Perovskite太阳能电池:为什么他们是太阳能的未来

更新

薄膜钙钛矿太阳能电池发光
当阳光穿过这种薄膜钙钛矿电池时,它会发光。图片来源:TNO.

在科学发现和可再生能源研究的前沿,有一类材料被称为佩洛夫斯基斯激发了一些世界顶尖科学家和工程师的想象力。

这些令人难以置信的材料有能力从太阳中产生比其他任何东西都多的电力,潜在的成本比传统的硅太阳能电池低得多。但到目前为止,钙钛矿还需要大量的测试和反复试验,没有一种应用能达到商业化的程度。钙钛矿太阳能电池的研究在很短的时间内取得了很大的进展,但仍有一些巨大的障碍需要克服。

因为许多专用研究人员的工作,有些Perovskite产品可能会在明年或两两个月内到达市场,所以现在了解它们很重要。不幸的是,网上关于钙钛矿的大部分信息都是针对研究和研究这些材料的研究人员和科学家的,而这些材料必然是非常密集和技术性的。

下面我们将详细介绍钙钛矿材料,但不涉及大量的技术术语和学术期刊文章中难以理解的概念。不久的将来,你可能会在你的屋顶上安装钙钛矿太阳能电池板,所以现在是时候了解这些令人兴奋的材料,以及它们在不久的将来对屋顶太阳能的意义。

在这一页上

    什么是佩洛夫斯?

    Perovskites是一类具有独特晶体结构的材料,其与俄罗斯首次发现的同名矿物质在1839年中。存在许多普罗夫斯基特的品种,但对于太阳能产业来说最有趣的是晶体,是有机和无机的晶体分子连接到铅或锡原子。

    Perovskite太阳能电池结构

    一种用于太阳能电池的钙钛矿材料的结构。图片来源:科学的进步

    上面的图像是一种卤化铅钙钛矿晶体结构的代表。它有一个名为卤化铅的八边分子网格(一个铅原子与碘、氯或溴的6个卤化原子相连),周围是一个更小的称为甲基铵阳离子的分子(我们保证这是一篇科学的文章)

    为什么钙钛矿很重要

    钙钛矿令人兴奋的原因有几个,但我们将要讨论的原因与光伏效应有关,这意味着“来自光的能量”。

    这些材料中的锡或铅可以很好地用于制造太阳能电池,就像硅用于制造太阳能电池一样。这些元素的原子很适合与其他原子一起形成分子,这些原子是半导体材料,它们的电子可以被光能激发,并沿着导线产生电力。

    与硅晶体不同,在非常正常的条件下,钙钛矿晶体很容易易于制造。必须首先将硅加热至极高的温度,以产生具有正确纯度和晶体结构的材料,以便电力;可以通过将化学品混合在溶液中并用该溶液涂覆表面来创造钙钛矿。该过程比我们在上面的话更复杂,但在大多数情况下,生产未来的钙钛矿太阳能电池可能比制造硅细胞更便宜和更容易。

    钙钛矿之所以重要,还因为它们的发电能力可以通过控制制造过程中产生的分子种类来“调整”。这种调整产生了理想的“带隙”材料,带隙是将一个电子推到更高的能量水平,从而使它可以通过电路携带电荷的能量。

    钙钛矿,效率,带隙

    每个原子都有一个或多个电子漂浮在原子核周围,带负电荷的电子被带正电荷的原子核吸引。由许多原子组成的分子是根据每个原子所拥有的电子数而形成的,这些共享的电子漂浮在分子周围。最外层的电子位于它们所绕轨道的原子的“价带”内。

    当光子“碰撞”半导体材料的最外层电子到一个更高的能态时,太阳能就产生了,从而将它们推出价带,进入分子的“传导带”。把一个电子从价带推到导带所需的最小能量称为带隙

    当一个电子被推入导带时,它不再被卡在分子的轨道上;相反,它变成了一种载流子,可以穿过它所在的材料,携带我们可以使用的电能。

    光伏太阳能电池

    阳光如何使太阳能电池中的电子成为载流子。

    不同颜色光的光子携带不同的能量,以“电子伏”(eV)为单位来衡量。可见光光子的能量在1.75 eV(深红色)和3.1 eV(紫色)之间。一个理想的光伏材料的带隙为1.34 eV,因为这是可见光将电子转化为载流子的最大数量的点。

