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    鈣鈦礦電池距離商業化還有多遠
    2022-09-21 17:09
    來源:科技日報
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      鈣鈦礦電池,自“出生”就“天賦異稟”,得到了廣泛的關注。其不僅可以做得更加輕薄,還具有低成本和易制備的優點以及弱光效率高的優勢。

      光伏電池是一種通過光電效應將太陽能轉化成電能的裝置,具有廣闊的發展和應用前景。鈣鈦礦太陽能電池(以下簡稱鈣鈦礦電池)作為一種新型的光伏電池,也在近年逐漸嶄露頭角。近日,科技部等九部門聯合印發《科技支撐碳達峰碳中和實施方案(2022—2030年)》,也對鈣鈦礦電池這一新型電池有所提及。

      那么,什么是鈣鈦礦電池?其相比傳統太陽能電池有哪些不同之處?未來將有哪些應用場景?科技日報記者就此采訪了多位深耕于鈣鈦礦電池領域的專家。

      結構形似“三明治”的新型光伏電池

      鈣鈦礦電池由染料敏化電池演化而來,指采用鈣鈦礦材料作為吸光層材料的電池。

      作為新一代太陽能電池,鈣鈦礦電池工作原理與傳統太陽能電池并無不同。它的結構形似“三明治”,典型結構有5層。兩個電極就像三明治的兩片面包分別位于最外層,由外向內挨著電極的是空穴傳輸層和電子傳輸層,而鈣鈦礦層則居于最中間。

      當太陽光照在鈣鈦礦電池上,太陽光光子能量大于帶隙時,鈣鈦礦層吸收光子產生“電子—空穴對”。電子傳輸層將分離出來的電子傳輸到負極上;空穴傳輸層則將與電子分離的空穴傳輸到正極上,進一步在外電路形成電荷定向移動,從而產生電流,實現光能向電能的轉換。

      北京理工大學材料學院教授陳棋這樣形容鈣鈦礦電池的工作原理:“如果說太陽能電池本身是一間教室的話,男同學和女同學則是電子和空穴。當光照到太陽能電池,就好像下課鈴響起了一樣。這時,男同學就會排隊從后門出來,女同學就排隊從前門出來,從而形成電荷定向運動?!?/p>

      鈣鈦礦電池有三大突出優勢

      鈣鈦礦電池因材料特殊,自“出生”就“天賦異稟”,得到了廣泛的關注。

      2016年《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》中就提及,要“加強鈣鈦礦、染料敏化、有機等新型高效低成本太陽能電池技術研發”。

      重慶大學物理學院教授、博士生導師鄧業浩表示,相比市場上常見的晶硅太陽能電池,鈣鈦礦電池有三大突出優勢。

      首先,鈣鈦礦材料本身的吸光能力強。在太陽光的主要波長下,鈣鈦礦材料的吸光能力可達晶硅的10倍以上。因此,在太陽能轉換效率相當的情況下,鈣鈦礦電池可以做得更薄?!斑@將極大地拓展產品形式,豐富應用場景?!编嚇I浩說。

      其次,鈣鈦礦電池具有低成本和易制備的優點。鄧業浩說:“鈣鈦礦材料是一種合成材料,其原料本身沒有稀有金屬,并且可以通過溶液制備。因而鈣鈦礦材料的制造成本較低,制備容易?!?/p>

      最后,鈣鈦礦材料還具有弱光效率高的優勢。在陰天弱光的條件下,鈣鈦礦材料不僅可以吸收短波光,還可以將能量轉化效率保持在相對穩定的狀態。鈣鈦礦材料的這一特點使得鈣鈦礦電池作為一種薄膜型光伏電池,不僅可以做成單層電池,理論上還可以疊加在各種電池材料表面,形成疊層電池,從而有效提高太陽光的利用效率。

      鄧業浩表示,從目前實驗室測得的結果來看,經過幾十年發展的晶硅太陽能電池的最高轉化效率為26.7%,而目前鈣鈦礦電池的轉化效率就已經可以達到25.7%,鈣鈦礦電池未來可期。

