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研究职员已往在实验室中测试钙钛矿太阳能电池时,需要一双像样的跑鞋:这些质料剖析得十分之快,以至于科学家们得在细胞降解之前,通常要在几分钟内就把细胞从它们被制造出来的地方转移到做测试的地方。

(泉源:《麻省理工科技谈论》)

耐久以来,研究职员们一直着迷于钙钛矿,并答应将生产出廉价且超高效的太阳能电池。到现在,已经有几家公司在大规模生产商业钙钛矿太阳能电池方面取得了重大希望。

但这种质料的不稳固性却会对它们通往屋顶和发电厂的蹊径造成威胁,只管一些公司示意他们已经解决了这个难题,至少他们可以在年内将初产物推向市场,但有一些研究职员仍然对此持嫌疑态度。

“人们想听到我说‘我确信这会很稳固,而且会很有用率,我们将征服天下,’” 美国国家大学可再生能源实验室的钙钛矿研究项目认真人约瑟夫 贝里( Joseph Berry)说,“我心里的有一部门是信托这一点的,但我作为科学家的那一部门会说‘我没有数据(可以支持这个说法)’。”

钙钛矿是合成质料,价钱低廉,纵然要投入量产也对照简朴。用于光伏的常见钙钛矿通常类似于甲基铵卤化铅,但钙钛矿家族包罗数千种具有相同晶体结构的质料。若是被涂覆在柔性底座上,它们可以生产出轻盈且可弯曲的薄膜太阳能电池。

虽然近几十年来泛起了几种新的光伏质料,但没有一种质料能在以硅为主的市场上发生较大的影响,而硅则存在于约莫 95% 的现有太阳能电池中。

一些钙钛矿公司如位于华沙的 Saule 科技,正试图完全甩掉硅来生产这种电池。这家确立于 2014 年的公司开发了一种喷墨打印工艺,用于制造包裹在柔性塑料中的钙钛矿太阳能电池。包罗 Saule 生产的电池的面板重量仅约为相同尺寸的硅面板的十分之一。

5 月,Saule 开设了一家每年可生产约 40000 平方米面板的工厂,这足以发生约莫 10 兆瓦的电力(一些生产硅电池的工厂则要大数百倍)。

虽然钙钛矿有可能到达高效率(仅钙钛矿电池的天下纪录刚过 25%),但当今大多数性能最佳的钙钛矿电池都很小:它们通常不到一英寸宽。

扩大规模使得钙钛矿到达潜在的效率极限变得加倍难题,Saule 现在的面板有一米宽,可到达 10% 左右的效率。这与类似尺寸的商用硅面板相形见绌,商用硅面板的效率通常可到达 20% 左右。

Saule 的首创人兼 CTO 奥尔加 马林奇维兹(Olga Malinkiewicz)示意,该公司的目的是推出一种仅用到钙钛矿的太阳能电池,若是该手艺足够廉价,那么效率较低的话实在并不主要。

Saule 正在试图涉足硅太阳能电池板无法实现的领域:无法遭受繁重的玻璃封装面板重量的屋顶,或者更具有针对性的应用,例如该公司现在正在举行测试的太阳能百叶窗。

当 Saule 正推出头向更多职业应用的薄膜产物时,其他公司也希望在这场同硅的竞争中击败或至少加入他们,总部位于英国的牛津 PV 正在将钙钛矿连系到钙钛矿 - 硅电池中。

由于硅可以吸收光谱红端的光,而钙钛矿可以调整以吸收差异波长,因此在硅电池顶部涂覆一层钙钛矿可以使组合电池到达比单独使用硅的电池更高的效率。

牛津 PV 的组合电池既繁重又坚硬,就像纯硅电池一样。由于它们的尺寸和形状相同,新电池可以轻松地被插入屋顶阵列或太阳能农场的面板中。

图 | 牛津 PV 连系钙钛矿和硅来制造出高效太阳能电池(泉源:《麻省理工科技谈论》)

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牛津 PV 的首席手艺官克里斯 凯斯(Chris Case)示意,该公司现在专注于降低电力的平准化成本,这是一个评价系统安装和生命周期运营成本的指标。

