高效钙钛矿太阳电池研究及其产业化进展

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高效钙钛矿太阳电池研究及其产业化进展 易炸 （中国电子科技集团公司第十八研究所，天津３００３８４） 摘要钙钛矿材料作为当前太阳电池领域的研究热点之一，在过去的十年间经历了飞速发展。由于具有带隙连续可调、 轻质、柔性、制备工艺简单、设备成本低等诸多优点，其在许多领域均有着广阔的应用前景。系统总结了钙钛矿材料的主 要特性、最新研究进展及相关的产业化进展情况，并对其具体应用前景、潜在应用市场进行了展望。 关键词钙钛矿；光电转换；叠层电池；柔性 中图分类号ＴＭ９１４文献标识码Ａ文章编号１００２－０８７Ｘ（２０２０）０７－１０７３－０３ ＤＯＩ  １０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－０８７Ｘ．２０２０．０７．０３８ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓｏｎｈｉｇｈ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅｓｏｌａｒｃｅｌｌｓａｎｄ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｉｚａｔｉｏｎ ＹｌＷｅｉ （ＴｉａｎｊｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｏｗｅｒＳｏｕｒｃｅｓ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００３８４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ，  ａｓｏｎｅｏｆｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｈｏｔｓｐｏｔｓｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｓｏｌａｒｃｅｌｌ， ｈａｓｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｄｒａｐｉｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｉｎｔｈｅｐａｓｔｄｅｃａｄｅ．Ｄｕｅｔｏｉｔｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓａｄｊｕｓｔａｂｌｅｂａｎｄｇａｐ，  ｌｉｇｈｔ ｗｅｉｇｈｔ，ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ， ｓｉｍｐｌｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｌｏｗｅｑｕｉｐｍｅｎｔｃｏｓｔ，ｉｔｈａｓｂｒｏａｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔｓｉｎｍａｎｙｆｉｅｌｄｓ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ， ｔｈｅ ｍａｉｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ， ｔｈｅｌａｔｅｓｔｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓａｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｅｄｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｉｚａｔｉｏｎｐｒｏｇｒｅｓｓａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ，  ａｎｄ ｉｔｓｓｐｅｃｉｆｉｃａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔａｎｄｐｏｔｅｎｔｉａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｍａｒｋｅｔａｒｅｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ． Ｋｅｙ  ｗｏｒｄｓ ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ；ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ； ｔａｎｄｅｍｓｏｌａｒｃｅｌｌ；ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ 近年来，能源短缺和环境污染问题日益成为世界各国关 注的焦点，光伏技术作为未来能源供给问题解决方案候选之 一，符合社会发展的历史潮流和国家能源战略方针。