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太阳能下一代恒星材料背后的现实

2020-02-14 16:04:20来源:

位于日本长崎的Henn na酒店并不缺乏尝试未来技术的机会。它声称是2015年全球第一家配备机器人的酒店,但在其机器人礼仪使一些顾客感到沮丧并且没有降低成本之后,就削减了自动化。现在,Henn na正在测试另一项引人注目的创新:自12月以来,其标志由安装在酒店地面上的原型太阳能电池的弧形墙提供动力。这些电池是由波兰的初创公司Saule Technologies制造的,利用了由钙钛矿制成的微米级薄膜,这种薄膜在短短十年间就从实验室的好奇心发展到太阳能的光明前景。

在过去的18个月中,日本并不是唯一的含钙钛矿太阳能电池在实验室外冒险的地方。索尔将他们高高挂在华沙总部附近的一栋办公楼上。牛津光伏是英国该领域的领先企业,正在德国哈弗尔勃兰登堡的试点工厂进行测试;中国的Microquanta Semiconductor和WonderSolar公司已经在杭州和鄂州市进行了现场测试。全球有十几家公司(见“ olar hopes”,既是知名的电子巨头又是初创企业的混合物),希望很快出售由钙钛矿制成的面板。马萨诸塞州韦尔斯利的BCC Research分析师Margareth Gagliardi表示,数十种产品都涉及产品的制造。

几十年来,晶体硅片一直主导着太阳能产业。可以层叠在薄膜中的其他材料,例如硒化铜铟镓(CIGS)和碲化镉(CdTe),占据了不到5%的市场,因为很难使它们像传统的太阳能电池板一样高效或廉价。 。钙钛矿可能是另一回事。至少在实验室中,它们的制造应更便宜,并且在将阳光转化为电能方面似乎具有惊人的效率。

太阳能的希望

十几家公司参与钙钛矿太阳能电池的商业化。

公司

位置

成立时间

制造目标

绩效要求

能源材料公司

纽约州罗切斯特

2010

卷到卷仅钙钛矿型电池。

未公开

前沿能源解决方案

韩国蔚山

2016

柔性和刚性(玻璃后备)串联电池。

未公开;目标是效率为20%的225 cm2模块。

微量子半导体

中国杭州

2015

刚性玻璃支持的钙钛矿电池。

世界纪录的“尼尼模块”效率为17.3%(17.3平方厘米)。正在进行现场测试。瞄准大型(> 1,000 cm2)模块。

牛津PV

英国牛津

2010

刚性串联(钙钛矿-硅)细胞。与硅制造商合作并制造自己的电池。

经验证的28%效率的串联电池(1 cm2)。声称今年将达到27%的商业规模(243 cm2电池)。正在进行现场测试。瞄准更大的模块。

索尔技术

波兰华沙

2014

于2021年实现商业化生产的柔性,轻质,仅钙钛矿型电池的印刷。

效率为17%的小型电池,效率为10%的模块(100 cm2)。正在进行现场测试。

积水/松下/东芝

日本大阪和东京

长期存在的公司

政府财团的一部分。Sekisui:柔性电池,将于2020年出售。Panasonic:刚性钙钛矿电池。东芝:用于屋顶的轻型模块,将于2025年销售。

关水:在现场测试中,效率为8'0%的900 cm2模块。松下:效率为21.6%的6.25 cm2电池和效率为12.6%的412 cm2模块。

Solaronix SA

瑞士奥博讷

1993

钙钛矿太阳能电池组件,最初集成到建筑物中。

效率为14.9%的电池(1 cm2),效率为12%的100 cm2模块。

舒适度

荷兰埃因霍温

2010

知识/技术提供商与公司合作开发仅钙钛矿和串联电池。

玻璃上0.1平方厘米钙钛矿的效率为19.6%,与硅电池串联时的效率为27%。

迅捷太阳能

科罗拉多州戈尔登

2017

柔性钙钛矿和钙钛矿双色膜。

未公开。

串联光伏

加利福尼亚帕洛阿尔托

2016

钙钛矿串联硅单晶细胞。

未公开。正在开发一个约225 cm2的单元格。

WonderSolar

中国鄂州市

2016

刚性玻璃上的低成本钙钛矿。

效率为12.5%的100 cm2模块。具有演示3600平方厘米的模块。正在进行现场测试。

资料来源:参考1 / NREL

但是,即使是最敏锐的技术倡导者也不认为钙钛矿电池会很快取代硅。取而代之的是,一些公司将低成本的钙钛矿晶体层叠在硅上,以制造“串联”设备,该设备可以转换比单独使用任何一种材料更多的太阳能量。以牛津光伏公司为例,该公司打算在今年生产双结膜,据称其效率将比高端商用太阳能电池板高五分之一。如果在整个行业中推广,每年制造的太阳能电池板的总功率输出将以相同的比例飞跃。该公司首席技术官克里斯·凯斯(Chris Case)说,应该进一步改进。这可能有助于加速采用仅占世界电力2%的技术。凯斯说:“世界需要尽可能多的太阳能。”

