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“即将进入黄金岁月”——钙钛矿太阳能电池

  在德国哈弗尔河畔勃兰登堡郊区的一家工厂,身着洁净工作服的技术工人正在将闪亮的薄方块装进平板组件中,这将是未来市场上最好的太阳能电池板。

  这家试点工厂属于英国牛津大学校办公司牛津光伏(Oxford PV)。自2012年起,该公司便致力于钙钛矿晶体太阳能电池的商业化。10年前,日本桐荫横滨大学的宫坂力(Tsutomu Miyasaka)研究小组宣布首批钙钛矿太阳能电池问世。但是这些早期的实验室原型非常不稳定,效能仅有3.8%。

  后来,研究人员和制造商在效能方面取得了巨大进步,并解决了设备的稳定性和可扩展性问题。例如,2018年6月,牛津光伏公布了其里程碑式的最新效率,达到27.3%。相比之下,当前的硅太阳能电池光伏效率的最好纪录是26.7%,而商用硅电池组件的效率还要低得多。

  目前,该公司正着手推出全球首个商用叠层硅-钙钛矿太阳能电池组件,将钙钛矿材料的薄膜层与硅太阳能设备相结合。牛津光伏首席技术官克里斯•凯斯(Chris Case)表示,太阳能组件的外观和性能与传统硅太阳能电池组件非常相似。主要的不同在于,它们产生的光电效率更高,会产生更多电量。

  钙钛矿太阳能产业7年前尚不存在,而今天其发展已十分引人注目。现在,有几十家公司竞相将此技术推向市场。全球数百名研究人员正在研究新型钙钛矿材料和处理方法,研究如何使设备工作。凯斯认为2018年关于钙钛矿的学术论文数量有望突破5000篇(包括有关钙钛矿光电探测器、X射线探测器和发光二极管的报告)。

  短短10年间,钙钛矿已经从刁钻、低效的实验产品发展为达到或超越传统太阳能电池性能的商业级产品。除有机发光二极管、染料敏化或量子点太阳能电池外,没有其他太阳能光伏技术可以与之相媲美。

  凯斯称:“目前我们正处于历史的转折点。现在,在全球大多数地方,无补贴的太阳能发电成本低于其他任何形式的发电。”他认为钙钛矿将确保太阳能的主宰地位。

  科罗拉多州戈尔登国家可再生能源实验室钙钛矿太阳能团队负责人约瑟夫•贝瑞(Joseph Berry)说:“我的一个同事喜欢说,如果你要选择一种理想的太阳能材料,你绝不会选硅。(硅)能成为一种重要材料,是因为所有研发资金都投资于硅(用于集成电路和太阳能)。”

  贝瑞称:“高纯度无瑕疵的硅才具备我们垂涎的特性。钙钛矿能够容忍瑕疵的存在。我们无须精心处理材料就可获得极具竞争力的产品效能。”钙钛矿还可用于各种低成本的生产方法,包括旋涂和卷对卷印刷。美国国家可再生能源实验室的研究人员甚至开发出一种可作画的钙钛矿墨水。

  贝瑞预测,如果建造一座10亿瓦规模的钙钛矿太阳能电池厂,最终成本大约是目前建造一座类似规模硅太阳能电池工厂的1/10。最终产品柔韧且近乎透明,因此专家设想可使用它们作为窗玻璃和建筑物的喷涂涂层。

  钙钛矿最初是指含钙、钛和氧的矿物,于1839年首次被发现。此后,钙钛矿指代一大类具有与此类矿物相同晶体结构的化合物。其化学成分简写为AMX3,其中A通常代表有机分子,M代表金属(如铅或锡),X代表卤素(如碘或氯)。桐荫横滨大学的宫坂研究团队用化合甲基铵三碘化铅制成了首个钙钛矿电池。但牛津光伏的凯斯认为,成千上万种化合物都可以形成这种晶体结构。

  无论化学性质如何,钙钛矿太阳能电池都必须满足3个基本商业化标准:稳定性、效能和可量产。凯斯称,他的公司将硅薄膜和钙钛矿组合成“叠层”电池,解决了上述3个问题。这种电池可以使用目前的太阳能电池片制造方法生产。

  早在2012年公司开始研究钙钛矿时,牛津光伏就瞄准了可以涂在玻璃上,用于窗户和其他建筑构件的纯钙钛矿产品。凯斯称:“这是一个杰出的创意,但我们意识到步入商业化可能还需要5到10年。我们力求缩短交付时间。”

