光伏“新秀”钙钛矿
发展十年多国投入研发
去年4月,七国集团气候、能源和环境部长会议发布《联合声明》称,将“推进钙钛矿太阳能电池等领域的技术革新”,钙钛矿太阳能电池这一能源领域的“新秀”引发强烈关注。专家指出,钙钛矿太阳能电池凭借高效率、低成本、低能耗、应用场景丰富等特点,在降低光伏成本革命中备受关注,但其耐用性和稳定性仍需进一步提高。
2013年,《科学》杂志评选十大突破,钙钛矿太阳能电池入选,被称为最有前景的下一代光伏技术。当前,钙钛矿电池主要有单结钙钛矿电池和叠层钙钛矿电池。叠层钙钛矿电池指钙钛矿层可堆叠在彼此之上,也可堆叠在传统晶硅太阳能电池之上,形成能吸收更宽太阳光谱的“串联”电池。
根据测试,单结钙钛矿电池的理论转换效率可达33%,而钙钛矿/硅串联电池的理论转化效率可达43%,都超过单晶硅电池29.4%的理论转换效率。
去年6月,阿卜杜拉国王科技大学称,该校研制的钙钛矿/硅串联太阳能电池的转换效率高达33.7%,创下世界纪录。此外,钙钛矿电池还具有轻、薄、可弯曲等特点,可铺设在传统硅基电池无法覆盖的墙壁表面或列车车顶,操作工序十分简单,且价格几乎减半。东京大学教授濑川浩司的测算显示,到2030年日本钙钛矿电池覆盖的面积最大可达470平方公里,发电能力为600万千瓦,相当于6个核电站。在全球脱碳浪潮下,硅基电池的性能正在接近其理论极限,钙钛矿太阳能技术已成为众多企业眼中的“香饽饽”。
价格更低廉
使用寿命更长
欧洲于去年11月1日启动计划,旨在推进欧洲大陆的叠层太阳能光伏电池的制造和产能,重点关注钙钛矿/硅叠层电池,法国光伏组件商和法兰西岛光伏研究所合作,计划到2030年建设一处规模达5吉瓦的钙钛矿/硅串联太阳能电池“超级工厂”。法兰西岛光伏研究所研究院表示,这是一场技术革命,与传统技术目前可实现的最佳效率相比,它不仅能够在光伏组件层面实现30%的效率,还能通过利用回收材料,减少能耗和材料消耗,而串联技术将是未来十年的主导光伏技术。
英国牛津光伏公司计划今年推出其商用钙钛矿/硅叠层电池,预计转换效率为27%。该公司也计划在德国柏林附近扩建其试点工厂,并在2030年左右将生产规模扩大到10吉瓦。
据麻省理工学院网站报道,虽然钙钛矿显示出巨大的前景,多家公司已经开始进行商业化生产,但耐用性仍然是其面临的最大障碍。硅太阳能电池板在使用25年后,仍能保持25%的功率输出,但钙钛矿电池下降得很快。不过,科学家们已经取得重大进展:钙钛矿太阳能电池的“寿命”从最初的几小时,增加到几周、几个月,最新“出炉”电池的使用寿命可长达几年。
澳大利亚新南威尔士大学工程学教授表示,钙钛矿制造商需要证明电池板的使用寿命为25—30年,这是行业标准。牛津光伏公司首席技术官克里斯·凯斯称,该公司已将其钙钛矿/硅叠层电池设计为达到或超过25年的使用寿命。MIT光伏研究实验室负责人托尼奥·博纳西西指出,钙钛矿的一个优点是它们在实验室中相对容易制造,其化学成分很容易组装,但材料在室温下容易结合在一起,也容易分开。为解决这一问题,有些研究人员使用各种保护材料来封装钙钛矿,使其免受空气和潮湿的影响。而一项研究表明,一旦钙钛矿的使用寿命超过10年,加上其制造成本低廉,就能在很多大型公用事业场所替代硅基太阳能电池。
钙钛矿主流技术路线
从单层到多层
当前,钙钛矿电池主要有单结钙钛矿电池和叠层钙钛矿电池。如果一个钙钛矿电池只有钙钛矿本身的“三明治”结构,那么就是单结钙钛矿电池。所谓叠层钙钛矿电池,是指钙钛矿层可以堆叠在彼此之上,也可以堆叠在传统晶硅太阳能电池之上,形成能够吸收更宽太阳光谱的“串联”电池。按照不同材料的堆叠,叠层钙钛矿电池的技术路线有晶硅/钙钛矿叠层电池、全钙钛矿叠层电池、薄膜电池(如铜铟镓硒)/钙钛矿叠层电池等。
单结钙钛矿电池是所有钙钛矿电池产品形态的基础,技术难度相对更低。其理论转换效率可达33%,实验室最高认证效率目前为25.8%。一方面是由于单结钙钛矿电池发展时间长,工艺及材料体系相对更成熟。另一方面,晶硅/钙钛矿叠层电池中,钙钛矿电池的稳定性和晶硅电池的稳定性是否匹配仍有待验证,在得到验证之前,晶硅/钙钛矿叠层电池的大规模应用难度大。
理论上,最理想的叠层钙钛矿电池是钙钛矿堆叠钙钛矿,开发全钙钛矿叠层电池,提高光电转换效率。目前来看全钙钛矿叠层电池的工艺兼容性最好,有机会获得更低成本。但梁作认为,当前全钙钛矿叠层电池仍处于早期研究阶段,商业化路径相对更长,产业发展需要一步一个脚印推进;技术上,不同带隙宽度可吸收不同波长的光,让电池吸收更宽范围波长的光才能让电池效率更高,因此要调节两层钙钛矿的带隙,这就需要调节材料的配方体系,但这又令电池稳定性面临挑战。