同时,Saule和其他公司的目标是在塑料上涂钙钛矿薄膜,以生产轻巧,柔软的产品。尽管效率较低,但这些设备可用于重型玻璃背板可以使用的地方,例如在汽车,轮船,飞机,薄弱的车顶,可卷起的光伏百叶窗或甚至是太阳能板的帆中。

但是,关于新材料仍存在一些基本问题要回答。尚不清楚钙钛矿是否会足够耐用,以在硅面板承诺的25年中能够经受雨水,大风,强烈的阳光和严寒。大多数钙钛矿设备都含有铅,引起人们对毒性的担忧,研究人员并不相信实验室中的效率记录会转化为商业规模。同时,传统的太阳能电池板变得越来越便宜和高效。这使得新材料很难胜过它们,并加快了应对气候变化的努力。加州大学默塞德分校的光伏专家莎拉·库尔兹(Sarah Kurtz)说:“不会把我所有的鸡蛋都放在这个篮子里,以解决世界问题,但我也不会排除一切。”

钓鱼以提高效率

在距牛津大学以北15分钟车程处的牛津光伏研究实验室中,涂有白色涂层,发网状的工人正在测试1平方厘米大小的闪闪发光的黑电池。他们正在探索新的材料组合,这些组合可以更有效地将光转换为电。他们想要的成品类型位于附近的长凳上:一个大型的钙钛矿涂层太阳能电池组件,其大小与标准硅电池一样大,为243 cm2,夹在两块玻璃之间。凯斯说:“测量了数十万个设备。”

研究人员有很多选择,因为“钙钛矿”描述了大范围的晶体结构(请参阅“太阳中的钙钛矿”)。该术语最初是指矿物钙钛氧化物(CaTiO3),它于1839年在俄罗斯乌拉尔山脉发现,并以俄罗斯矿物学家列夫·佩罗夫斯基(Lev Perovski)命名。但是太阳能电池中的钙钛矿与该矿物质几乎没有共同点,只是它们的ABX3结构。

从太阳能的角度来看,这些材料的重要品质是入射光会将其带负电荷的电子震荡到更高的能量状态,从而留下空位或“空穴”?就像带正电的粒子一样如果这些携带电荷的电子和空穴可以避免复合足够长的时间以到达钙钛矿膜上方和下方的电极,那么电流可以流动。

据报道,2009年第一批钙钛矿光伏设备将阳光中所含能量的3.8%转换为电能。但是由于晶体在实验室中非常容易制造(通过将低成本盐溶液混合在一起以形成薄膜),研究人员迅速设法改善了其性能。到2018年,效率已飙升至24.2%,这是美国和韩国研究人员设定的,接近硅实验室记录的26.7%1。两种材料的理论极限值都在30%以下,但典型的商用硅面板徘徊在15-77%,最好的是22%左右。不幸的是,钙钛矿效率记录设置在小于1 cm2的微小样本上,并且性能并未扩大。相比之下,当前记录的实验室硅电池的面积为79平方米,在180平方米的效率下仍达到26.6%(请参阅“细化物质”)。

Kurtz说:“人们还没有表现出以大面积形式生产高效细胞的能力。”一个问题是,在大面积上,很难产生均匀的涂层。另一个是,当在实验室中的微小细胞上工作时,科学家使用透明的电极膜收集电流,该电极膜可以使很多光通过,但也具有微电阻性,这意味着它们会阻挡一些电流。在更大的规模上,这种电阻率成为一个更大的问题,因此商用电池使用的电极膜更加不透明,从而降低了效率。例如,在跨国电子公司松下,研究人员报告了一种6.25平方米的钙钛矿电池,其效率为20.6%2。但是,当将35个单元合并成一个412平方米的模块时,这一比例下降至12.6%3。Microquanta拥有钙钛矿“ ini模块” sup> 1的认证世界纪录,其有效设计的效率为17.3%,由覆盖约17.3'm2的七个单元组成。

