构钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从14.26%大幅度提高至18.32%.

随后,他们又借助界面调控,首次在钙钛矿太阳能电池领域提出了"电荷载流子平衡"的概念,并系统地研究和实现反式钙钛矿太阳能电池器件内的电荷载流子平衡,将反式钙钛矿太阳能电池光电转换效率进一步提升至接近19%.

之后,该团队又进一步采用双源前驱体溶液法,在体系中引入"甲脒"有机阳离子将吸收光谱拓展至近红外区域,并结合对空穴传输层的优化,确保了电荷有效传输和收集,同时提升了器件的开路电压,最终将光电转换效率提升至20%以上.

该系列研究工作得到中国国家自然科学基金委、科技部、北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室、"极端光学协同创新中心""2011计划"量子物质科学协同创新中心、"青年"和美国劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)等单位的支持.

8、西安交大在非铅钙钛矿太阳能电池研究中取得重要进展

基于甲基铵铅碘钙钛矿太阳能电池虽然是国际上科研以及产业领域关注的热点,但是有铅的毒性和对环境的损害成为制约其发展的因素之一,因而发展非铅钙钛矿太阳能电池意义重大.对于非铅钙钛矿薄膜(锡基钙钛矿等)而言,其结晶特性、薄膜形态与缺陷等更难控制,而这些缺陷是导致其性能破坏的重要因素,因此高质量、低缺陷非铅钙钛矿(锡基)薄膜的制备技术是突破其发展的关键.

针对非铅钙钛矿电池的技术难点,西安交大电信学院吴朝新教授率领团队系统地开展了新型高质量钙钛矿薄膜制备技术、动力学过程及其高性能非铅钙钛矿太阳能电池的研究,在国际上率先发展了"蒸镀-旋涂"的钙钛矿薄膜制备技术,并基于这种"蒸镀-旋涂/浸泡"薄膜制备技术,成功地解决了锡基钙钛矿成膜的瓶颈,实现高质量低缺陷的锡基钙钛矿薄膜,国际上首次报道室温制备甲眯锡碘钙钛矿太阳能电池其柔性器件光转换效率3.98%.该研究成果在国际顶尖期刊AdvancedMaterials(IF18.96)发表.

9、我国钙钛矿光伏组件制备技术取得突破

目前钙钛矿太阳电池的各项研究都处于快速发展的阶段,但是若要实现商业化发展,钙钛矿电池就必须从电池做到组件,并具备优异的性能.2017年,武汉理工大学程一兵专家团队在两项钙钛矿太阳能电池组件制备技术方面取得突破,达到国际上同类产品的最高光电转换效率.

在5cmx5cm塑料基板柔性钙钛矿太阳能电池组件的研制中,程一兵团队研制出光电转换效率11.4%的钙钛矿电池组件,超越日本东芝公司5cmx5cm柔性钙钛矿太阳能电池组件10.5%的光电转换效率.

程一兵团队在10cmx10cm玻璃基板钙钛矿太阳能电池组件制备技术也取得突破,经国家光伏质量监督检验中心验证,其相关组件光电转换效率为13.98%,在国际上经过验证的同类产品中位居效率首位.

据了解,程一兵团队依托武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室,2015年以来致力于钙钛矿太阳能电池组件制备技术的研发.这两项突破表明我国科研人员在钙钛矿光伏组件制备技术上走在了世界前列.

10、"印刷术"突破柔性钙钛矿太阳能电池难题

中科院化学所绿色印刷重点实验室研究人员利用"印刷术"突破了柔性钙钛矿太阳能电池难题,有望为柔性可穿戴电子设备提供可靠电源.这一成果在国际学术期刊《先进材料》(Adv.Mater.)上刊发.

钙钛矿材料其本身薄,基材厚度在一毫米以内,极具在人体上穿戴的可能;但材质脆,不耐弯折.研究人员通过纳米组装-印刷方式制备出"蜂巢状纳米支架"可作为力学缓冲层,实现了柔性钙钛矿太阳能电池更高的力学稳定性.同时,研究人员在器件内部搭起光学谐振腔,实现了50平方厘米面积上12.32%的光电转化率,在高效率电池在大面积可重复性上取得重大突破.