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挑战30%,钙钛矿的下一个十年

2009年,日本科学家Tsutomu Miyasaka率先将钙钛矿材料用于染料敏化太阳能电池作为吸光材料,采用CH3NH3PbI3敏化TiO2阳光极和液态I3-/I-电解质获得了3.8%的光电转化效率。而后,科学家们对钙钛矿材料和结构进行改善,短短10年内,钙钛矿太阳电池的光电转换效率获得飞速提升,已达到25.2%,2019年,钙钛矿电池也即将要走向商业化生产。

挑战30%,钙钛矿的下一个十年

25.2%的转换效率记录已通过NREL认证,高于CIGS(转换效率=23.4%)、CdTe(转换效率=22.1%)、甚至多晶硅(转换效率=22.8%)。

挑战30%,钙钛矿的下一个十年

图.钙钛矿电池的过去、现在和未来。

未来10年钙钛矿电池发展面临的重大挑战是什么?除致力于达到理论效率极限外,需要将小面积钙钛矿电池积累的技术经验转移到大面积组件和叠层结构器件的商业化生产中,也需要保证钙钛矿电池的长期稳定性。除此,未来可能会发展可回收的钙钛矿电池材料。因此,预测将在以下方面进行研究:

实现转换效率的理论极限值。根据相关参数分析,开路电压(VOC)和填充因子(FF)实验数据与理论值之间存在一定程度的差距。据报道,VOC和FF与非辐射复合有关,包括Shockley-Read-Hall复合和界面复合。因此,需要对界面和晶界进行研究,以便更好地理解复合的起源。人们提出了不同的界面工程技术,但观察到的数据仍显示与理论上值VOC(1.33V)和FF(0.91)存在差异。目前需要寻求一个通用有效的方法在单结钙钛矿电池上获得超过30%的转换效率。

大面积涂层溶液的研究。大面积涂层旋涂过程中的向心力允许在涂层溶液中使用高沸点极性非质子溶剂形成钙钛矿薄膜。然而,用于旋涂方法的极性非质子溶剂溶液仅适用于超过10×10 cm的大面积涂层,这意味着需要为没有向心力的大面积涂层开发新的涂层溶液。

长期稳定性的研究。虽然最近的报告包括稳定性测试结果,但根据国际电工委员会(IEC)提供的光伏测试标准,钙钛矿光伏电池还需要更加准确的测试结果。因此,最好研究钙钛矿电池在1000小时光照和85°C相对湿度、湿热1000小时的稳定性。对于长期稳定的钙钛矿电池,良好的封装可能是最好的方法,材料科学和界面工程是提高对光照、水分和温度的稳定性的先决条件。2D/3D复合钙钛矿相比3D钙钛矿显示出更好的稳定性,界面工程表现出更好的稳定性和更优的性能。

挑战30%,钙钛矿的下一个十年

回收技术。为避免铅浪费,回收技术是十分重要的。可以对废弃的钙钛矿太阳能组件进行化学处理以溶解钙钛矿,需要开发有效的收集铅的方法,特别是收集铅I2、导电衬底和金属电极,实现完全可循环利用。

基于钙钛矿的串联技术。叠层结构被认为是钙钛矿电池进入光伏市场的有效途径之一。钙钛矿电池可以用作顶部单元,较窄的带隙Si或CIGS放置在底部。需要对最佳带隙进行设计,以达到效率的最大化;此外,还应进行光电管理方面的研究,以改善最终叠层结构中的光伏参数;就叠层电池结构而言,钙钛矿顶部电池的正向或反向结构取决于半导体Si的类型。例如,使用p型Si底部电池和在Si底部电池顶部的倒置钙钛矿结构报告了超过25%的转换效率;除了双结之外,三结也可能得到更高的转换效率。模拟结果预测,底部具有1.1 eV Si,中部具有1.44 eV钙钛矿,顶部具有1.95 eV钙钛矿的三结单元可产生约39%的效率。

日前,纤纳光电钙钛矿组件获得全球首次IEC稳定性测试报告,协鑫纳米实用化钙钛矿组件在1241.16平方厘米的有效面积上达到了15.31%的效率,钙钛矿电池商业化已经指日可待,作为最具潜力的电池技术,下一个十年,有足够的理由相信,钙钛矿也将在工业化中实现高效率生产。届时,光伏行业将迎来一场新的变革。

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