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钙钛矿太阳能电池(PSCs)具有可调理的带隙 ,高吸收系数 和长的载流子分散长度等特性,是最有开展潜力的薄膜光伏技能。钙钛矿材料在太阳能电池范畴取得了打破性的开展,经过改善钙钛矿材料配方、器材制造流程和高质量的成膜办法,小面积单节钙钛矿太阳能电池光电转化功率继续打破新高,钙钛矿范畴的研讨已进入规模化出产的探究阶段,代表企业有协鑫光电、纤纳光电、极电光能等。但现在钙钛矿电池的制备仍存在稳定性、铅污染及大面积制备功率尚低一级工艺难点。
钙钛矿材料占总本钱份额小,设备出资额有望进一步下降。以协鑫光电100MW工业为例,其出产线GW等级量产线元/W,远低于晶硅出产本钱1元/W。晶硅1GW的产能(包括硅料、硅片、电池、组件)出资额在10亿元左右,而协鑫钙钛矿的第一条100MW的设备产线GW产能出资额规模化之后估计约为5亿元。
钙钛矿光伏电池的制备中,钙钛矿吸光层、ETL、HTL是制备工艺中的中心环节。其间,钙钛矿吸光层的制备是最中心的环节。
太阳能电池是指能够有用吸收太阳能,并将其转化为电能的半导体部件。现在太阳能电池已开展至第三代。1)硅晶太阳能电池:以单晶硅、多晶硅为代表,是现在技能开展老练且运用最广泛的太阳能电池,但仍存在单晶硅太阳能电池质料要求高及多晶硅太阳能电池出产工艺杂乱等问题;2)化学薄膜太阳能电池:首要以碲化镉(CdTe)、砷化镓(GaAs)、铜铟镓硒(CIGS)为代表,相较晶硅电池所需材料少易于进入量产化阶段,但仍存在部分金属材料价格昂贵、材料纯度要求高的问题;3)新式薄膜太阳能电池:首要有染料敏化太阳能电池(DSSCs)、钙钛矿太阳能电池(PSCs)、量子点太阳能电池(QDSCs)等,具有功率提高速度快、本钱低一级优势,已遭到工业界的广泛重视。
钙钛矿:本指化学式为CaTiO3的矿物质以及拥有为CaTiO3结构的金属氧化物。开展至今,钙钛矿现已成为化学式为ABX3的物质的术语,正八面体结构,钙钛矿材料具有高光电系数、长载流子分散长度、可人工合成等特色。钙钛矿太阳能电池是运用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池。
钙钛矿太阳能电池基本原理:光生伏特效应。作业机制整体能够分为五个进程,即光子吸收进程(发生激子)、激子分散进程、激子解离进程(别离为电子和空穴)、载流子传输进程和电荷搜集进程。经过五个进程后,自在电子经过电子传输层后被阴极层搜集,自在空穴经过空穴传输层后被阳极搜集,南北极构成电势差,电池与外加负载构成闭合回路,回路中构成电流。
常见高效钙钛矿太阳能电池结构是通明导电氧化物(FTO或ITO),电子传输层(ETL)、钙钛矿吸光层、空穴传输层(HTL)、金属电极(背电极)。依据电子传输层与空穴传输层方位不同,可分为正式结构电池(n-i-p)与反式结构电池(p-i-n);依据电荷传输层的描摹结构,可分为介孔结构和平面结构。
介孔结构:选用TiO2作为介孔骨架,相较平面结构散光效果好、触摸面积大、成膜均匀润滑。但由于制备工艺杂乱、能耗高,或不利于大规模制备量产。
正式(惯例)结构:无介孔电子传输层,制备更简略灵敏,削减了500℃高温煅烧TiO2的过程,但相较介孔结构功率略差。
反式(倒置)结构:构成为导电玻璃基地上先制备HTL、钙钛矿吸光层、ETL及金属对电极,制备工艺简略、成膜温度低、本钱低,是现在工业化进程中的干流结构。
钙钛矿太阳能电池还可分为单结电池和多结叠层电池。单结电池相较于多结叠层电池功率更低,首要为平面反式结构,现在在市场上广泛运用。多结叠层电池则首要经过叠层方法与HJT、IBC等电池组合,完成吸收光谱互补,能够打破传统晶硅电池理论功率极限,提高光伏电池转化功率。现在两头叠层电池功率现已打破28%。