薄膜钙钛矿制备
几个痛点需要尽快解决
无论采用哪一种技术路线,钙钛矿电池仍然需要继续解决寿命、稳定性、大面积应用时的效率损失等痛点:钙钛矿电池的稳定性、效率衰减、寿命是一个概念,稳定性好意味着寿命长。
钙钛矿电池的稳定性可从两个层面理解:一是材料本身的稳定性,钙钛矿材料是离子键结构,与晶硅材料的共价键相比,钙钛矿材料更易发生分解与离子迁移,带来材料的不稳定性。这种不稳定一般可以通过调整材料配方、优化电池结构设计解决,比如掺杂其他离子使得晶格稳定,或设计特殊钝化层减少离子迁移。二是环境稳定性,钙钛矿电池对于环境中的水、氧等外界因素敏感,从而影响稳定性,这种不稳定一般通过封装技术解决,目前主流技术路线是利用防水胶进行双玻封装。
钙钛矿电池大面积应用时的效率衰减是另一个短板。目前晶硅电池26.81%的转换效率是在270多平方厘米的面积上实现的,如果钙钛矿电池只在小面积上做到30%左右的转换效率仍然是不够的,所以晶硅/钙钛矿叠层电池和全钙钛矿叠层电池都需要进一步提升转换效率。“把面积放大之后,转换效率有所下降,这几乎是必然的。例如通常我们会把钙钛矿电池分割成很多小的子电池串联起来,要求每个子电池的电流一致,如果均匀性不好,某些子电池电流高,某些电流低,串联起来之后整个电池的电流受到最小电流的限制,带来了效率损失。”
钙钛矿电池的核心层钙钛矿层薄膜在大面积制备时,均匀度、致密度是挑战,这和设备、工艺、材料密切相关,最终需要三者共同配合。材料上,目前主流的钙钛矿材料体系是甲脒铅碘体系,“如果做叠层电池,要调带隙,可能会添加铯、锡、溴、氯等元素。整个材料体系大家都摸索得差不多了,但也还在不断优化,提升效率和稳定性。
从工艺角度看,在钙钛矿电池的生产中,镀膜、激光刻蚀、封装是三大核心工艺环节:
镀膜:钙钛矿的制备工艺与其他薄膜电池类似,需要通过溶液涂布法、溶液喷涂法、气相沉积法等方式,制备高纯度、缺陷少、高覆盖率、致密的钙钛矿层薄膜与传输薄膜,以改善不同层结构之间的电学接触,减少传输过程中的损耗,实现高的电池转换效率。
刻蚀:通过多道激光刻蚀,可以构建钙钛矿电池中的电路结构,把多个钙钛矿电池串联成组件。
封装:目前的封装技术采用了类似晶硅的技术,主要是替换掉原本晶硅用的EVA胶膜,因为EVA是聚醋酸乙烯酯,它的聚合不可能100%完成,里面一定会存在醋酸的残基,而醋酸会跟胺类反应成氨基酸,所以从原理上EVA不可用在钙钛矿,钙钛矿主要用POE材料。
其中最核心的是钙钛矿层薄膜的制备,如何在大面积基板上制备均匀、无孔洞的钙钛矿层薄膜是技术攻关的重点方向。目前钙钛矿薄膜的制备方法主要有干法和湿法:干法主要使用真空蒸镀设备,在高真空环境下,通过蒸发源加热,使钙钛矿层需要的有机、无机材料升华沉积在基片表面,形成薄膜。
关于钙钛矿镀膜
使用真空手套箱进行保护
无论是哪种太阳能,都离不开表面镀膜:目前所有的技术方法,都不能很好的解决镀膜膜层均匀性的问题。喷涂法镀膜过程中,喷中心镀膜液富集多,造成花斑;表面刻蚀法因压花玻璃表面成分难以均一,导致刻蚀反应的速度不一致造成膜厚不均匀;即使均匀性辊涂法,受制于玻璃厚薄差、辊道传输抖动等多种因素的制约,也难以达到高精度的一致性。在镀膜均匀性无法进一步提高的情况下,其结果一方面造成组件的色差影响外观,另一方面由于镀膜玻璃各区域透光率不一致造成热斑效应,影响组件的耐久性。
针对这一问题,在制备太阳能电池时,一般是需要使用真空镀膜手套箱的:由真空镀膜系统和真空手套箱系统集成而成,可在高真空蒸镀腔室中完成薄膜蒸镀,并在手套箱高纯惰性气体氛围下进行样品的存放、制备以及蒸镀后样品的检测。在手套箱氮气环境里里旋涂钙钛矿前驱液,避免接触水和空气,可以直接通过连接藏舱将制备好的钙钛矿电池传到蒸发舱里,蒸发电极,全程实验都可以做到无水无氧的环境下操作。
方腔室自动门热蒸发镀膜机嵌入手套箱内,配套膜厚仪,分子泵,机械泵,4个蒸发源,合理的蒸发源布局,保证每个蒸发源到基片的距离完全一样,提高了成膜质量和均匀性;整套系统由真空镀膜系统和手套箱系统集成而成,可在高真空蒸镀腔室中完成薄膜蒸镀,并在手套箱高纯惰性气体氛围下进行样品的存放、制备以及蒸镀后样品的检测。主要用于太阳能电池钙钛矿、OLED和PLED、半导体制备等实验研究与应用。(文章内容均来源于网络,如有侵权请联系删除)