尽管如此,钙钛矿电池比硅电池更简单,更便宜。硅的生产开始于将沙子加热到1,800“壜癈。制作高纯度的板坯可以包括将材料溶解在300度的盐酸中。相比之下,Saule可以通过使用喷墨打印机将少量材料沉积到塑料薄膜上来简单地创建解决方案。该公司表示,已经以这种方式制造了中等大小(100平方米)的模块,效率为10%。一些公司使用带图案的滚筒来施加钙钛矿墨水。加利福尼亚州圣卡洛斯市的Swift Solar公司正试图将两种不同类型的钙钛矿电池组合在一起,以创建一个轻量级的串联模块。

但是提高效率的最快途径可能是用钙钛矿来增加硅。去年,牛津PV报道了一种效率为28%的1塩m2串联电池,该电池是通过在硅上涂覆17%的钙钛矿层制成的。钙钛矿可以吸收更多的短波长蓝绿色光,而硅则可以吸收更长的波长红光。到今年年底,该公司的目标是生产效率达到27%的商业级串联电池,性能优于最好的硅板,以供其合作伙伴公司(该公司被冠名)组装成模块。Case说,这些模块将在2020年底之前公开可用。凯斯说,Tandems的理论极限是45%,实际目标是35%,这将是当今性能最佳的商用硅面板的一半。

他们会持续吗?

然而,钙钛矿面临的主要挑战是它们是否能够像硅板一样耐用,而硅板通常具有25年的保修期。钙钛矿的稳定性“需要接近硅所建立的规范”,即“看起来越来越不可能”。格林说,他在澳大利亚悉尼的新南威尔士大学研究钙钛矿和其他太阳能材料。他的团队与两家中国大型太阳能电池板制造商天合光能和尚德在材料上进行了合作。

钙钛矿对空气和湿气很敏感,但这不应成为杀手级的问题。商用太阳能电池板已经将其光伏材料封装在塑料和玻璃中以进行保护。这也可能适用于大多数钙钛矿。更深层的问题在于晶体本身。在某些情况下,结构会随着钙钛矿的升温而发生变化。更改是可逆的,但会影响性能。

研究人员一直在努力解决这个问题:在洛桑的瑞士联邦技术学院(EPFL),由迈克尔·格伦特策尔(Michael Gr盲tzel)领导的团队开发了ABX3结构中具有三个或四个不同“阳离子”的结构。该小组将甲基铵和甲ami阳离子与少量铯和rub4结合在一起。当使用单独的阳离子时,该组合可防止由温度和湿度驱动的结构变化。

另一个问题是,当光照射到钙钛矿晶体上时,小的“-”阴离子可开始在结构内部四处移动。如果阴离子之间存在任何间隙,可能会发生这种情况,从而引发一系列事件,这些事件可能会改变晶体的组成和效率,或导致器件故障。Kurtz说,大多数太阳能技术的效率都有所不同。“钙钛矿以更大的方式存在。”?/ p>

尽管如此,研究人员仍在进步。Grbltzel说:“情况得到了很好的改善。”例如,在2017年,他的团队报告了5个0.16'm2的钙钛矿电池,其效率超过20%,并且在充满阳光的情况下,在1000小时(即41天)下仍能保持其95%的性能。他说,他的团队现在在未出版的工作上的时间增加了一倍。

现场测试

大多数钙钛矿公司尚未公布其稳定性结果。但是他们都说,他们遵循由瑞士日内瓦国际电工委员会(IEC)制定的针对硅太阳能电池板建立的认证标准。该标准称为IEC 61215,涉及室内测试,其中将模块在相对湿度85%的条件下加热到85'达1000小时。面板也从“ 0”到“ 90”循环多达100次,甚至被冰雹轰炸。

如果硅面板在这些测试后仍能正常工作,则应该有机会在典型天气下持续25年。但是由于钙钛矿的不稳定性与硅不同,它们可以通过这些测试,但在现实世界中仍然会失败。公司副总裁Buyi Yan说,例如,Microquanta钙钛矿模块通过了IEC 61215。然而,在杭州进行的现场试验表明,该产品在1英寸的使用寿命内会降低至其初始性能的80%。年平均。他说,“相对于硅面板的使用寿命为25'0年”,这是一个主要缺点。他的联合创始人,公司首席执行官姚继中表示,新模块的降级速度较慢,但​​现在分享细节还为时过早。