    在太阳中有一个与带隙相关的概念叫做电能转换效率,简称PCE,即太阳能电池可以转化为电能的量。在带隙理想的正负电荷材料层之间使用单一连接(通常称为结)的太阳能电池可以将33.7%的入射光转化为电能。这种理想的效率被称为肖克利-奎瑟极限,以发现它的物理学家的名字命名。

    shockley-queisser限制

    钙钛矿可以调谐到很宽范围内的各种带隙,而其他材料只有一个带隙。

    肖克利-奎瑟极限的问题在于,我们所知的材料中没有一种能达到它的完美带隙。

    硅太阳能电池的理论带隙约为1.2 eV,这意味着它们的最大PCE约为32%。最好的钙钛矿材料可以达到31%,但有一些原因可能是更好的使用一个更高或更低的带隙钙钛矿材料,即使它本身不是理想的使用。这又把我们带回了前面讨论过的“调整带隙”的概念。

    通过控制钙钛矿晶体的化学组成,材料科学家可以制造出带隙非常接近光能转化为电能的理想的钙钛矿材料,但他们也可以制造多层钙钛矿太阳能电池,其中每层都有不同的带隙。具有多层意味着高能光子激发带隙较宽的层中的电子,而低能光子激发带隙较窄的层中的电子。通过这种方式,更多的太阳能被转化为电能。

    这一技术近年来有了很大的进步,由不同带隙的钙钛矿层组成的多结电池已经达到了一个转换效率为25.5%尽管自刚于2013年以来已经研究过。此外,可以在“串联电池”布置中与传统的硅电池在硅电池中添加到“串联电池”布置中,从而增加功率转换效率。

    Perovskite串联太阳能电池的结构

    钙钛矿-硅串联太阳能电池(左)和钙钛矿-钙钛矿串联太阳能电池(右)的结构。图片来源:科学的进步

    有一天,将Perovskite太阳能技术与基于硅的最佳技术相结合,可能是解锁太阳能电池的关键,可以将50%的阳光变为电力。这将是巨大的,考虑到SunPower目前在市场上拥有最高的效率,他们的太阳能电池板将22.7%的电力转化为可用的电力。

    上述关键外卖是:佩洛夫斯俱乐部效率可能永远不会像最好的硅太阳能电池一样好,但它会足够好,足够低的成本是他们生产的电量的电力量将是很多,远低于硅基光伏产品

    钙钛矿太阳能电池的前景不可低估。钙钛矿可能带来的成本降低是如此令人兴奋,以至于美国联邦政府已经通过能源效率和可再生能源办公室在钙钛矿研究上投资了数百万美元。在2020年,2000万美元的资金可用于Perovskite研究,在开发细胞技术,制造最佳实践和细胞测试程序的举措中传播。

    如何制作佩罗夫斯基泰太阳能电池?

    我们要保持简单,因为没有必要知道所有的化学过程来理解它们是如何工作的。基本上,钙钛矿可以通过“湿化学”产生,在这种化学中,甲基铵碘化铅、甲基铵卤化以及其他添加剂混合在溶液中。然后将混合物沉积在玻璃,金属氧化物,柔性聚合物,硅太阳能电池,甚至是衬底上透明的木头(哇!)。

    钙钛矿溶液的沉积通常是通过spin-coating完成的,这与儿童使用Spin-Art机器在厚纸上制作污渍画的概念相同。将溶液滴到或喷到基材上,然后以足够高的速度旋转,在基材表面铺上一层薄薄的溶液。当混合物中的溶剂蒸发时,会留下钙钛矿薄膜;钙钛矿晶体的薄层准备连接到一个太阳能电池。

    看看使用太阳能能节省多少钱

    不同类型的Perovskite太阳能电池

    所有的太阳能电池,不管它们是由什么组成的,都有某些共同之处。

    所述光伏材料必须具有至少一负层和一正层;它们必须有导电的前电极和后电极,以便将负极带太阳电荷的电子通过导线带到正极,然后再将它们送回正极。一旦安装在太阳能模块中,电池就被密封在一个封装层中,以保护它们不受天气的损坏。

