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钙钛矿太阳能电池作为新式的第三代光伏技能,自2009年问世以来,短短十几年内光电转化功率从3.8%进步到了25.7%。为促进我国在钙钛矿光伏工业化初期树立先发优势,需和谐“政产学研用”多端发力,引进多种先进技能进步钙钛矿光伏量产水平,加速展开实证和演示使用,及时构建钙钛矿光伏规范系统,保证钙钛矿光伏技能工业化进程全面自主可继续。
钙钛矿太阳能电池以钙钛矿结构卤化物作为光吸收层资料,具有带隙可调、吸光系数高、温度系数低、轻浮柔性等特色,是当时最具大规划推广使用远景的一类新式太阳能电池。经过十余年研讨,钙钛矿光伏的根本原理、资料配方、功能优化途径等方面已逐渐成型。一起,晶硅光伏电池和组件的量产工艺及出产线设备的全面国产化为钙钛矿光伏技能工业化供给了先导性的学习。
高功率是钙钛矿太阳能电池最有目共睹的优势。钙钛矿电池的理论极限功率为33%,远高于晶硅电池的29.4%。经过优化电池的组分、微观结构、制备工艺等,实验室中制备钙钛矿电池的功率屡立异高。2022年7月,中科院半导体所研制的钙钛矿电池获得了25.6%的认证功率,仅次于韩国蔚山国立科学技能研讨院(UNIST)于2021年发明的25.7%的世界最高功率纪录。
钙钛矿电池的光谱呼应规划在300~800纳米,即可见光波段,而晶硅电池、铜铟镓硒(CIGS)电池等能够吸收使用红外光。因而,将钙钛矿电池和晶硅、CIGS等电池组成叠层电池,能够充分使用各波段的光照,获得更高的光电转化功率。而钙钛矿电池自身的吸收光波段规划也能够经过调理带隙作出改动。将宽带隙和窄带隙的钙钛矿电池组成叠层电池,光电转化功率能够明显进步。2022年6月,南京大学研制出功率为28.0%的钙钛矿/钙钛矿叠层电池,改写了世界纪录。
适用于修建物、便携式设备、消费品等使用场景的柔性钙钛矿电池和室内钙钛矿电池也是当时的研讨热门。清华大学研制的柔性钙钛矿电池最高功率为23.6%,改写了世界纪录;现在室内钙钛矿电池的世界最高功率由陕西师范大学坚持,在824.5勒克司的室内灯火照耀下,电池功率高达40.1%。
钙钛矿光伏组件归于薄膜组件,是在玻璃上顺次堆积钙钛矿电池的各层薄膜,并封装制成的。电池中的空穴传输层、电子传输层、对电极等各层薄膜一般选用真空堆积法制备,而钙钛矿吸收层的制备工艺分为湿法和干法2种类型。典型的湿法工艺例如狭缝涂布法,设备结构较为简略,易于将电池薄膜涂布面积从实验室制备的毫米级拓展到数十厘米,因而为现在大部分实验产线所选用。但考虑到增大组件面积将对薄膜质量提出更高的要求,真空蒸镀等干法工艺或许更适用于1米以上宽度大面积组件的量产产线。
因为大面积薄膜质量操控难度较高,钙钛矿组件面积越大,功率下降越多。现在,数十平方厘米的小组件功率可到达20%以上,数百平方厘米的组件功率可到达18%,而0.1平方米以上的组件功率仅在16%左右。可见,合适于大规划使用的大尺度钙钛矿组件功率仍待进步。
现已开始建成及在建的钙钛矿组件产线均为百兆瓦级及以下的实验线,选用湿法涂布钙钛矿吸收层薄膜。根据与量产附近的产线条件,组件的资料配方、出产工艺、产品规格规划等有望快速优化。
钙钛矿/晶硅叠层组件与惯例钙钛矿组件的首要差异在于,钙钛矿电池薄膜并非直接堆积在整面玻璃上,而是堆积在晶硅电池片上。一方面,较小的薄膜面积下降了对薄膜堆积设备的尺度要求,与晶硅电池片产线的耦合也有助于下降出产成本;另一方面,钙钛矿电池需与晶硅电池进行带隙匹配,电池规划难度较大。现在,实验室中制备的20平方厘米钙钛矿/晶硅叠层组件最高功率为26.63%,但没有有钙钛矿叠层组件中试线建成投产。此外,根据钙钛矿电池的轻浮、半透明等特色,也有研讨机构和厂商正在研制柔性组件和五颜六色组件。这些特别组件有望在可穿戴设备、修建等场景获得使用。
