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钙钛矿是否会成为下一代新型光伏电池?
来源: | 作者:张果 和君咨询高级咨询师、新能源事业一部副总经理 | 发布时间: 2023-03-20 | 1486 次浏览 | 分享到:
随着全球对可再生能源的需求不断增加,太阳能电池作为其中一种重要形式,正迅速发展。传统的硅基太阳能电池虽然在效率、稳定性和可靠性等方面已经取得了很大的进展,但是其制造成本较高,制造过程也存在一些环境问题。因此,科学家们一直在寻找新型的太阳能电池材料,以提高光电转换效率和降低制造成本。

在这些新材料中,钙钛矿因其高效的光电转换和制造成本低的特点而备受关注。本文将从钙钛矿的特性和应用前景、优势、挑战等方面进行分析,探讨其是否会成为下一代新型光伏电池。



钙钛矿的特性和应用前景

钙钛矿是一种化学式为ABX3的化合物,其中A是一种较大的阳离子,如甲基铵、铵离子或钠离子等;B是一种小的阳离子,如钛、锡或铅等;X是一种阴离子,如氯、溴或碘等。钙钛矿因其良好的光电性能而成为下一代光伏电池的候选材料之一。它的主要特性如下:

1. 高光吸收和高光电转换效率
钙钛矿具有较宽的光吸收范围和高的吸收系数,可以吸收可见光和近红外光谱中的大部分光子,并将其转化为电荷载流子。其光电转换效率已经超过了20%,远高于传统的硅基太阳能电池。
2. 成本低
钙钛矿的制备成本相对较低,主要原材料易得且价格便宜,制造过程简单,也不需要高温高压条件,这也是它成为下一代光伏电池材料的原因之一。
3. 多样化的应用
钙钛矿不仅可以应用于光伏电池,还可以应用于LED、光电探测器、电化学电容器、燃料电池等领域,具有广泛的应用前景。


钙钛矿光伏电池的优势

1. 高效率

钙钛矿光伏电池具有高效的光电转换效率,晶硅电池理论效率极限29.4%,目前最高已达26.8%,而单结钙钛矿肖克利极限33.7%,可调整配方来靠近理论上限,目前钙钛矿最高单结效率已达到25.7%。如果与晶硅叠层,采用1.12eV带隙的晶硅电池与1.73eV钙钛矿电池串联,可以保证太阳光谱照射的最佳分布吸收,全谱匹配两结叠层电池的效率理论极限可超过43%。 
2. 制造成本低 
钙钛矿组件目前产能投资略低于晶硅组件,未来仍有下降空间。钙钛矿组件生产流程简单,可在45分钟内将化工原料、玻璃、靶材、胶膜在单一工厂加工为组件,目前GW级别晶硅组件产能投资需要7.5亿元,钙钛矿组件投资需5-7亿元,略低于晶硅。考虑到目前钙钛矿电池处于起步阶段,晶硅电池产业链已经成熟,预计未来钙钛矿组件产能投资大幅小于晶硅组件。
3. 生产工艺简单
钙钛矿的制造过程比较简单,可以采用溶液法、气相沉积法等常见工艺,不需要太高的温度和压力,生产工艺较为灵活,也比较易于扩展生产规模,具有更大的市场潜力。
4. 高弱光效应
钙钛矿光伏电池光吸收系数和带隙高,弱光效应好。由于光吸收系数倒数的物理意义是,当光强衰减到入射光强度的1/e时,光所经过样品的厚度,所以光吸收系数越高,同等材料厚度下所需光照少。晶硅电池在可见光范围吸收系数不到104cm-1,钙钛矿材料厚度仅百纳米时,吸收系数就可以达到105cm-1,光系数高,捕光能力强,具备较好弱光效应。在弱光下,电池带隙接近2eV时,理论最高效率可达52%,晶硅电池带隙1.1eV,远小于2eV,钙钛矿电池带隙1.55-1.7eV,接近2eV,在阴雨天气和日出日落等弱光场景,能够维持较高电池效率,保持稳定运转。
5. 下游应用广阔
钙钛矿电池可用于制作BIPV幕墙和屋顶。23年分布式光伏在商业建筑和公共建筑的立墙应用占比预计分别可达到15%、20%,在商业建筑和公共建筑的屋顶应用占比预计分别可达到15%、30%,BIPV应用市场广阔。钙钛矿电池具备轻薄特性、高转换效率优势,同时颜色可调节,在BIPV市场具备竞争力。

全球新能汽车维持高速增长,钙钛矿电池可用于制作车顶光伏。23年全球新能源汽车预计可突破1300万辆,可安装光伏电池面积预计可达30万平米,是未来光伏领域重要开拓市场。钙钛矿电池具备高弱光效应,在不良天气条件下,有利于维持稳定发电,是作为车顶光伏的优良材料。



钙钛矿光伏电池面料的挑战

1. 稳定性

钙钛矿光伏电池的稳定性较差,易受到氧化、湿度、光照等环境因素的影响,这也是目前钙钛矿光伏电池面临的主要问题之一。
2. 耐久性
钙钛矿光伏电池的耐久性较差,使用寿命短,需要经常更换,这也是制约其产业化的主要因素之一。
3. 毒性
钙钛矿光伏电池中含有铅等有毒物质,使用和回收处理需要特别注意环保和健康问题。
4. 规模化生产
钙钛矿光伏电池的规模化生产技术还不够成熟,制造工艺还需要不断优化,才能达到大规模应用的标准。
综上所述,钙钛矿光伏电池高效率、低成本、生产工艺简单、高弱光效应、下游应用广阔等优势,且具备轻薄、可弯曲特性、同时颜色可调节,在BIPV和车顶光伏市场具备竞争力,可广泛应用于各种场景,有望成为新一代光伏发电明星材料。


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