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第三代太阳能电池——钙钛矿太阳能电池技术得到突破
大势所至
2021-08-30 20:05:46
首先呢说一下什么是钙钛矿太阳能电池,部分资料来源于全球百科,部分来自知乎的回答仅供大家参考

1.钙钛矿太阳能电池

 

钙钛矿太阳能电池(PSC)是一种类型的太阳能电池,其包括钙钛矿结构的化合物,最常用的是杂化有机-无机铅或锡卤化物类材料,作为捕光有源层。钙钛矿材料,如甲基铵卤化铅和全无机卤化铯铯,生产便宜且易于制造。

使用这些材料的设备的太阳能电池效率从2009年的3.8%提高到2020年的25.5%,在单结架构中,在硅基串联电池中达到29.1%,超过了单结硅太阳能电池实现的xxx效率。因此,钙钛矿太阳能电池是目前发展最快的太阳能技术。钙钛矿型太阳能电池具有实现更高效率和极低生产成本的潜力,已成为商业上的吸引力。

 2.钙钛矿太阳能电池的优势

金属卤化物钙钛矿具有独特的功能,使其可用于太阳能电池。所使用的原材料以及可能的制造方法(例如各种印刷技术)都是低成本的。它们的高吸收系数使大约500 nm的超薄薄膜能够吸收完整的可见太阳光谱。这些特征的结合导致创造低成本、高效率、薄型、轻量和柔性太阳能模块的可能性。钙钛矿太阳能电池已用于为低功耗无线电子设备供电,用于环境供电的物联网应用。钙钛矿太阳能电池的材料

钙钛矿太阳能电池的名称源自吸收剂材料的ABX 3 晶体结构,被称为钙钛矿结构,其中A和B为阳离子,X为阴离子。发现半径在1.60Å和2.50Å之间的阳离子形成钙钛矿结构。最常研究的钙钛矿吸收剂是甲基铵三卤化铅(CH 3 NH 3 PbX 3,其中X是卤素离子,例如碘离子、溴离子或氯离子),具有光学带隙介于〜1.55和2.3 eV之间,具体取决于卤化物含量。甲ami三卤化铅(H 2 NCHNH 2 PbX 3)也显示出希望,带隙在1.48和2.2 eV之间。最小带隙比甲基铵三卤化铅更接近单结电池的最佳带隙,因此它应具有更高的效率。钙钛矿在固态太阳能电池中的首次使用是在使用CsSnI 3作为p型空穴传输层和吸收剂的染料敏化电池中。普遍关注的是将铅作为钙钛矿材料的组成部分;基于锡基钙钛矿吸收剂的太阳能电池据报道,NH 3 SnI 3具有较低的功率转换效率。

3.多结太阳能电池

多结太阳能电池能够实现更高的功率转换效率(PCE),将阈值提高到超出单结电池的Shockley-Queissier极限所设定的热力学xxx值。通过在单个电池中具有多个带隙,它可以防止损耗。在单结太阳能电池的带隙能之上或之下的光子。在串联(双)结太阳能电池中,已记录到31.1%的PCE,三结增加到37.9%,四结太阳电池增加到38.8%,令人印象深刻。但是,金属有机化学气相沉积合成具有多个结的晶格匹配和晶体太阳能电池所需的(MOCVD)工艺非常昂贵,这使其无法广泛应用。

钙钛矿半导体提供的选择有可能与多结太阳能电池的效率相媲美,但可以在更常见的条件下以xxx降低的成本进行合成。与上述的双,三和四结太阳能电池相比,全钙钛矿串联电池的xxxPCE为31.9%,全钙钛矿三结电池达到33.1%,钙钛矿-Si三结电池达到效率为35.3%。这些多结钙钛矿太阳能电池除了可用于具有成本效益的合成外,还可以在各种极端气候条件下保持较高的PCE,从而使其在全球范围内均可使用。

4.手性配体

如果正确使用有机手性配体,则有望提高卤化物钙钛矿太阳能电池的xxx功率转换效率。无机半导体中的手性可以通过晶格表面附近的对映异构体变形,底物与手性配体之间的电子耦合,组装为手性二级结构或手性表面缺陷来产生。通过将手性苯乙胺配体连接到非手性溴化钙钛矿铅纳米片上,形成手性无机-有机钙钛矿。通过圆二色谱(CD)光谱检查无机有机钙钛矿,发现了两个区域。一个代表电荷转移在配体和纳米片之间(300-350nm),另一个代表钙钛矿的激子吸收xxx值。这些系统中电荷转移的证据表明有望增加钙钛矿太阳能电池的功率转换效率。

