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钙钛矿产业化进程提速,奔赴星辰大海
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2024-05-10
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钙钛矿产业化进程提速,奔赴星辰大海
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一、钙钛矿是第三代太阳能电池技术,发
展前景广阔
(一)钙钛矿电池因其光电转换层材料得名,下游应用场景丰富 太阳能电池是一种将
太阳光转换为电能的设备,可以利用光子的能量,通过光电效应产 生电流。从发展过
程来看,通常将太阳能电池技术分为三代:
(1)第一代晶硅电池,主要以多晶硅、单晶硅电池为代表,目前技术成熟度、光电转
换 效率和商业化程度均相对较高。目前,晶硅电池技术在光伏市场占据主导地位,占
市场 份额 90%以上。目前,第一代晶硅电池的实验室转换效率越来越接近其理论效率
极限 29.4%,提升空间有限。
(2)第二代多元化合物薄膜电池,主要包括砷化镓(GaAs)、铜铟镓硒(CIGS)、碲
化 镉(GdTe)、磷化铟(InP)等类型的太阳能电池。这类电池原材料消耗低、质量
更轻、 活性材料灵活性高,可以满足多种不同应用需求。转换效率方面处于较高水
平,单结 GaAs 电池可达 28%-30%。但由于这类电池使用的部分活性材料具有毒性或
储量稀少,大规模 量产仍存在难度。
(3)第三代新型电池,主要包括钙钛矿太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机太阳
能 电池、量子点太阳能电池等。这类电池具备原料无毒、储量丰富、成本低、工艺简
单且可 柔性制备等多重优点。其中单结钙钛矿太阳能电池的理论转换效率达 33%,与
晶硅电池 组成叠层电池后,转换效率还将进一步提升,未来发展前景广阔。目前行业
大多仍处于 中试线阶段,部分领先企业将陆续启动 GW 级产线建设。
钙钛矿电池因其光电转换层使用钙钛矿结构的材料而得名,指通用化学式为 ABX3 的
一 类材料。在 ABX3 晶体中,BX6 构成正八面体,BX6 之间通过共用顶点 X 连接,构
成三 维骨架,A 嵌入八面体间隙中使晶体结构得以稳定。其中 A 为大半径的一价阳
离子(如 甲胺阳离子 MA+、甲脒阳离子 FA+、铯离子 Cs+等),B 为小半径的二价阳
离子(如亚铅 离子 Pb2+、亚锡离子 Sn2+、亚锗离子 Ge2+等),X 通常为卤素阴离
子(如氟离子 F-,氯 离子 Cl-,溴离子 Br-,碘离子 I-等)。常见的钙钛矿材料主
要有 FAPbI3、MAPbI3 等。
钙钛矿具有轻质、柔性、弱光性高等特点,下游应用场景广阔。(1)光伏建筑一体化
(BIPV), 钙钛矿可以做到自然半透,同时颜色可调,因此既可以作为发电幕墙,也
可以用于发电 石材。(2)车顶光伏,汽车对面积及重量相对敏感,轻质的钙钛矿组
件是理想的材料之 一。(3)移动设备和电子产品,钙钛矿低温即可制备,可制成柔
性器件,应用于可穿戴 电子产品的移动电源。(4)联网传感器,钙钛矿的弱光发电
性能好,可以在室内弱光条 件下为物联网传感器提供可靠稳定的电力来源,让物联网
更加轻量化也更可靠。(5)大 型地面电站及分布式光伏,钙钛矿理论转换效率高,
且可以与晶硅电池叠层实现更高转 换效率,未来在光伏电站场景具有较大发展潜力。
(二)工作原理与晶硅电池类似,材料体系灵活可设计性强
钙钛矿太阳电池通常由导电基底(ITO/FTO)、电子传输层(ETL)、钙钛矿光吸收
层、 空穴传输层(HTL)以及金属电极组成。当太阳光入射到电池表面时,钙钛矿材
料吸收 太阳光,能量大于吸收层材料禁带宽度的光子被其吸收,钙钛矿材料内部的电
子由基态 转变为激发态,在材料内部形成光生空穴和光生电子,光生电子被电子传输
层吸收传至 阴极,进入外电路,而光生空穴被传输至阳极,再进入外电路与光生电子
汇合,形成闭 合回路产生电流。
常见的钙钛矿太阳能电池有正式介孔结构、正式平面结构、反式平面结构。按照电荷
的 传输方向钙钛矿太阳能电池可以分为 n-i-p 结构(正式结构)和 p-i-n 结构(反
式结构), 按照传输层的结构不同可以分为介孔结构和平面结构。正式介孔结构的电
子传输层材料 需要高温烧结,耗能较高的同时也在一定程度上限制了其柔性基底的选
择。相较于介孔 结构,平面结构具有制备工艺简单、开路电压更高等优势,更适用于
柔性电池、叠层电 池和大面积电池的发展。一般情况下,采用正式结构通常具有更高
的转换效率,采用反 式结构则表现出更优秀的长期稳定性。
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yuxingwu9872
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