      走出實驗室還需補齊兩個短板

      盡管在理論上、實驗室中鈣鈦礦電池有相當大的優勢,可是從產業化角度來看,鈣鈦礦電池仍處于萌芽狀態。這是由于其本身存在兩個短板,即穩定性較差和大面積應用時的效率損失。

      首先,是穩定性較差這一問題。

      陳棋表示,盡管在實驗室中,鈣鈦礦電池可以實現較高的光電轉換效率。但其在實際應用中,仍受到諸多條件的制約。

      北京曜能科技有限公司董事長孫于超表示,業內正在從多方面努力,以解決鈣鈦礦電池面臨的問題。以穩定性問題為例,解決該問題最直接的一種手段,就是針對鈣鈦礦材料本身的改性。即通過結構設計、元素替換、添加摻雜等手段,讓材料本身變得穩定,提高材料的本征穩定性。另一種可行的手段,是通過工藝和工程手段隔絕外界的不穩定因素,即隔絕水、熱等環境因素,從而減少乃至避免外界不穩定因素對于材料和器件的影響。

      對此,中國科學院電工研究所太陽電池技術研究部主任王文靜表示,從外圍手段隔絕不穩定因素,尚需經過大量的室外驗證。據了解,目前已報道的鈣鈦礦電池其最長工作壽命往往只能達到幾千小時,遠低于晶硅電池。

      除了穩定性問題外,大面積應用時的效率損失問題是鈣鈦礦電池的另一短板。

      “在效率上,其實鈣鈦礦電池完全可以進行商業化應用。但是如何從實驗室的小面積,擴展到實際應用場景中的大面積,是其商業化需要面臨的一個嚴峻挑戰?!蓖跷撵o坦言,目前實驗室里制造的鈣鈦礦電池只有指甲蓋大小,與市場需要的太陽能電池在尺寸上相距甚遠。

      鈣鈦礦材料本身的結晶時間短,生產中的工藝窗口時間只有幾秒,造成了生產上的困難。除此以外,在制備鈣鈦礦電池的過程中,一個壞點、一個灰塵都有可能影響整個電池面板的效率,影響了其大面積應用時的效率。

      “目前來看,鈣鈦礦電池制備技術需要解決如何讓鈣鈦礦的薄膜更加致密平整,以及如何保證環境清潔,避免灰塵等因素干擾提升良品率兩個問題。設計更為先進的制備技術,能有效保證鈣鈦礦電池在大面積應用時的效率?!蓖跷撵o說。

      我國鈣鈦礦光伏技術未來可期

      盡管鈣鈦礦電池有諸多不確定性,但學界不少專家仍對其未來持樂觀態度。

      陳棋表示,目前我國在鈣鈦礦電池的學術研究和產業研究上,具有兩個最大的優勢:一是研究群體大,國內研究鈣鈦礦電池的企業、機構遠比國外多;二是國內有非常巨大的產業基礎,光伏市場和光伏制造業在中國呈現蓬勃之勢。

      “我國鈣鈦礦光伏技術的未來,可謂前途無量?!标惼逭f。

      在鈣鈦礦電池的未來應用方面,孫于超表示,鈣鈦礦技術最有價值的應用場景是在大規模光伏發電領域。鈣鈦礦在與晶硅結合組成疊層電池后,可以大幅提高現有光伏組件的發電效率,從而進一步降低發電成本,加快對于傳統化石能源的替代,助力我國“雙碳”目標實現。此外,鈣鈦礦電池的厚度僅為晶硅電池的千分之一,柔性輕便的特質使其具有豐富的應用場景,例如用于穿戴式發電裝置、光伏玻璃建筑一體化、野外臨時發電設備等,甚至可以運用于太空發電。

      奮戰在鈣鈦礦電池領域多年,孫于超和科研團隊見證了鈣鈦礦電池從不為人知,到漸漸走入大眾視野。在得知《科技支撐碳達峰碳中和實施方案(2022—2030年)》中提及“要研發高效穩定的鈣鈦礦電池”后,孫于超興奮地表示:“鈣鈦礦電池的好時候到了!” 



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