因此，高 效太阳电池研发及其系统集成技术已在全世界范围内引起前 所未有的关注。钙钛矿太阳电池（ＰＳＣｓ）是当今最有前途的几种 光伏器件之一，且发展势头迅猛，受到世界范围内科研工作者 及各大太阳电池厂商的关注。 自２００９年首次报道应用钙钛矿结构材料做为光伏电池 研究至今，钙钛矿太阳电池取得了长足的进步ｗ，图１中给出 了最新一期的美国可再生能源实验室公布的钙钛矿太阳电池 效率表，可以看到韩国化学技术研究所和美国麻省理工学院 联合研发的钙钛矿太阳电池光电转换效率高达２５．２％，已经接 近晶体桂太阳电池的最佳效率。而一直被人们所垢病的电池 稳定性问题也有了长足的进步。上海交通大学的韩礼元教授 课题组所报道的基于稳定结构的异质结钙钛矿结构太阳电池 在６０ ’ ｃ下，经过１〇〇〇ｈ的连续光照，效率值衰降不超过 １０％，妈钛矿太阳电池已经从实验室逐步走向实用化［２］。 总结钙钛矿材料的特点，大致有以下几个方面［３］  （１）较高的光吸收系数。钙钛矿材料在３００８００ｎｍ波长 范围内均有非常高的吸收系数（大于３ｘｌＯｋｎｒ１；），厚度不足 收稿日期＝  ２０１９－１２－０６ 作者简介易炜（１９７８男，湖南省人，本科，工程师，主要研究 方向为先进能源系统技术开发。 １ｊｊｉｍ，即可实现对该波段太阳光的充分吸收； （２）连续可调的带隙宽度。通过调节Ａ、Ｂ、Ｘ位置的原子 种类，能够实现对吸收层膜带隙宽度的调节，例如，Ｘ位置当 为Ｉ离子的带隙宽度时最小，为Ｃ１离子时带隙宽度最大，通过 进行调节Ｘ位置卤族元素Ｃｌ／Ｂｒ／Ｉ的元素比例，可使得材料禁 带宽度在１．１８３．０２ｅＶ之间大幅度调节，通过调控钙钛矿材 料中各元素比例，来调控吸收层膜的带宽，可以很好匹配太阳 光谱，提高太阳光谱利用率，同时，这也使得制备钙钛矿叠层 多结电池成为可能； （３）极佳的材料质量。与其他多晶半导体薄膜相比，钙钛矿 薄膜的缺陷态密度非常低（在１〇１５ｃｍ量级，单晶钙钛矿材料 更低至１０ｗ ｃｍ－３量级），正因为此，钙钛矿薄膜的非辐射复合 率很低，钙钛矿中的载流子扩散长度超过１００ｊｕｎ，这一优良 的特性使得钙钛矿电池的开路电压很高，电压损失值（￡８－ＶＪ １０７３ ２０２０．７Ｖｏｌ．４４Ｎｏ．７ 很小，目前，所报道的高效率的钙钛矿电池开路电压损失在 ０，３０．４Ｖ之间，与高效率的硅电池和ＧａＡｓ电池接近； （４）钙钛矿材料可以实现低温结晶，制备工艺简单。钙钛矿 材料成膜温度非常低，低于１ＣＫＴＣ就可实现高质量结晶，这就 会大大降低工艺成本，同时也使得制备全柔性太阳电池成为 可能，特别适合卷对卷连续制备工艺。 １高效太阳电池研究现状 １．１单结钙钛矿太阳电池 目前，针对轉钛矿太阳电池的研究工作主要集中于精确 调控材料组分、优化轉钛矿材料制备工艺、修饰界面状态抑制 载流子复合、开发稳定性更为优异的全无机钙钛矿材料、开发 环境友好的无Ｐｂ钙钛矿材料等方面，且在很大程度上取得了 可喜进展。如上海交通大学的韩礼元教授课题组采用在富Ｐｂ 材料表面制备功能化的石墨烯层来降低载流子的界面复合， 所制备的１ｃｍ２电池效率超过了２１％ｈ；瑞士联邦理工学院的 ＭｉｃｈａｅｌＧｒａｔｚｅｌ教授课题组采用多种铵盐（乙基胺、碘化胍等） 处理材料表面所制备的电池效率达到２２．３％，且其在标准光照 条件下经过５５０ｈ后效率衰减不超过５％，表现出良好的稳定 性％韩国化学技术研究所ＳａｎｇＳｅｏｋ教授报道的有机－无机 杂化钙钛矿结构太阳电池，通过在溶液中添加元素硫提升前 驱体溶液的稳定性ｈ目前其课题组钙钛矿电池的最高效率为 ２４．２％；在无机钙钛矿太阳电池研究方面，Ｗａｎｇ等联合开发的 用胆碱碘处理材料表面，所制备的＠－（＾１＞１３相的全无机太阳 电池效率达到１８．４％，同时具有非常好的环境稳定性％ １．２叠层电池制备技术 传统种类的太阳电池已经发展数十年，其中单晶硅电池 最高效率已经超过２６％，ＣＩＧＳ太阳电池效率也已高达２２．９％， 继续大幅度提升电池的光电转换效率已变的非常困难，而制 备多结叠层太阳电池是继续保持光电转换效率提升的主要方 法。在现有太阳电池制备技术条件下，采用宽带隙的钙钛矿太 阳电池做为顶电池，与窄带隙的晶体硅太阳电池、ＣＩＧＳ太阳 电池进行叠层制备，如图２所示，可提高太阳光谱的利用率， 经计算，这两种类型叠层电池的理论转换效率均超过３２％。目 前，实验室所制备的钙钛矿－晶硅叠层太阳电池最佳转换效率 已经达到２８％，钙钛矿－ＣＩＧＳ叠层太阳电池最佳转换效率达 到２３．９％ｐｉ，全钙钛矿叠层太阳电池效率已达到２４．８％，效率 均仍有进一步提升空间。 