科普：鈣鈦礦太陽能電池

:近日，眾多高校實驗室紛紛爆出喜訊：上海交大韓禮元教授團隊發(fā)聲，團隊歷時3年在大面積高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜制備的基礎上，開發(fā)了有效面積36.1cm2的鈣鈦礦電池模塊，在國際認證機構(gòu)首次獲得了12.1%的認證效率。這一成果的出現(xiàn)意味著未來鈣鈦礦光伏技術有了走出實驗室、實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的可能。

華中科技大學自主研發(fā)出的新型鈣鈦礦太陽能電池正在積極準備量產(chǎn)，華科大團隊已經(jīng)獲得超過16%的光電轉(zhuǎn)換效率，每峰瓦成本還僅為傳統(tǒng)太陽能電池的1/5，每平米預計成本將低至100元。

光電轉(zhuǎn)化率

提及新的光伏材料，首先要考慮到的就是光電轉(zhuǎn)化率，有同學會問，為什么上述兩則新聞中所提及的鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化率相差4個百分點。

這樣的數(shù)據(jù)差是由于如下幾個原因：

第一，鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)化率與其電池面積及厚度有直接關系，依靠現(xiàn)有制備薄膜的技術，鈣鈦礦薄膜的面積越大，越容易出現(xiàn)瑕疵，電池的效率就越低。超過20%國際認證效率的鈣鈦礦太陽能電池模塊面積只能達到0.04至0.2平方厘米，頂多像米粒那么大，上海交大所提出的12.1%是在面積為36.1cm2的前提下。

第二，在這種鈣鈦礦ABX3結(jié)構(gòu)中，A為甲胺基(CH3NH3)，B為金屬鉛原子，X為氯、溴、碘等鹵素原子。由于相對復雜的晶體結(jié)構(gòu)對A、B、X三個位點上的原子(或基團)半徑有著較高的要求，鈣鈦礦吸光材料的組成比較固定。最近一些研究組用甲咪基取代A位上甲胺基，使帶隙變窄(1.48eV)，獲得了更高的光電流。對于B位上的Pb原子，當Sn原子替換Pb原子后，目前尚未見有光電響應的報道。而X位上的原子，目前可以選用氯、溴、碘等鹵素原子，但只有以碘為主的鈣鈦礦有合適的帶隙，可以獲得高轉(zhuǎn)換效率。除了CH3NH3PbI3之外，CH3NH3PbI3-xClx也是目前研究較多的材料。在保持能級結(jié)構(gòu)基本不變的情況下，少量氯元素的摻雜可以提高電子遷移率，顯示出了更加優(yōu)異的光電性能。因此，部分元素的改變也對光電轉(zhuǎn)化率影響深刻。

目前在高效鈣鈦礦型太陽能電池中，最常見的鈣鈦礦材料是碘化鉛甲胺CH3NH3PbI3，它的帶隙約為1.5eV（理論研究表明，能隙在1~1.5eV的材料，對太陽光的吸收效率最高，典型的鈣鈦礦ABX3的能隙大多落在這個范圍），消光系數(shù)高，幾百納米厚薄膜就可以充分吸收800nm以下的太陽光。而且，這種材料制備簡單，將含有PbI2和CH3NH3I的溶液，在常溫下通過旋涂即可獲得均勻薄膜。上述特性使得鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)CH3NH3PbI3不僅可以實現(xiàn)對可見光和部分近紅外光的吸收，而且所產(chǎn)生的光生載流子不易復合，能量損失小，這是鈣鈦礦型太陽能電池能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的根本原因。

鈣鈦礦電池印刷漿料

成本

一、單價

談完轉(zhuǎn)化率，接下來首要考慮的就是成本問題。在世界上主要有3種類型的太陽能電池中，最貴的是多結(jié)太陽能電池，這種電池用于衛(wèi)星、無人機等，光電轉(zhuǎn)換效率高達46%，但造價昂貴；最常見的是晶硅太陽能電池，用它做成的光伏發(fā)電面板隨處可見，光電轉(zhuǎn)換效率約在18%，每平方米造價為500元至700元；其次，是以漢能為代表的薄膜太陽能電池，它的特點是薄，厚度為晶硅電池的1/10，轉(zhuǎn)換效率約為10%—12%，其明星產(chǎn)品“漢瓦”定價為1390元/平方米。而鈣鈦礦每平米預計成本將低至100元。

下圖是三種光伏材料的光電轉(zhuǎn)化率與價格對比圖。鈣鈦礦屬于第三種：高效薄膜技術。

數(shù)據(jù)來源：科學大院

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