    钙钛矿太阳能电池本质上有两种不同类型:具有钙钛矿的薄膜细胞作为唯一的光伏材料,以及串联细胞,其在传统晶体硅顶部具有多层钙钛矿或薄钙钛矿层。

    更复杂的是,还有一种薄膜串联电池,它在铜铟镓硒化物(CIGS)上有一层钙钛矿,这是一种已经很完善的薄膜太阳能技术。

    薄膜与串联钙钛矿太阳能电池

    薄膜VS串联太阳能电池结构。图片来源:美国能源部

    钙钛矿的优缺点

    正如我们上面所讨论的,钙钛矿令人兴奋,因为它们可以像硅一样将太阳能转化为电能,但其生产成本可能要低得多。不幸的是,钙钛矿也有缺点。

    优势

    • 相对容易制造和沉积在表面使用低成本的过程
    • 具有高功率转换效率的潜力
    • 可调谐带隙,这意味着它可以被制造成几乎是太阳能发电的理想产品
    • 生产需要比硅细胞更少的物质少20倍,并且不使用稀土金属
    • 与传统太阳能电池相比,制造过程的能源消耗要小得多

    缺点

    • 当钙钛矿暴露在湿气、光、热和氧气中时,时间一长钙钛矿就会分解,这意味着需要开发更多的技术来稳定电池以便广泛使用
    • 最能产生能量的钙钛矿含有铅,铅是一种神经毒素;然而,该行业正在研究降低钙钛矿潜在毒性的方法
    • 钙钛矿细胞还没有准备好商业销售

    钙钛矿材料在光伏应用中的优势是不容夸大的,研究人员在解决铅含量和材料稳定性的缺点方面已经取得了一些进展。

    一些可能的解决方案包括用基于锡的铅(尽管实验TiN钙酯具有较低的功率转换效率),以及与铅结合的特殊聚合物密封剂,以便在细胞损坏的情况下停止其浸出。

    谁生产钙钛矿太阳能电池,人们什么时候能买到?

    佩洛夫斯基钛矿太阳能电池测试在实验室中

    钙钛矿太阳能电池。图片来源:情感表达能力

    几乎所有佩洛斯库茨太阳能电池目前都是由研究人员在国家可再生能源实验室(NREL)这样的地方进行,以便在普通环境条件下进行太阳能和长期稳定性和耐用性的能力戳戳和生产。这些主要是邮票大小的测试单元,而不是向公众销售。虽然有一些公司,但是,普罗斯基特的大规模商业化不远。

    一个这样的公司,牛津PV.,将其高效的钙钛矿/硅串联电池吹捧为几乎准备就绪。牛津在佩罗夫斯基特光伏中的大突破是公告在2020年12月,一个29.52%的高效串联电池的效率——在太阳能电池中被证实的最高效率。

    在2020年底的其他新闻发布会上,牛津大学表示,用他们的电池制造的太阳能电池板将于2021年上市。如果他们能像预期的那样迅速扩大规模,他们的产品可能很快就可以出售给房主了。

    另一家公司Saule Technologies目前正在为其“动态太阳能百叶窗”寻找许可合作伙伴,该产品将喷墨打印钙钛矿添加到宽叶片的百叶窗上,如下图所示。

    salutech钙钛矿百叶窗

    图片来源:索勒会战技术

    Saule Technologies是令人兴奋的,因为它由Olga Malinkiewicz成立,他在佩洛夫斯库特技术突破了发现,同时担任瓦伦西亚大学的博士学生。她的作品是钙钛矿研究中爆炸性增长的催化剂之一。

    你需要多少块太阳能板来抵消你的电费?

    关键的外卖

    • 钙钛矿是一种具有特殊晶体结构的材料,具有光电效应。
    • 通过大大提高效率和降低制造太阳能电池板的成本,这些材料有可能彻底改变太阳能行业。
    • 自2009年以来,科学家们一直在努力完善这些材料,商用太阳能电池可能会在明年问世。
    • 钙钛矿在制造太阳能电池方面的优势是很难夸大的,但也有一些缺点——比如这些材料中含有铅——在它们真正广泛应用之前必须克服这些缺点。
    - 太阳评论作者

    本Zientara

    太阳能政策分析师和研究员

    本是一名作家、研究员和数据分析专家,曾为可持续发展、公共管理和清洁能源领域的客户服务。

    太阳能相关新闻新利18体育在线娱乐