5.钙钛矿太阳能电池的稳定性

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钙钛矿太阳能电池(PSC)的一大挑战是短期和长期稳定性。PSC的不稳定性主要与环境影响(水分和氧气)有关,基于甲基铵的钙钛矿的热应力和固有稳定性,在施加电压下加热,光影响(紫外线)和机械脆性。已经进行了一些关于PSC稳定性的研究,并且已经证明某些元素对PSC的稳定性很重要。但是,没有用于PSC的标准“操作”稳定性协议。但是最近提出了一种量化杂化卤化物钙钛矿固有化学稳定性的方法。

吸收剂材料的有机成分的水溶性使设备极易在潮湿环境中迅速降解。可以通过在制造步骤中优化组成材料、电池的结构、界面和环境条件来减少由水分引起的降解。用碳纳米管和惰性聚合物基体的复合材料包裹钙钛矿吸收剂可以防止材料在高温下被潮湿空气立即降解。然而,尚未证明钙钛矿太阳能电池的长期研究和全面的封装技术。带有介孔TiO的设备2层与所述钙钛矿吸收敏化,也都是UV -unstable,由于在TiO内部光生空穴之间的相互作用2和氧自由基的TiO的表面上2

在室温下在CH 3 NH 3 PbI 3中测得的0.5 W /(Km)的超低导热系数可以防止沉积的光快速传播,并使电池对热应力具有抵抗力,从而缩短其使用寿命。钙钛矿薄膜中的PbI 2残留物已通过实验证明对装置的长期稳定性具有负面影响。据称可以通过用金属氧化物层代替有机传输层来解决稳定问题,从而使电池在60天后保持90%的容量。此外,可以通过使用多功能氟化光敏聚合物涂料解决两个不稳定性问题,该涂料在设备的正面具有发光和易于清洁的功能,同时在背面接触侧形成了对环境水分的强疏水性屏障。前涂层可以通过将整个入射太阳光谱的紫外线转换成可见光来防止整个入射太阳光谱的紫外线与PSC电池堆发生负作用,而后层可以防止水渗透到太阳能电池堆中。在实验室进行的180天老化测试和超过3个月的实际室外条件测试中,所得器件在电源转换效率方面表现出出色的稳定性。

2015年7月,主要障碍是xxx的钙钛矿太阳能电池只有指甲大小,并且在潮湿环境中会迅速降解。然而,EPFL的研究人员于2017年6月发表了一项研究,成功地证明了大型钙钛矿太阳能电池组件在一年内未观察到退化(短路情况)。现在,研究团队与其他组织一起旨在开发一种可完全印刷的钙钛矿太阳能电池,其效率达到22%,老化测试后的性能达到90%。

2019年初,迄今为止报告的最长的稳定性测试显示,在至少1个太阳光照射下,基于氙气的太阳模拟器在没有紫外线过滤的情况下,在xxx功率点跟踪(MPPT)的条件下,至少连续运行4000小时,就可以稳定输出功率。值得注意的是,在稳定性测试中使用的光收集器是经典的基于甲基铵(MA)的钙钛矿MAPbI 3,但是器件的构建没有有机基的选择性层,也没有金属背接触。在这些条件下,仅热应力是造成封装器件工作稳定性下降的主要因素。

钙钛矿材料的固有脆性要求外在增强以保护该关键层免受机械应力。将机械增强支架直接插入钙钛矿太阳能电池的活性层中导致形成的复合太阳能电池的抗断裂性提高了30倍,从而将钙钛矿太阳能电池的断裂特性重新定位到与常规c-Si,CIGS相同的区域中和CdTe太阳能电池。

以上来源于全球百科不知道各位能不能静下心来看完,下面是知乎博主的回答相对简洁一点

钙钛矿太阳能电池是目前比较热门的研究对象,国内外很多课题组从事于这方面的研究。该类型电池的光吸收层材料为钙钛矿结构,因此被命名为钙钛矿太阳能电池。材料的禁带宽度可以通过改变组成物质的种类及比例来调控,能覆盖的光谱吸收范围宽至红外波段,同时具备载流子扩散距离长和迁移率高的优点。器件的光电转换效率从2009年报道的3.8%到如今的最高25.2%。在生产工艺上,能通过溶液旋涂法进行低温制备,整体制造成本较低,并且可以制备柔性器件。兼具上述优势,钙钛矿电池凭借其无比卓越的光电性质和前景巨大的发展空间得到了全世界的研究人员的认可,可以说是站在了太阳能电池舞台的中央。

