太陽能電池材料新突破：?便宜100倍

當(dāng)前,大多數(shù)常用的太陽能電池都是以硅材料為基礎(chǔ)制成的,因為硅這種材料可以將太陽能轉(zhuǎn)化為清潔的電能。但是,制造硅的過程卻并不清潔,需要大量來自電廠的能量,而這些電廠又產(chǎn)生了大量二氧化碳排放。

為了使用更環(huán)保的材料替代硅,研究人員將重點放在了鈣鈦礦薄膜上。鈣鈦礦薄膜是一種低成本的柔性太陽能電池,不僅可以用最少的能量生產(chǎn),而且?guī)缀鯖]有二氧化碳排放。

盡管鈣鈦礦太陽能電池的應(yīng)用前景十分廣闊,但在得到大規(guī)模應(yīng)用之前,仍面臨著一些重大挑戰(zhàn)。特別是它們本身的不穩(wěn)定性,使得它們難以大規(guī)模量產(chǎn)。

圖 | 鈣鈦礦太陽能電池(來源:Medium)

近日,來自斯坦福大學(xué)(Stanford University)、美國國家可再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory)研究人員組成的科研團隊,在鈣鈦礦太陽能電池量產(chǎn)方面取得了突破性研究。

在這項工作中,研究人員展示了一種可以快速、穩(wěn)定生產(chǎn)鈣鈦礦電池的新方法,并將所制造的鈣鈦礦電池組裝成太陽能模塊,為設(shè)備、建筑物甚至電網(wǎng)供電。這項工作以“Rapid Open-Air Fabrication of Perovskite Solar Modules”為題,在線發(fā)表在 Cell Press 旗下科學(xué)期刊 Joule 上。

(來源:Joule)

對此,論文作者之一、斯坦福大學(xué)博士后 Nick Rolston 表示:“鈣鈦礦太陽能技術(shù)正處于可商業(yè)化與崩盤之間的岔路口,數(shù)百萬美元已經(jīng)投向許多鈣鈦礦初創(chuàng)企業(yè)中,但在未來三年中,如果沒有在延長電池壽命方面實現(xiàn)突破,這些錢就會慢慢燒完了?！?/p>

“這就是為什么他們團隊開發(fā)的新型鈣鈦礦制造工藝如此令人興奮的原因?！?Rolston 補充道。

快速制備方法問世

鈣鈦礦太陽能電池是由廉價、存量充足的化學(xué)物質(zhì)(如碘,碳和鉛)制成的合成晶體薄膜。

這種薄膜電池重量輕、可彎曲,并且可以在露天實驗室中以接近水沸點的溫度下生長,而這與精煉工業(yè)硅通常所需的 3000 華氏度(1650 攝氏度)相差甚遠(yuǎn)。

科學(xué)家目前開發(fā)出的鈣鈦礦電池,可以將 25% 的太陽能轉(zhuǎn)化為電能,盡管這種轉(zhuǎn)換效率可以與硅材料相媲美,但這些實驗電池并不能很快被應(yīng)用到屋頂上。

Rolston 表示:“大多數(shù)有關(guān)鈣鈦礦的研究工作都只是涉及到體積很小的可用太陽能電池,如小拇指指甲蓋大小一般?！?/p>

在嘗試制造更大的電池時會產(chǎn)生缺陷和針孔,從而大大降低電池效率。與持續(xù) 20-30 年的剛性硅電池不同,薄膜鈣鈦礦在受熱和受潮時會降解。

圖 | 指甲大小的鈣鈦礦材料(來源:Printed Electronics World)

Dauskardt 表示:“人們可以在實驗室中制造一個小型演示設(shè)備,但傳統(tǒng)的鈣鈦礦加工還無法快速、高效地進(jìn)行生產(chǎn)。”

為了應(yīng)對大規(guī)模量產(chǎn)這一挑戰(zhàn),研究人員采用了他們最新發(fā)明的一項專利技術(shù),即快速噴射等離子體處理技術(shù)(rapid-spray plasma processing)。

這項技術(shù)使用帶有兩個噴嘴的自動化設(shè)備來快速生產(chǎn)鈣鈦礦薄膜。其中,一個噴嘴將鈣鈦礦化學(xué)前體所需的液體溶液噴涂到一塊玻璃板上,另一個噴嘴釋放一種等離子體高活性電離氣體。

圖 | 鈣鈦礦薄膜制造過程(來源:Nick Rolston)

Rolston 表示:“采用傳統(tǒng)工藝制備方法,需要將鈣鈦礦溶液烘烤大約半小時,我們的創(chuàng)新之處在于使用等離子體高能源(plasma high-energy source),在一個步驟中快速將液體鈣鈦礦轉(zhuǎn)化為薄膜太陽能電池?！?/p>

通過快速噴涂工藝,斯坦福大學(xué)的研究團隊可以每分鐘生產(chǎn) 40 英尺(12 余米)厚的鈣鈦礦薄膜,大約比制造硅電池的速度快 4 倍?！拔覀儗崿F(xiàn)了所有太陽能生產(chǎn)技術(shù)中的最快產(chǎn)出速度,人們可以想象將大塊玻璃板放在輥子(roller)上,并以前所未有的速度生產(chǎn)鈣鈦礦薄膜?！?Rolston 說。

除了突破創(chuàng)紀(jì)錄的生產(chǎn)率,新制造的鈣鈦礦電池還實現(xiàn)了 18% 的能量轉(zhuǎn)換效率。

對此,Rolston 表示:“我們希望使這個制造過程被最大化地應(yīng)用。盡管等離子體處理系統(tǒng)聽起來可能很新穎,但它確實能以非常合理的價格買到?！?/p>

研究人員估計,他們的鈣鈦礦薄膜的制造成本約為 25 美分/平方英尺,這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于生產(chǎn)典型硅模塊所需的成本(2．5 美元/平方英尺),可以說便宜 100 倍。

全新的太陽能組件

硅太陽能電池通常在封裝模塊中互相連接,以提高其轉(zhuǎn)換效率以及承受惡劣天氣條件的能力。同樣地,為實現(xiàn)商業(yè)化,鈣鈦礦太陽能電池的制造商最終也不得不構(gòu)建穩(wěn)定、高效的封裝模塊。

為此,研究人員成功制造了鈣鈦礦封裝模塊。即使被擱置 5 個月之久,這種封裝模塊也能以 15．5% 的太陽能轉(zhuǎn)換效率運行。

圖 | 鈣鈦礦太陽能電池組件(來源:Nick Rolston)

傳統(tǒng)的硅太陽能電池發(fā)電成本約為 5 美分/千瓦時。為了與硅電池競爭,鈣鈦礦模塊必須封裝在防潮層中,并且至少要能防潮 10 年。研究團隊現(xiàn)在正在探索新的封裝技術(shù)和其他方法來提高鈣鈦礦太陽能電池的耐用性。

“如果我們能制造出一個能持續(xù) 30 年的鈣鈦礦組件,那么我們就可以將電力成本降低到 2 美分/千瓦時以下。當(dāng)成本達(dá)到這個數(shù)字時,我們就可以使用鈣鈦礦進(jìn)行實用規(guī)模的能源生產(chǎn),比如建設(shè)一個 100 兆瓦的太陽能發(fā)電場。” Rolston 說。

未來,隨著技術(shù)的不斷發(fā)展與突破,新型太陽能電池也將會實現(xiàn)大規(guī)模的落地應(yīng)用,人類將最終受益于這種更高效、更環(huán)保的能源轉(zhuǎn)換方式。