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未來市場上最好的太陽能電池板:鈣鈦礦晶體太陽能電池

2019-07-29 16:38  來源:光伏領(lǐng)跑者創(chuàng)新論壇  瀏覽:  

在德國哈弗爾河畔勃蘭登堡郊區(qū)的一家工廠,身著潔凈工作服的技術(shù)工人正在將閃亮的薄方塊裝進(jìn)平板組件中,這將是未來市場上最好的太陽能電池板。

這家試點(diǎn)工廠屬于英國牛津大學(xué)校辦公司牛津光伏(Oxford PV)。自2012年起,該公司便致力于鈣鈦礦晶體太陽能電池的商業(yè)化。10年前,日本桐蔭橫濱大學(xué)的宮坂力(Tsutomu Miyasaka)研究小組宣布首批鈣鈦礦太陽能電池問世。但是這些早期的實(shí)驗(yàn)室原型非常不穩(wěn)定,效能僅有3.8%。

后來,研究人員和制造商在效能方面取得了巨大進(jìn)步,并解決了設(shè)備的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性問題。例如,2018年6月,牛津光伏公布了其里程碑式的最新效率,達(dá)到27.3%。相比之下,當(dāng)前的硅太陽能電池光伏效率的最好紀(jì)錄是26.7%,而商用硅電池組件的效率還要低得多。

目前,該公司正著手推出全球首個(gè)商用疊層硅-鈣鈦礦太陽能電池組件,將鈣鈦礦材料的薄膜層與硅太陽能設(shè)備相結(jié)合。牛津光伏首席技術(shù)官克里斯•凱斯(Chris Case)表示,太陽能組件的外觀和性能與傳統(tǒng)硅太陽能電池組件非常相似。主要的不同在于,它們產(chǎn)生的光電效率更高,會產(chǎn)生更多電量。

鈣鈦礦太陽能產(chǎn)業(yè)7年前尚不存在,而今天其發(fā)展已十分引人注目?,F(xiàn)在,有幾十家公司競相將此技術(shù)推向市場。全球數(shù)百名研究人員正在研究新型鈣鈦礦材料和處理方法,研究如何使設(shè)備工作。凱斯認(rèn)為2018年關(guān)于鈣鈦礦的學(xué)術(shù)論文數(shù)量有望突破5000篇(包括有關(guān)鈣鈦礦光電探測器、X射線探測器和發(fā)光二極管的報(bào)告)。

短短10年間,鈣鈦礦已經(jīng)從刁鉆、低效的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品發(fā)展為達(dá)到或超越傳統(tǒng)太陽能電池性能的商業(yè)級產(chǎn)品。除有機(jī)發(fā)光二極管、染料敏化或量子點(diǎn)太陽能電池外,沒有其他太陽能光伏技術(shù)可以與之相媲美。

凱斯稱:“目前我們正處于歷史的轉(zhuǎn)折點(diǎn)?,F(xiàn)在,在全球大多數(shù)地方,無補(bǔ)貼的太陽能發(fā)電成本低于其他任何形式的發(fā)電。”他認(rèn)為鈣鈦礦將確保太陽能的主宰地位。

“阻止不了。即便是全球最大的石油公司也無法阻止它。”

鈣鈦礦的誘人之處是,在將光子轉(zhuǎn)化為電能方面比硅更為優(yōu)越。

科羅拉多州戈?duì)柕菄铱稍偕茉磳?shí)驗(yàn)室鈣鈦礦太陽能團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人約瑟夫•貝瑞(Joseph Berry)說:“我的一個(gè)同事喜歡說,如果你要選擇一種理想的太陽能材料,你絕不會選硅。(硅)能成為一種重要材料,是因?yàn)樗醒邪l(fā)資金都投資于硅(用于集成電路和太陽能)。”

貝瑞稱:“高純度無瑕疵的硅才具備我們垂涎的特性。鈣鈦礦能夠容忍瑕疵的存在。我們無須精心處理材料就可獲得極具競爭力的產(chǎn)品效能。”鈣鈦礦還可用于各種低成本的生產(chǎn)方法,包括旋涂和卷對卷印刷。美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的研究人員甚至開發(fā)出一種可作畫的鈣鈦礦墨水。

貝瑞預(yù)測,如果建造一座10億瓦規(guī)模的鈣鈦礦太陽能電池廠,最終成本大約是目前建造一座類似規(guī)模硅太陽能電池工廠的1/10。最終產(chǎn)品柔韌且近乎透明,因此專家設(shè)想可使用它們作為窗玻璃和建筑物的噴涂涂層。

鈣鈦礦最初是指含鈣、鈦和氧的礦物,于1839年首次被發(fā)現(xiàn)。此后,鈣鈦礦指代一大類具有與此類礦物相同晶體結(jié)構(gòu)的化合物。其化學(xué)成分簡寫為AMX3,其中A通常代表有機(jī)分子,M代表金屬(如鉛或錫),X代表鹵素(如碘或氯)。桐蔭橫濱大學(xué)的宮坂研究團(tuán)隊(duì)用化合甲基銨三碘化鉛制成了首個(gè)鈣鈦礦電池。但牛津光伏的凱斯認(rèn)為,成千上萬種化合物都可以形成這種晶體結(jié)構(gòu)。

無論化學(xué)性質(zhì)如何,鈣鈦礦太陽能電池都必須滿足3個(gè)基本商業(yè)化標(biāo)準(zhǔn):穩(wěn)定性、效能和可量產(chǎn)。凱斯稱,他的公司將硅薄膜和鈣鈦礦組合成“疊層”電池,解決了上述3個(gè)問題。這種電池可以使用目前的太陽能電池片制造方法生產(chǎn)。

早在2012年公司開始研究鈣鈦礦時(shí),牛津光伏就瞄準(zhǔn)了可以涂在玻璃上,用于窗戶和其他建筑構(gòu)件的純鈣鈦礦產(chǎn)品。凱斯稱:“這是一個(gè)杰出的創(chuàng)意,但我們意識到步入商業(yè)化可能還需要5到10年。我們力求縮短交付時(shí)間。”

當(dāng)陽光進(jìn)入牛津光伏的疊層電池時(shí),光子穿過透明電極層,抵達(dá)鈣鈦礦層,鈣鈦礦層吸收較短的波長(趨向于光譜的藍(lán)色端)。未被吸收的光子穿過一個(gè)稀薄結(jié)合層,遇到吸收較長波長的硅層。最終,更多的可用光被電池吸收。

凱斯解釋道:“要制造出效能為26%甚至30%的疊層電池,只需要效能15%到17%的鈣鈦礦層,外加效能為20%的普通硅層。”

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