 

作为光电材料广泛使用的卤素钙钛矿型晶体结构如上图所示。其中,A离子处于立方晶体结构的八个顶角位置,一般是正一价的阳离子,例如有机甲胺离子CH3NH3+、有机甲脒离子NH2CH=NH2+和无机铯离子(Cs+)等。B离子处于立方体的体心位置,通常是正二价的金属离子,例如亚铅离子(Pb2+)、亚锡离子(Sn2+)和亚锗离子(Ge2+)等。X 离子处于立方体的八个面心位置,大部分是负一价的卤素离子,例如氟离子(F-)、氯离子(Cl-)、溴离子(Br-)和碘离子(I-)等。A位离子的半径大小需要满足一定基本条件,必须能够填充构成钙钛矿晶体。一个B位离子和六个X位离子形成BX6型的八面体结构,A位离子半径必须足够延伸到该框架内。因此,A位离子的半径总是比B位离子半径大。钙钛矿型立方体结构稳定与否是由各离子之间的距离决定。

  1. 基本原理

钙钛矿太阳能电池基本原理是光生伏特效应,器件的工作机制总体可以被划分为五个过程:

(1)光子吸收过程:受到太阳光辐射时,电池的光吸收层材料吸收光子产生受库仑力作用束缚的电子-空穴对,即激子。

(2)激子扩散过程:激子产生后不会停留在原处,会在整个晶体内运动。激子的扩散长度足够长,激子在运动过程发生复合的几率较小,大概率可以扩散到界面处。

(3)激子解离过程:钙钛矿材料的激子结合能小,在钙钛矿光吸收层与传输层的界面处,激子在内建电场的作用下容易发生解离,其中电子跃迁到激发态,进入LUMO能级,解除束缚的空穴留在HOMO能级,进而成为自由载流子。

(4)载流子传输过程:激子解离后形成的自由载流子,其中自由电子通过电子传输层向阴极传输,自由空穴通过空穴传输层向阳极传输。

(5)电荷收集过程:自由电子通过电子传输层后被阴极层收集,自由空穴通过空穴传输层后被阳极层收集,两极形成电势差。电池与外加负载构成闭合回路,回路中形成电流。

2.电池结构及材料作用

 

钙钛矿太阳能电池的组成按照功能分层一般可分为五层:阳极层、空穴传输层、光吸收层、电子传输层以及阴极层。根据需要还可以再加上电子修饰层和空穴修饰层。根据五个基本功能层的顺序可分为nip型结构和pin型结构。nip型结构各层由下至上分别为:阴极层、电子传输层、光吸收层、空穴传输层、阳极层。pin型结构各层分布不同的是电子传输层和空穴传输层,即为:阳极层、空穴传输层、光吸收层、电子传输层、阴极层。各层起到不同的作用,共同构成完整电池。以 pin 型为例。阳极层一般是ITO导电玻璃,FTO 导电玻璃等,起收集空穴,构成电池阳极的作用。空穴传输层通常是PEDOT:PSS等材料,该层与电池的光吸收层的界面处的接触形成欧姆接触,能够高效地传输由活性层产生的自由空穴,且需要有效地阻挡住界面处自由电子的通过,进而避免电子与空穴的复合。光吸收层,即钙钛矿电池的活性层,由钙钛矿材料组成,该层是整个电池结构的核心位置,其成膜质量好坏直接决定了器件性能优劣。电子传输层通常是 PCBM 或 C60等材料,该层需要高效的传输光吸收层产生的自由电子,有效的阻挡自由空穴的通过,且与活性层的界面处形成欧姆接触。阴极层,一般是铝、银和铜等金属材料。

3.器件不稳定原因

钙钛矿中的铅容易氧化挥发,而当晶体遇水时则易分解。钙钛矿太阳能电池在恶劣的环境下,其稳定性能则相对较差,这是由于稳定性会受到热处理、光照、湿度等不同的影响,而湿度则是钙钛矿降解最快的原因之一。大量的研究表明,需要合理地控制空气中的水分,有利于钙钛矿晶粒的生长进而获得更为高质量的高载流子迁移率和长寿命的薄膜。但是在制作这一在制作钙钛矿太阳能电池中也需要考虑到一个问题,过量的水会影响到其结晶度。所以,应该选择最为行之有效的手段既可以提高钙钛矿的使用效果,又能防止过量的水对钙钛矿进行破坏。

作者:知研光电材料
链接:https://www.zhihu.com/question/401894732/answer/1794178904
来源:知乎
著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权,非商业转载请注明出处。

