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【科普】鈣鈦礦太陽能電池

2017-09-19 14:36:27 太陽能發(fā)電網(wǎng)
  近日,眾多高校實驗室紛紛爆出喜訊:上海交大韓禮元教授團隊發(fā)聲,團隊歷時3年在大面積高質量鈣鈦礦薄膜制備的基礎上,開發(fā)了有效面積36.1cm2的鈣鈦礦電池模塊,在國際認證機構首次獲得了12.1%的認證效率。這一成果的出現(xiàn)意味著未來鈣鈦礦光伏技術有了走出實驗室、實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的可能。   華中科技大學自主研發(fā)出的新
  二、壽命

  影響成本的另外一個因素,就是使用壽命的問題,也就是材料的穩(wěn)定性,鈣鈦礦還有很長的路要走。穩(wěn)定性是鈣鈦礦太陽能電池最致命的弱點:由于它們對潮濕環(huán)境敏感,暴露在潮濕空氣中會很快分解,就連晝夜溫差造成的水蒸氣也可能對它造成傷害,因此必須對其進行防水封裝。

  目前,經(jīng)過學界的不懈努力,鈣鈦礦電池已經(jīng)過了1萬小時的持續(xù)光照實驗,以這個數(shù)據(jù)來計算,取全國平均日照時長4h,那么鈣鈦礦電池理論壽命為6.8年,再加之非充足日照時間以及日常損耗,鈣鈦礦的壽命應遠遠小于6.8年。相比于硅電池的理論壽命25年,目前看來比較弱勢。


  三、資源

  碘化鉛甲胺CH3NH3PbI3中所涉及的碘、鉛都是重要的組成元素。

  盡管我國擁有碘資源,但儲量僅約4,000噸,年產(chǎn)量(2012年)大約600噸,只占全球碘總產(chǎn)量的2.14%。因此,我國每年都要從國外進口大量的碘。例如,2014年我國進口粗碘4344噸。我國每年用于生產(chǎn)碘鹽的碘在200-300噸之間,由智利進口,國家提供補貼。

  相對而言,鉛資源的狀態(tài)比較客觀,世界上鉛儲量較多的國家澳大利亞、中國、俄羅斯、美國、秘魯和墨西哥,這6國儲量占全世界的87%,其中澳大利亞占比最大為40%,中國占16%,美國占6%,秘魯占8%,墨西哥占6%,俄羅斯占11%;其他地區(qū)占13%。


數(shù)據(jù)來源:金屬百科《鉛資源儲量分布及產(chǎn)量》

  盡管目前看來,資源占有量對鈣鈦礦電池的發(fā)展暫不構成影響,但實現(xiàn)量產(chǎn)后,資源的供給是不容忽視的問題。

  環(huán)境友好

  “環(huán)境友好型”是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要標簽,這不僅關系到從業(yè)者與用戶的健康,還關系到國家的支持與推廣力度。由于含鉛材料對環(huán)境的不友好性,研究者們在努力實現(xiàn)無鉛化,但相應會帶來電池轉換效率的降低。最直接的方法是利用同族元素(如Sn)來代替Pb元素。在MAXI3材料中,CH3NH3SnI3的能隙僅為1.3eV,遠低于CH3NH3PbI3的1.55eV,可以使吸收光譜發(fā)生紅移。采用CsSnI3作為光吸收材料,并加入SnF2作為添加劑也以減少缺陷密度,提高載流子濃度,進而提高電池效率。這兩種替代的吸收材料的吸收光譜發(fā)生明顯紅移,可以吸收更寬波段的入射光。

  從解決環(huán)境污染但又不犧牲電池轉換效率的角度出發(fā),科學家提出了另一種思路,即回收汽車電池來提供鉛源。由于汽車電池中的鉛源具有相同的材料特性(如晶體結構、形貌、吸光性和光致發(fā)電性)和光電性能,既提供了鈣鈦礦材料制備所需的鉛源,又解決了廢舊含鉛電池無法妥善處理的問題,因此具有一定的實際應用價值。

  應用端

  針對光伏材料的應用方面而言,目前市場上主流的光伏板、薄膜所應用的領域不盡相同,多晶硅的性價比以及單晶硅的高轉化率各有優(yōu)勢,前者多用于大型電站以及分布式光伏,后者則更加適用于分布式應用,薄膜產(chǎn)品應用的領域較為廣泛,可以靈活運用于建筑與外設產(chǎn)品中,但低轉化率時常被詬病。

  鈣鈦礦的優(yōu)劣在上文中已有闡述,其低成本是最吸引人的部分,但我們知道,光伏板的布置對空間的需求較大,無論是空地還是屋頂,現(xiàn)在都是稀缺的資源。就鈣鈦礦電池目前的技術水平而言,建設同等裝機量的工程,鈣鈦礦所需的占地面積將遠遠大于晶硅產(chǎn)品。事實上,鈣鈦礦目前運用端的可行性與晶硅薄膜產(chǎn)品十分相似,但其穩(wěn)定性目前還不如晶硅薄膜產(chǎn)品,因此鈣鈦礦電池的實際應用情況目前還不能體現(xiàn)出很強的優(yōu)勢。

  總結

  人類在清潔能源上所做的努力,主要從轉化率、穩(wěn)定性、成本、環(huán)境友好等方面進行考量,相對于傳統(tǒng)材料,鈣鈦礦在轉化率、單價方面有很大的突破,但在穩(wěn)定性與壽命方面仍有很長一段路要走,照目前實驗室數(shù)據(jù)突破的速度來看,情況較為樂觀,但仍需穩(wěn)扎穩(wěn)打,相信克服這兩個難關后,應用端的問題也將迎刃而解,鈣鈦礦將大有可為。


作者: 來源:EnergyTrend 責任編輯:wutongyufg

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