钙钛矿太阳能电池的稳定性问题是实践使用中面对的首要应战。在水汽、高温、紫外线照耀等外界条件刺激下,钙钛矿电池易产生降解,功能严峻衰减。进步钙钛矿电池稳定性的办法首要有2个层面,一是优化电池自身的组分和微观结构等,二是优化钙钛矿光伏组件的封装资料和封装工艺。
大面积钙钛矿组件的功率和质量偏低,首要原因在于大面积薄膜堆积设备和工艺水平受限。不同于晶硅组件将多个小面积电池片串并联的形式,钙钛矿组件的镀膜面积到达平方米级。现在,国产真空镀膜设备的大面积均匀接连镀膜功能与世界先进水平存在距离。此外,大面积镀膜产线上的工艺调试难度也较高。
我国光伏职业经过多年快速开展,已根本完成全出产线设备国产化,但设备的部分要害部件仍依靠进口。例如,真空镀膜设备中的真空泵、射频电源、阀门等,激光刻蚀设备中的激光器、振镜等,技能指标和质量可靠性与世界干流厂商存在较大距离。尽管我国的光伏产线设备厂商较早进入了钙钛矿组件出产设备开发,并已获得开始作用,使我国的钙钛矿组件小试、中试、量产线始终坚持高度国产化,但要害部件的短板在钙钛矿组件产线中相同存在,或许成为我国钙钛矿光伏工业链中的“卡脖子”环节。
为助力钙钛矿光伏技能的工业化进程高效有序推动,应充分发挥国家动力主管部门和科技主管部门规范和引导作用,拟定技能指标,出台鼓舞方针;树立“政产学研用”协同机制,鼓舞各种技能道路、各类研制和市场主体广泛参加钙钛矿光伏技能的工业化进程。当地各级政府应切实落实《“十四五”动力范畴科技立异规划》《科技支撑碳达峰碳中和实施计划(2022~2030年)》等国家方针要求,拟定推动钙钛矿光伏工业化的详细计划和鼓舞方针,遵从科学、务实、谨慎的准则,促进合适本地区的钙钛矿光伏工业链环节健康开展。
钙钛矿光伏技能的实验室研制作业首要由资料学、化学、物理学等范畴的学者主导,而进入工业化阶段,触及的技能范畴更丰厚,工业链环节更多,多专业范畴协作的必要性凸显,特别是有必要活跃引进各专业范畴的先进技能,以进步钙钛矿光伏工业化的功率和作用。
钙钛矿光伏组件的不稳定性、有毒金属走漏等潜在危险将对其大规划推广使用形成阻止。因而,有必要赶快经过很多实证实验和演示使用,摸清其实践执役功能和安全性,然后精确评价其使用危险,为推广使用供给科学支撑。
为保证钙钛矿光伏产品的出产和使用技能具有规范性、系统性、可推广性及与现有光伏使用技能系统的兼容性,应在钙钛矿光伏工业化过程中同步树立规范系统。钙钛矿光伏规范系统的构建,应以现行光伏技能规范系统为根底,面向使用需求,充分体现钙钛矿光伏产品出产和使用的特色,并考虑到钙钛矿光伏技能仍在不断开展变化的实践情况,统筹规范性和灵活性。
现行光伏世界规范系统的树立起源于20世纪80年代,我国的晶硅光伏职业作为后起之秀,是在既有的世界规范系统结构下开展起来的,在世界规范拟定中的原创性奉献较少,在世界规范安排中的参加度偏低,话语权较弱。而在钙钛矿光伏范畴,我国与世界上研讨水平适当,且工业化进展和规划略有优势,应捉住机遇,活跃支持我国钙钛矿光伏范畴,特别是工业化一线的技能专家参加世界光伏规范安排,深度参加钙钛矿光伏规范拟定作业,在世界规范系统中争夺更大的话语权,然后进步我国钙钛矿光伏工业的世界竞争力。
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2024-February-04
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