“即将进入黄金岁月”——钙钛矿太阳能电池

  当阳光进入牛津光伏的叠层电池时,光子穿过透明电极层,抵达钙钛矿层,钙钛矿层吸收较短的波长(趋向于光谱的蓝色端)。未被吸收的光子穿过一个稀薄结合层,遇到吸收较长波长的硅层。最终,更多的可用光被电池吸收。

  凯斯解释道:“要制造出效能为26%甚至30%的叠层电池,只需要效能15%到17%的钙钛矿层,外加效能为20%的普通硅层。”

  研究叠层钙钛矿的远不止牛津光伏一家公司。其他参与者包括日本的东芝和松下,以及斯坦福大学的串联光伏公司(Tandem PV)。与此同时,还有一些公司继续押注纯钙钛矿太阳能电池:波兰的索乐科技(Saule Technologies)、中国的万度光能和纤纳光电,以及美国的初创公司能源材料公司(EMC)。

  与牛津光伏一样,能源材料公司最初也并非一家钙钛矿太阳能公司。能源材料公司联合创始人兼首席执行官斯蒂芬•德卢卡(Stephan DeLuca)表示:“最初,我们在亚特兰大开发光学天线,这是一种将光能转化为电能的特别方式。”他说,大约3年前, “我们意识到商业化的道路还很漫长。”所以能源材料公司转向太阳能钙钛矿。

  这家初创公司主要研究钙钛矿电池的精密卷绕对位技术的商业化。德卢卡说:“若要让其以低成本与硅竞争,就必须加快速度。我们的目标是使用1.5米宽、速度达50米每分钟的滚卷。需要提高到这个速度。”

  德卢卡称,像牛津光伏和其他公司那样使用真空镀膜,意味着“需要把薄膜煮上半个小时,所以提速难度更大”。他补充道,采用精密卷绕对位方法建立一家钙钛矿太阳能电池厂,要比用传统硅技术的成本低得多。

  几年前,为了利用伊士曼柯达公司提供的代工生产设施,能源材料公司搬到了纽约州罗切斯特市。目前能源材料公司的电池有5层,由精密卷绕机一步完成。

  能源材料公司的钙钛矿电池基于黄劲松及其北卡罗来纳大学教堂山分校的团队开发的一种器件架构。黄劲松称:“该领域多使用所谓的NIP结构。”NIP结构是指上层是负掺杂(或n型)材料,中层未掺杂“固有”材料,底层是正掺杂(或p型)材料的设备。NIP结构的一个缺点是,其需要约200℃的制造温度,这增加了其成本,限制了制造方法。

  能源材料公司的设备采用PIN结构,顶层是p型材料。“我们发现这种结构性能更好,可采用室温工艺制造。”室温工艺包括精密卷绕印刷。黄劲松说:“这绝对是你能想到的最快方法。现有很多聚合物薄膜一类的产品的供应商。你不必重新研制任何设备。”

  尽管取得了巨大成果并开展了密集的活动,但一些太阳能研究人员仍对钙钛矿的潜力持怀疑态度。在最近一次接受光伏杂志采访时,澳大利亚太阳能先驱马丁•格林(Martin Green)指出:“必须解决现有的各种不稳定因素。”这些不稳定因素包括对湿度、氧甚至光的敏感性。

  格林表示:“硅制造商很少采用比基准产品效率高但稳定性差的产品,因为制造商不希望在稳定性方面自毁声誉;事实上,这可能是致命的。”

  能源材料公司的德卢卡称,并非所有钙钛矿都存在这一缺陷。他说:“某些说钙钛矿材料和器件堆叠不稳定的报告对于材料研究非常重要,但也让人们误以为所有钙钛矿类材料都是不稳定的。”造成这种误解的部分原因可能在于认为学术研究人员广泛使用的甲基铵三碘化铅是一种不稳定的化合物。“要获得稳定的器件,需要正确选择钙钛矿材料和构成堆叠器件的其他层。”

  凯斯称,牛津光伏的电池性能相当稳定,并通过了标准光伏组件的各项主要寿命测试。该公司将于2019年交付首批组件,目前正与一家“主要硅太阳能电池和组件制造商”合作。

  2018年9月,公司与牛津大学启动了为期5年的联合研究项目,耗资500万英镑(640万美元),力求使效能达到37%。如项目成功,太阳能组件的电力转换能力将是目前商品太阳能板的近两倍。如牛津光伏未达成该目标,另有一家公司可能会达到。

  在美国国家可再生能源实验室的贝瑞看来,不必急于将未经全面审查的产品和技术推向市场。

  贝瑞称:“最初,我并非忠实的信徒。我认为,如果有致命的缺陷,我们就加以弥补,然后继续前进。4年后的今天,我认为这项技术确实有机会改变世界。这种机会不是每天都有的,你肯定不想错过。”