上面的来自于知乎博主,注明出处。


本人对太阳能发电材料的各种组装部件不懂,但是今天看到公社的一个博主发的一篇文章,不知道能不能解决钙钛矿太阳能电池密封不好的问题,有懂的可以下面说一下谢谢了。

以下文章来自公社的“尘埃”博主

继PVDF后,POE供不应求,需求暴增刺激涨价或将持续到明年

继PVDF暴涨后,PERC双面双玻组件渗透率的提升带动了POE胶膜需求结构性高增长,受供求关系紧张及产业链涨价行情的影响,近期组件封装材料如EVA胶膜、POE胶膜等都出现了量价齐升的局面。

鉴于市场需求旺盛,从年初到现在,POE胶膜一直处于供不应求的状态。然而POE的产能规模由于技术门槛太高,难度非常大,根本无法提高。

POE胶膜是双玻组件主要用的封装胶膜,相比传统EVA胶膜,POE胶膜的优势在于低水汽透过率和高体积电阻率,更能够帮助双面PERC电池对抗PID衰减,保证了组件在高温高湿环境下运行的安全性及长久的耐老化性,使组件能够长效使用。

根据第三方机构预测,双面双玻技术每年以5%比例增长,2019年全球双面组件渗透率约10-15%,2020年会进一步上升,达到15-20%占比。据之前统计,EVA占据约90%的市场份额,POE的占比约为7%,说明POE替代空间非常大,双面组件的发展,其中大多数是双玻组件,给封装材料提出了多重挑战。尽管POE至少要比EVA贵30%,但组件制造商们正从低端EVA转向高端的POE膜。

据悉,由于纯POE结构的胶膜价格相对较高且技术难度也较高,行业有材料厂商提出了其他的POE产品,如共挤型POE,即EVA/POE/EVA 三层结构等共挤产品。

今年开始,随着EVA价格上涨,低成本的优势开始缩小,光伏组件厂家更倾向于价格更高性能更好的POE膜进行替代。业内专家表示:“实际上我们看到在一线组件大厂,双玻的比例有些会达到40%以上,现在很多招标对双面组件的需求也在提高,他们的比例比外界宣传的要更高。双面技术兴起,这两年我们的产品生产和销售也开始变化,EVA的价格优势逐渐减少,所以占比逐渐减小,POE的性价比更高,立马替代跟上,现在我们80%的产能是POE。”

POE结构选择与降本

光伏封装材料对光伏组件寿命的影响很大,在电站运营期间,一旦发生胶膜的透光率下降或者黄变等失效问题,都会影响光伏电池无法正常发电。目前,双玻组件封装领域,企业用的多的封装胶膜除了POE胶膜,EVA胶膜也比较常见。

“双玻组件用EVA封装的,10家里面可能有一两家,真正的大厂生产双玻组件不会做这种事情。如果是真正关心电站使用寿命的客户,或者懂材料,他肯定会要求使用POE,有些他不太懂或为了价格便宜会用EVA去封装,但是用EVA封装组件的寿命会降低,也会出现一些问题如功率衰减、PID现象等。”专家说到。

鉴于市场需求旺盛,从年初到现在,常必鑫的POE胶膜一直处于供不应求的状态。然而,常必鑫虽然生产销售POE胶膜,但产能规模并不大。对于降本,他表示,表面上看我们比其他材料厂的胶膜产品贵,但是和电池片比起来占比很小。服务于客户,一切为客户着想是我们的宗旨,我们的研发方向也是朝着降本进行的,一个是搭配模式的改变,一个是我们把POE整体的一些成本降下来。材料结构的变化会直接传导成本,把两层POE结构改成一层POE,成本就低了很多了,现在行业都在降本,为了适应市场需求,我们对材料也会进行一些改进,但前提是可靠,目前我们在做论证。

介绍一下POE胶膜行业里的龙头企业:赛伍技术

赛伍技术主要从事以粘合剂为核心的薄膜形态功能性高分子材料的研发、生产和销售,通过近十年努力实现了背板从国产替代到全球领军,并正采取多元细分市场中的冠军战略,将该成功路径向其他产品和业务复制。公司原创的KPF背板自2014年起稳居全球光伏背板出货第一,2020年市占率达30.1%。在光伏背板细分领域站稳龙头地位后,公司在2002年便前瞻性布局POE胶膜等光伏其他产品,并向非光伏方向拓展,逐步完成光伏、SET材料、3C材料、MoPro四大业务布局

1. 公司自2014年起就是光伏背板全球龙头,市占率逐年提升目前已至30%,原材料PVDF部分自产,保供的同时也保障了今年上游普涨情况下的盈利能力;