钙钛矿晶硅叠层电池结构有多种。2-T叠层电池又称集成一体化结构,是指在硅电池上成长钙钛矿电池,选用中间层衔接两个子电池;4-T叠层电池又称为机械堆叠结构,是指将带隙较大的钙钛矿电池作为顶电池,将带隙较小的晶硅电池作为底电池,经过简略堆叠构成叠层电池,顶电池和底电池别离保存其正负极,构成4个终端结构。别的,还有光谱别离的四端叠层电池、反射结构的四端叠层电池、三端叠层等。
钙钛矿电池光电转化功率理论极限高于晶硅电池。依据威望测验组织德国哈梅林太阳能研讨所(ISFH)测算,一般单晶硅太阳能电池理论极限转化功率为24.5%,HJT电池理论极限转化功率为27.5%,TOPCon电池理论极限转化功率为28.7%。而单层钙钛矿电池理论极限转化功率高达31%,钙钛矿双节钙钛矿功率极限高达35%,三节钙钛矿理论极限功率为45%。钙钛矿电池转化功率极限高首要原因在于其禁带宽度适合、钙钛矿材料带隙宽度可调以及无组件功率丢失。
Ø 禁带宽度适合:过宽的带隙宽度会使得被吸收的光子过少。例如MAPbI3-xBrx中,随x的改变可完成带隙 1.5~2.3eV接连可调。
Ø 带隙宽度可调:经过调整A、B和X含量能够获得不同组分钙钛矿材料,对应钙钛矿材料的带隙及能级散布也各不相同,经过对钙钛矿进行组分调控,可完成带隙接连调控,这也决议了钙钛矿能够广泛运用在发光、光伏和光探等范畴。依据上海交大物理与地理学院官微显现,数值核算标明运用带隙为1.72eV的钙钛矿与1.12eV的晶硅结合,理论叠层功率高达43%。
钙钛矿电池发电量高:首要原因在于其抗衰减性强、具有低温度系数、吸收系数高且弱光效应好。
Ø 抗衰减性强:钙钛矿电池无PID效应与LID效应。PID效应又称电势诱导衰减,电池片与其接地金属边框间高电压效果下呈现离子搬迁,很多电荷集合于电池片外表使其外表钝化,终究导致组件功率下降。LID效应是指光致衰减效应,一般发生于P型掺硼硅片制造的电池片中。但PID、LID效应不会显着影响钙钛矿的发电量。协鑫光电表明,现在大多数先进实验室现已能够完成钙钛矿组件接连作业至少1000小时不衰减,协鑫光电100MW产线下线产品的运用寿命估计将超越25年。
Ø 具有低温度系数:相较晶硅低两个数量级,高温条件下功率受影响较低。晶硅组件的温度系数是-0.3左右,即温度每上升1度,功率会下降0.3%。而钙钛矿的温度系数为-0.001,接近于0,因而实践发电功率就会显着高于晶硅。
Ø 吸收系数高:光吸收系数是指在单位浓度及单位厚度时的吸光度。钙钛矿层厚度为百纳米,晶硅电池光吸收系数仅103cm-1,而钙钛矿吸收系数达105cm-1,光系数高,弱光效应强,阴天及室内等弱光条件下转化功率更高。
钙钛矿电池相较于晶硅电池出资本钱、出产本钱均较低。钙钛矿太阳能电池的制程耗时显着削减,一体化工厂大幅下降出产本钱。晶硅电池需求至少在四个不同的工厂别离加工硅料、硅片、电池、组件,单位制程至少需求3天以上,一起还需求很多的人力、运输本钱等。依据协鑫纳米的数据,钙钛矿太阳能电池的出产流程较为简略,仅需45分钟就可将玻璃、胶膜、靶材、化工质料等在一个工厂内加工成组件,极大地缩短了制程耗时,简化了流程,价值高度集中,老练期后单GW出资本钱将降至5亿元。钙钛矿材料占总本钱份额小,以协鑫光电100MW工业为例,其出产线GW等级量产线元/W,远低于晶硅出产本钱1元/W。
钙钛矿电池产能出资额仅为晶硅产能出资额的一半,本钱进一步下降。依据协鑫光电,晶硅1GW的产能(包括硅料、硅片、电池、组件)出资额在10亿元左右,而协鑫钙钛矿的第一条100MW的设备产线GW产能出资额规模化之后估计约为5亿元。
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(特别阐明:本文来源于揭露材料,摘抄内容仅供参考,不构成任何出资主张,如需运用请参阅陈述原文。)
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