总结制备叠层电池的关键技术问题主要有（１）因为叠层 电池制备过程历经多步工艺，这就要求所制备的钙钛矿电池 矿鮝ＳＷＵ矿／〇ＧＳＳ钙Ｉｔ矿ｍｕｉｒｉｓ ｉｇｓｓｃ ｔｔｔＴｔｔｔｔｔｔＯｂ． （）钙钛矿－晶桂 （酬钦矿－ＣＩＧＳ蜃层（ｃ）ｆｔ钛矿－钙妹矿 荇ｗ人ｍ屯池太⑷ 电池否池 图２ 钙钛矿叠层太阳电池示意图 的各功能层（特别是钙钛矿材料本身）要有较好的稳定性，这里 的稳定性包括热稳定性和化学稳定性；（２）优化顶、底电池的光 学设计来增强电池对光的吸收，同时要注意平衡顶、底电池电 流，因为叠层电池的电流值是由顶、底电池电流的最小值来决 定的，避免电流的浪费；（３）通过缓冲层或其他技术手段，实现 顶层透明电极的最优化制备；〇４）设计两结电池之间的隧穿复 合层并提升其制备质量，减少太阳光在此部分的浪费和电流 损失。 ２钙钛矿太阳电池产业化现状 近五年来，越来越多的企业开始投人到大面积的钙钛矿 光伏组件研发中，其中具有代表性的有英国牛津大学的 Ｓｎａｉｔｈ创办的牛津光伏，其致力于钙钛矿－晶硅叠层太阳电池 的研发工作，公司在２０１９年的欧洲光伏会议上报道了最新研 究成果一光电转换效率超过２８％的硅钙钛矿叠层电池，并 展示了最新开发的３８０Ｗ叠层电池组件。中国杭州纤纳光电 在国际范围内是较早开展钙钛矿产业化研究的公司之一，目 前其已具备光电效率为１７．３％的刚性钙钛矿小型组件（面积 １７．８ｃｍ２）的生产能力，如图３（ａ）所示％荷兰的Ｓｏｌｌｉａｎｃｅ公司 开发了面积达到１４４ｃｍ２、填充因子高达９０％的半柔性钙钛矿 模组，组件效率达到１３．８％、个别电池效率达到１４．５％，如图３ （ｂ）所示。波兰的Ｓａｕｌｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ团队基于喷墨打印方法开 展半透明柔性钙钛矿光伏电池研发工作，图３（ｃ）是其展示的样 品。华中科技大学武汉光电国家研究中心采用丝网印刷技术， 用低成本的碳材料替代传统的贵金属作为太阳电池上电极材 料，制备得到了面积１００ｃｍ２、效率大于１０％的钙钛矿光伏组 件，如图３（ｄ）所示。此外，澳洲的ＧｒｅａｔｃｅｌｌＳｏｌａｒ公司研制了效 率为１２％边长为１０ｃｍ的方形组件。湖北万度光能有限责任 公司（鄂州）建设了１１０ｍ２可印刷钙钛矿太阳电池的小型示范 系统，苏州协鑫纳米科技有限公司开发了效率高达１６．４％的柔 性钙钛矿电池组件，这些成果均表明钙钛矿光伏组件具有良 好的应用前景。 ＜ａ）杭州纤纳光电１７．８ｃｍ１刚ｆｌｉ组件  （ｂＷｉ的Ｓｏｌｌｉａｎｃｅ公司丰丨组件； （ｃ破 ’ ５．的Ｓａｕｋ，ＴｅｃｈｎｏｌｔｉｇｉｅｓＵＩ队汗发的 ’卜．逆明托丨ｉ丨ｒ太Ｋ丨电池ｆｔｉｌｉ ’ ｉ  （＜〇中中科技大学制备的丨００ｅｒａ１钙钛矿光伏组件 图３钙钛矿太阳电池组件 综上所述，钙钛矿电池走向商业化主要有两方面的挑战  （１）如何量产用于规模电站的光伏组件，并与传统光伏材料在 大面积电池效率、价格、稳定性等方面进行竞争；（２）如何将钙 ２０２０．７Ｖｏｌ．４４Ｎ〇．７ １０７４ 钛矿电池应用在新兴领域，发挥其轻质、柔性、制备工艺简单、 电池可定制不同尺寸等优势，完成从电池制备到组件应用的 全套设计。 ３应用前景 基于高的质量比功率及柔性化的特点，钙钛矿太阳电池 已成为了飞行器（无人机、平流层飞艇等）能源供给的候选之 一。特别是近年来，各种飞行器均朝着纯电驱动、小型化、异形 化的方向发展，这对飞行器的能源系统比能量、柔性程度等提 出了更高的要求，高效钙钛矿太阳电池、钙钛矿基叠层太阳电 池在这些方面优势明显，其研发也越来越受到广大科研工作 者的重视。 钙钛矿电池另一个有优势的应用场景是现在非常火热的 智能可穿戴电子消费类产品市场。由于钙钛矿太阳电池可低 温下在柔性衬底上制备，能够实现与需要供电的设备紧密贴 合，不需其它粘结材料的辅助。此外，通过对钙钛矿电池进行 弯曲等相关测试发现弯折所带来的电池效率损失非常小。因 此，柔性钙钛矿太阳电池能为日常可穿戴设备供电，如智能手 表、智能眼镜、智能衣物等；同时可集成于军用装备上，如军用 手表、帐篷、背包、武器、通讯设备等。 光伏发电发展至今，应用领域已开始从传统形式逐渐向 特殊场景方向发展。在建筑幕墙、玻璃上推广光伏发电技术不 但可以充分利用建筑物的纵向空间，不需要占用额外的场地， 减少电流输运过程中所带来的费用和能耗，而且可以实现外 观的美化，一举多得。钙钛矿太阳电池可以根据要求定制不同 的尺寸，实现一体化集成，其掺杂不同元素可以制备多种颜色 的太阳电池，且可实现半透明电池制备，在光伏建筑一体化 （ＢＩＰＶ）方面有着得天独厚的优势，图４为应用钙钛矿组件所制 备的建筑物外墙。 图４钙钦矿太阳电池组件在ＢＩＰＶ中的应用 最后，在空间领域，钙钛矿太阳电池也有着良好的应用潜 力。