2. POE胶膜的市场龙头企业,光伏胶膜业务进入收获期,有望再造一个赛伍。2020年公司POE胶膜出货6880平方米,细分领域市占率达17.5%。2021年发行可转债投资2.55亿平米POE胶膜扩产项目,叠加现有1亿平米产能,预计共将拥有3.55亿平米产能,跃居全球产能第一。

3. 锂电蓝膜等产品已进入宁德、比亚迪等头部客户,开启公司第三成长曲线。【赛伍技术:目前POE胶膜处于满产供不应求的状态】赛伍技术在互动平台表示,赛伍是一家致力于高分子材料解决方案的供应商,实现以胶黏剂为核心技术,拓展多领域用途的功能性高分子薄膜材料。目前POE胶膜处于满产供不应求的状态

公司成长为稀缺的新材料平台型企业,上市开启加速成长,光伏胶膜及非光伏的新能车及3C业务将显著提升公司收入体量及盈利能力新能车电池及国内整车厂的话语权未来将进一步加强,且将培育百亿级膜材料市场,行业仍处于导入期,未来5年年均复合增长率达35%+。

公司已抢占先发优势,产品布局远领先同行,拥有成套解决方案,切入宁德时代、比亚迪刀片电池、上汽新能源等,并已间接地进入特斯拉、大众、宝马等供应链,2020年宁德时代、比亚迪占赛伍SET业务收入比例分别达66%、20%,且均在2020年Q3起量。在3C产品的应用上,公司已直接或间接与中国中车、碳元科技、欧菲光、格力电器、歌尔股份等知名企业形成紧密合作,并进入了小米供应链,未来将进一步放量。背板、胶膜产能有序投放,新品逐步投入市场。

目前公司光伏背板产能达到月均1500万平米,光伏封装胶膜产能达到月均1200万平米。随着公司可转债募投项目2.55亿平米胶膜落地,预计公司名义产能可达2500-3000万平米/月。此外,公司加大对背板及胶膜新产品投入推广,FPf透明背板预计2022年实现出货销售。此外,高透EVA胶膜、白色EVA胶膜顺利实现量产,在部分下游组件厂商已实现稳定出货销售。新产能落地在即,长期看好公司发展。赛伍技术拥有膜材料企业稀缺的原创能力和需求挖掘能力,具备成长为类似3M的平台型材料企业的潜力。在可见的未来三年,他的新能源车、3C等多个产品将复在背板领域产品原创和进口替代并举的路径,成为多个细分领域行业领军者。

公司站在新十年发展起点,上市助力公司打破人才、土地、产能掣肘、正处于加速成长节点,随着新产能落地,公司产品有望快速放量。声明:文章观点来自网友,仅为作者个人研究意见,不代表韭菜公社观点及立场,站内所有文章均不构成投资建议,请投资者注意风险,独立审慎决策。(来自韭菜公社jiucaigongshe.com)


最新消息由越南-韩国研究小组开发的复杂光伏器件由底部双面晶体硅钙钛矿过滤异质结子电池构成,该子电池能够吸收短波长范围内的所有太阳光谱。


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 以上内容仅供参考。

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    2021-08-30 23:42
    概念阶段?
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    于2021-08-31 14:55:21更新
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  • 只看TA
    2021-12-03 22:00
    谢谢老师分享整理!非常看好这个板块!
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  • 只看TA
    2021-12-03 15:32
    看好京山轻机
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    于2021-12-03 15:40:53更新
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  • 只看TA
    2021-08-31 08:54
    谢谢分享 不过钙钛矿对环境要求太高了  要实际推广  还有一段路要走 
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  • 只看TA
    2021-08-30 23:10
    谢谢分享
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  • 逍遥生
    中线波段的公社达人
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    2021-08-30 22:21
    谢谢分享
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  • 黄裳
    自学成才的龙头选手
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    2021-08-30 21:23
    正常应该比异质结的炒作更弱才合理  所以
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    于2022-12-06 15:33:17更新
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  • 大哥请喝冰可乐
    一路向北的老韭菜
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    2021-12-05 19:11
    膜 众能光电
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  • 只看TA
    2021-12-05 12:22
    5个都买,京山已经起飞啦,等另外四个跟着飞
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    于2022-12-06 15:42:18更新
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  • 我的金毛是弱智
    为国接盘的吃面达人
    只看TA
    2021-12-05 10:52
    8月29也是最新突破吗
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    于2021-12-06 09:29:15更新
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