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1、钙钛矿太阳能电池的机遇与挑战光伏电池组件 来源:北极星太阳能光伏网2019/9/11 13:40:18“在新型太阳能电池中，钙钛矿太阳能电池是最有前景的。”9 月10日下午，在智慧能源与绿色发展论坛上，上海科技大学教授宁 志军分享了钙钛矿太阳能电池的机遇与挑战。上海科技大学教授宁志军专题链接：现场直播I智慧能源与绿色发展论坛以下为会议实录：宁志军：非常荣幸与大家分享一下钙钛矿太阳能电池最近的进展 以及我们实验室目前最新的研究。我的介绍分四个部分，第一是钙 钛矿太阳能电池的现状，二是挑战，第三部分是我们最新研究进展， 最后总结一下。在5种新型太阳能电池中，钙钛矿太阳能电池是最有前景的。因 为这个
2、材料比较新，我还是给大家简单介绍材料的结构，主要是由 阳离子、有机阳离子、无机3个组分组成。大家一般认为传统半导 体材料要实现非常好的性质，就是高纯的晶体硅，而钙钛矿是目前 唯一的溶液法就可以得到高质量的半导体。它具有非常好的半导体 性质，比如载流子迁移率非常高、激子寿命长、缺陷浓度小、可见 光区吸光度高，原料易得等。它的结构主要是两种，一个是正式结 构，一个是反式结构，反式结构可以全部用无机的来做。值得重视的是，钙钛矿电池还可以跟晶体硅电池做一个叠层电池， 可以吸收800纳米以上的光。目前发表出来的文章电池效率达25.2%，目前认证的最高效率是英国一家公司的28%。此外，大家很 担心钙钛矿大
3、面积制备的问题，现在这个问题也慢慢得到解决，日 本东芝公司已具备了大面积制备的工艺。下面分析一下钙钛矿太阳能电池的成本。钙钛矿电池的成本，基 于这样一个结构，它是用导电玻璃在上面，再是金属电机的结构， 计算下来总的成本，如果电池能达到20%的效率，它的成本大概控 制到0.2美元以下，就是1块钱每瓦这样的水平。这里面主要成本 来自导电玻璃这一块，本身材料很便宜，只占到14%左右的成本， 钙钛矿不像晶体硅，非常薄，成本非常低。如果说导电玻璃大规模 生产，钙钛矿电池成本可能继续进一步降低。进一步计算每度电的 成本，如果效率20%的话，按目前成本计算，它的成本就在小于2 毛钱每度电的水平上面。如果说后
4、面效率进一步提高，它的成本可 能会进一步降低。目前产业链这块，钙钛矿电池主要分为三个部分， 包括原材料，包括碘化纤（音），还有ITO玻璃；组件制备，下游 厂商进行电池发电贴膜、便携式电子设备。国外企业钙钛矿太阳能 电池已经进入中级的阶段，国内领先的公司，如杭州纤纳光电，三 个博士合伙人，在三年时间内把钙钛矿大规模组件从开始百分之六 七左右很低的效率提高到17%这样的水平。还有江苏协鑫公司，他 们计划1MW产线投产。国际企业包括日本东芝公司、松下公司等。 松下今年发布新闻，他们组件已经通过标准稳定性的测试，在双85 的条件下器件能够放置1000个小时，这个非常重要，1平方厘米效 率突破20%，此
5、外钙钛矿叠层，他们能做28%小规模组件的效率。根 据他们的预测，钙钛矿市场规模1000亿元左右，在未来几年可能有 突破式增长。第二部分介绍钙钛矿电池的问题和挑战。一是稳定性问题。钙钛 矿电池虽然能够通过工业化测试，但是这个测试实际上是双85条件 不加光情况下测试的，实际运行之后对钙钛矿有非常严重的影响。 俄罗斯一个实验室做了实验，用紫外光去照，照一段时间之后这个 材料都会分解掉，这个材料本身的稳定性还是不够，容易分解。目 前来说，大家用外部解决的方法，外部做一些封装，把它封起来， 让离子不要跑出去，可以维持它的效率，使它保持比较高的效率。 但是这里面离子移动还是一直移动，如果做稳定性跟踪的话，
6、停一 段时间会有抖动，它本真的稳定性还是一个问题，没有得到解决。 另外一个，现在还没有长期跟踪，它的真实条件下跟踪还是缺少。 因为对于电子器件来说，大家对环境的要求越来越高，很容易进到 土壤里面去，进入到餐桌上面，这个问题还是有待解决的问题，在 什么地方生产这个电池，环保审查非常严，很多公司找不到生产这 样组件的地方。此外，钙钛矿电池效率进一步提升能不能达到晶体硅的水平，这 目前也是一个挑战。如果说要想超过晶体硅要往小的方向去，去找 新型钙钛矿材料是目前一个方向。下面简单介绍课题组的研究，主要是提高材料本身的稳定性，还 有分子调控杂化材料结构与表界面结构，缺陷调控和载流子迁移率 提高，同时稳定
7、性提高。首先一个工作，计算这几种例子，只有这个离子能和铅和碘结合， 但它并不是很稳定的结构，它的离子在里面是没有完全填充满，会 造成它的震动和不稳定性。筛选两种离子结合在一起，可以得到比 较稳定的利益方面的结构，在里面填充非常满的钙钛矿结构。基于 稳定这样的基底，目前基于氧化镍，在连续测试下面，大部分保持 80%以上的效率。第二个工作，通过新型稳定，它是一个弱键作用力，作用力不强， 容易发生结构的移动，就会造成结构的分解，用离子键最后形成更 加高的形成能，这个钙钛矿会更加稳定性。我们做了光电器件，去 跟踪效率和光谱的变化，100小时之后，这个效率衰减还是非常少 的。另外，我们用一个光谱的方法去
8、跟踪，在100小时里面基本上 没有变化，下面用新的RP相有明确的变化，这样的结构有效提高材 料实际运行条件下的稳定性。另外一个问题，刚才说的铅的毒性问题，首先用低维结构，把三 维结构做成二维结构之后，看的分解释放能量大幅降低，分解成氧 化锡，分解之后钙钛矿结构就变掉，我们看到它比三维结构更高一 些，我们用低维结构制造钙钛矿薄膜，在接触氧气和水汽之后，在 一段时间之内它的吸光度没有发生明显变化。在这个结构基础之上，把三维结构做成二维、三维相结合的梯度 结构，避免氧和水和三维结构氧化，我们可以达到9%的水平。通过 基底继续去调节钙钛矿的生产，得到大的精力，通过这个方法提高 效率，可以达到12.4%
9、这样的效率。最后总结一下，在最近这几年里面，非铅钙钛矿得到非常大的提 升，非铅钙钛矿国内研究还是处于比较领先的水平。还有一点，锡 跟铅结合形成窄带系的，理论效率来说叠层可以达到35%以上，实 现比较稳定的输出。钙钛矿太阳能电池表现出很好的发展态势，器件效率大幅提高， 制备工艺慢慢成熟，器件封装之后稳定性有大幅度提升，目前还是 有一些挑战，在稳定性这一块封装能不能阻止离子逃出来，很复杂 之后成本会非常高，所以长期稳定性还是有待验证。另外高效率和 高稳定性是不是能够同时满足，现在还没有得到解决，现在比较高 效率是稳定性比较差。现在锡钙钛矿是非常好的态势，但是研究需 要大量投入。最后是商业模式问题，这个可能需要正泰公司以后在 这方面做很多事情。最后谢谢课题组和基金会的支持，感谢各位聆 听！（发言为北极星太阳能光伏网根据速记整理，未经本人审核）