凯斯说,牛津光伏串联模块也已经通过了IEC 61215级测试。他指着附近的一个模块问道:“这意味着将持续25年吗?”“凄惨”地知道。所有这些都表明了其长期的耐用性。它们是一个很好的指示,但最终它们是不够的。

格林说,他同意,如果钙钛矿模块出现在挪威专业测试公司DNV生产的行业记分牌的上半部分中,稳定性问题就已经解决了。该公司从每个制造商那里获得了几块面板,并对其进行了电气,光学和温度测试,并比较结果。测试类似于IEC 61215,但旨在更好地捕获长期性能下降。钙钛矿公司尚未出现在名单上。

铅毒性

钙钛矿细胞的另一个潜在绊脚石是它们中最好的包含铅(一种有毒金属)。研究人员尝试了锡等替代品,但性能下降。这并不意味着可以使用这些单元。牛津PV串联电池的生命周期分析表明,如果泄漏,它们所含的少量铅不会对环境毒性产生很大影响。分析还指出,硅电池由于其生产中使用的资源而对整体环境的影响更差。

但是一些研究人员说,含铅排除了在一次性产品中使用钙钛矿的想法。Gr盲tzel认为他们可能会在人们很少去的大型太阳能农场中找到用途。他说:“有人想要出售柔性设备,他们的想法是错误的。”如果孩子刺穿塑料盖会怎样?铅毒性没有任何妥协。

索尔推后反对这一观点。该公司首席科学官Konrad Wojciechowski说,其印刷的轻型模块几乎不含铅。即使将封装好的模块浸泡在水中一年后,残留的铅水平“仍低于世界卫生组织对饮用水中铅的限制”。他说。索尔公司首席技术官奥尔加·马林科维奇(Olga Malinkiewicz)于2014年在博士期间中创立了该公司,并强调该产品将非常坚固。她说:“这将可能会使孩子意外地分解钙钛矿板并使之分层。”

太阳能便宜吗?

对于希望钙钛矿产品能降低太阳能成本的公司而言,还有另一个问题:硅板已经很便宜,价格正在下降。“虽然我发现太阳能行业比以往任何时候都更加激动人心,但它并不需要技术突破,”瑞士苏黎世彭博社新能源网太阳能分析主管詹妮·蔡斯说。这已经是许多国家中最便宜的电力来源之一。晶体硅技术足够好,而且很难被击败。钙钛矿最终可能会将每瓦成本削减几美分,但它们不是我们需要等待的东西。

案例不同意。他认为,他公司的串联模块的价格将比硅模块的价格高,但更高的效率将在几年内将太阳能发电的成本降低17%至3%。这种前景激起了一些大公司的兴趣。3月,牛津光伏从包括中国风力涡轮机制造巨头金风科技(Goldwind)在内的公司获得了3100万英镑(合3900万美元)的融资。总共筹集了7600万英镑。

同时,大多数只生产钙钛矿组件的公司表示,他们希望至少(不是立即)进入主流太阳能电池板市场,这就是为什么他们专注于轻质薄膜。Saule希望在2021年出售柔性钙钛矿层太阳能薄膜,总部位于东京的Sekisui Chemical计划在2020年出售柔性电池,后者是仅次于Oxford的钙钛矿专利的第二大持有人。它参与了与松下和日本电子巨头东芝的大型财团。

一些公司已经摆脱了钙钛矿市场。跨国摄影公司Fujifilm是钙钛矿太阳能专利的第三大持有人。发言人川崎昌平说,但是在对钙钛矿型太阳能电池进行了基础研究之后,它不再开发用于制造钙钛矿型太阳能电池的电池或材料。澳大利亚钙钛矿开发商GreatCell Solar于12月开始管理。尽管它已与世界最大的太阳能电池板制造商之一的中国上海晶科太阳能(JinkoSolar)建立了合作关系,但它未能吸引足够的投资来建立原型工厂。

这些挫折表明钙钛矿的好处没有像提倡者所希望的那样容易获得。他们强调了户外试验的重要性。Grbltzel说,他还需要更多此类工具。他回忆起去年夏天在中国鄂州的中国公司WonderSolar的测试现场。“外部温度为28”,但面板温度为70。他说,我在流汗,面板也出汗。“看看他们的票价如何。” / p>

自然570,429-432(2019)

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