日本航空航天研究所的实验室研究表明，封装后的钙钛矿 电池在－８０１０（ＴＣ的条件下展现了良好的热稳定性，且在强 度１０７倍于自然空间条件的质子束照射下仍呈现出良好的稳 定性。硅和ｍ－ｖ太阳电池在该强度的质子束辐照下均会遭到 破坏。钙钛矿电池的稳定性主要受环境中水汽的影响，由于太 空中是无水无空气环境，因此钙钛矿电池在太空环境中应该 具有很好的稳定性。欧洲的科研团队已开展了钙钛矿电池在 空间的应用研究，相信不久的将来，钙钛矿太阳电池也将应用 于空间探测领域。 ４结束语 韩钛矿太阳电池制备工艺简单、设备投人小、理论成本低， 其优异的光电性能通过近年来电池效率的快速提升被越来越 多的人所认可。基于上述诸多优点，钙钛矿太阳电池能量回收 期小于传统的晶硅太阳电池及ＣＩＧＳ薄膜太阳电池。我们相 信，伴随着世界范围内广大科研工作者继续开展针对性的研究 工作，其稳定性也会得到明显的增强，逐步走向实用化。此外， 超柔性、高质量比功率、便于一体化集成、可与多种传统电池制 备成叠层电池等特点也为其潜在应用市场贏得更为广阔的空 间，未来的光伏市场必将有钙钕矿太阳电池的一席之地。 参考文献 ［１］  ＫＯＪＩＭＡＡ，ＴＥＳＨＩＩＭＡＫ， ＳＨＩＲＡＩＹ，ｅｔａｌ．Ｏｒｇａｎｏｍｅｔａｌｈａｌｉｄｅ ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅｓ ａｓｖｉｓｉｂｌｅ－ｌｉｇｈｔｓｅｎｓｉｔｉｚｅｒｓｆｏｒ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｃｅｌｌｓ ［Ｊ］．Ｊｏｕｒ ｎａｌｏｆｔｈｅＡｍｅｒｉｃａｎＣｈｅｍｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ， ２００９，１３１（１７） ６０５０－６０５１． ［２］ＷＡＮＧＹＢ，  ＷＵＴＨ， ＢＡＲＢＡＵＤＪＬ，ｅｔａｌ．Ｓｔａｂｉｌｉｚｍｇ  ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃ ｔｕｒｅｓｏｆｓｏｆｔｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ［Ｊ］． Ｓｃｉｅｎｃｅ， ２０１９， ３６５ ６８７－６９１． ［３］ ＲＡＪＡＧＯＰＡＬＡ，ＹＡＯＫ， ＪＥＮＡＫＹ．Ｔｏｗａｒｄ ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅｓｏｌａｒｃｅｌｌ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｉｚａｔｉｏｎａｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｒｏａｄｍａｐｂａｓｅｄｏｎｉｎ－ ｔｅｒｆｅｃｉａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［Ｊ］．ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ， ２０１８， ３０（３２） １－４５． ［４］ＡＬＨＡＲＢＩＥＡ，ＡＬＹＡＭＡＮＩＡＹ，ＫＵＢＩＣＫＩＤＪ．Ａｔｏｍｉｃ－ｌｅｖｅｌ ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆａｍｍｏｎｉｕｍｓａｌｔｓｅｎａｂｌｉｎｇｈｉｇｈｌｙ ｅｆｉｃｉｅｎｔ ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅｓｏｌａｒｃｅｌｌｓ［Ｊ］． ＮａｔｕｒｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１９，１０ ３００８． ［５］ ＭＩＮＨ，ＫＩＭＧ，ＰＡＩＫＭＪ，ｅｔ  ａｌ．Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｐｒｅｃｕｒｓｏｒｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｎｄｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅｌａｙｅｒｂｙ  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动力池财鹣 本书从基本的新能源汽车讲起，全面介绍了新能源汽车与绿色环境、新能源汽车的心脏－－动力电池、动力电池 的类型、动力锂离子电池的材料、动力金属氢化物－镍电池材料、超级电池和铅碳电池材料、燃料电池材料的研究成 果和未来发展趋势，集科学性、知识性和系统性于一体，可读性强，适合企业、科研、学校、商贸、咨询、媒体的相关人 员参考学习。 １０７５ ２０２０．７Ｖｏｌ．４４Ｎｏ．７