虽然在硅上涂抹钙钛矿会增添制造成本,但他示意,随着时间的推移,组合电池的平均成本将会低于单独用硅,由于这些新电池效率更高。牛津大学在已往几年中为这种类型的电池缔造了多项效率天下纪录,最近的一次到达了 29.5%。

中国的杭州纤纳光电科技有限公司也从硅太阳能电池中吸取了一些线索,该公司正在使用由钙钛矿制成的刚性玻璃封装电池制造面板。

纤纳光电的 CTO 颜步一示意,该公司的试点工厂于 2020 年开业,预计到 2021 年底产能将到达 100 兆瓦,现在他们在中国各地的几座大楼和太阳能发电场上都安装了树模面板。

在几年的时间里,钙钛矿的稳固性已经从几分钟提高到几个月。然则我们现有的大多数硅电池都有约莫 25 年的保修期,这可能是钙钛矿基本无法到达的目的。

钙钛矿对氧气和水分稀奇敏感,由于它们这会滋扰晶体中的键以阻止电子有用地穿过质料。研究职员一直致力于通过开发反映性较低的钙钛矿配方和寻找更好的包装方式来提高钙钛矿的使用寿命。

牛津 PV、纤纳光电和 Saule 都说他们已经解决了稳固性问题,至少销售他们的第一批产物可以乐成发售。

估量太阳能电池的耐久性能通常是通过加速测试来完成的:将电池或面板置于分外压力的条件下以模拟多年的磨损。户外硅电池最常见的测试是一套被称为 IEC 61215 的测试。

牛津 PV 和纤纳光电均通过了一系列电池性能相关的测试。马林奇维兹说,Saule 已经通过了一些测试,但他们仍在举行其他测试,好比湿度测试。

通过完整的测试通常意味着硅太阳能电池板将至少能使用 25 年,但研究职员并无法确定相同的相关性是否适用于钙钛矿等新质料。

牛津 PV 筛选了组成钙钛矿族的数千种化合物中的一些,来试图找到更稳固的配方。该公司拒绝透露性能细节,但凯斯示意,他们 “绝对” 预期自己的产物具有与硅电池相似的使用寿命。该公司于 2019 年 12 月在中欧的屋顶上安装了测试面板,凯斯示意,到现在为止,包罗钙钛矿层状电池的面板显示出了与他们安装用于对照的商业硅面板相同的退化速率。

纤纳光电的颜步一示意,他们公司于 2020 年 2 月在户外安装了测试电池,这个电池现在仍能到达与安装时相同的峰值功率。

图 | 纤纳光电正在中国各地的修建物和太阳能发电场展示其太阳能电池板(泉源:纤纳光电)

为了提高其产物的稳固性,Saule 对电池中的金属触点以及钙钛矿层举行了更改。马林奇维兹说,Saule 的第一代塑料封装钙钛矿电池将提供至少 10 年的性能保修。虽然硅电池的使用寿命更长,但她希望更低的价钱和更简捷的安装历程能够说服客户接受更短的使用寿命。

一些研究职员并不信托这些说法,“据我所知,稳固性问问题前还没有获得很好的解决,” 印第安纳州普渡大学钙钛矿研究员雷锡安 窦(Letian Dou)说。窦示意,只管这些质料通过 IEC 61215 等外部测试是有希望的,但我们也很难领会这些公司在做什么,由于他们对质料开发十分保密,

窦的实验室是最近被选中接受美国能源部资助的几个实验室之一,他们正试图解决该手艺的一些遗留问题。2021 年 3 月,该部门拨款 4000 万美元用于支持钙钛矿的研究,其主要目的在于研究提高这些质料的稳固性并使其更易于制造的项目。

只管钙钛矿电池获得了更多的资金和关注,但只有时间才气证实它们能否与硅竞争或共存。只管云云,研究职员对他们提供更廉价、更容易获得的太阳能的远景也持有乐观的态度,“种种迹象看起来很好,” 美国国家可再生能源实验室的贝里说。

而且,他又弥补说,纵然经由多年的研究,在这个领域事情的公司仍然必须接受一些不确定性。“若是你想做领头羊,” 他说,“你将不得不冒一些风险。”

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参考:

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