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鈣鈦礦太陽(yáng)能電池:即將進(jìn)入黃金時(shí)期

發(fā)布時(shí)間:2019-03-15 來(lái)源:元祿光電

在德國(guó)哈弗爾河畔勃蘭登堡郊區(qū)的一家工廠,身著潔凈室工裝的技術(shù)工人正在將閃亮的薄方塊裝進(jìn)平板模塊中,這將是未來(lái)市場(chǎng)上最好的太陽(yáng)能電池板。

 

這家試點(diǎn)工廠屬于英國(guó)牛津大學(xué)校辦公司牛津光伏(Oxford PV)。自2012年起,該公司便致力于鈣鈦礦晶體太陽(yáng)能電池的商業(yè)化。10年前,日本桐蔭橫濱大學(xué)的宮坂力(Tsutomu Miyasaka)研究小組宣布首批鈣鈦礦太陽(yáng)能電池問(wèn)世。但是這些早期的實(shí)驗(yàn)室原型非常不穩(wěn)定,效能僅有3.8%。

 

后來(lái),研究人員和制造商在效能方面取得了巨大進(jìn)步,并解決了設(shè)備的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性問(wèn)題。例如,20186月,牛津光伏公布了其里程碑式的最新效能,達(dá)到27.3%。相比之下,當(dāng)前的硅光伏效能的最好紀(jì)錄是26.7%,而商用硅板的效能還要低得多。

 

目前,該公司正著手推出全球首個(gè)商用疊層硅-鈣鈦礦太陽(yáng)能模組,將鈣鈦礦材料的薄膜層與硅太陽(yáng)能設(shè)備相結(jié)合。牛津光伏首席技術(shù)官克里斯?凱斯(Chris Case)表示,太陽(yáng)能模塊的外觀和性能與傳統(tǒng)硅太陽(yáng)能電池板非常相似。主要的不同在于,它們產(chǎn)生的電量更多。

 

鈣鈦礦太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)7年前尚不存在,而今天其發(fā)展已十分引人注目?,F(xiàn)在,有幾十家公司競(jìng)相將此技術(shù)推向市場(chǎng)。全球數(shù)百名研究人員正在研究新型鈣鈦礦材料和處理方法,研究如何使設(shè)備工作。截至本文發(fā)稿之時(shí),凱斯認(rèn)為2018年關(guān)于鈣鈦礦的學(xué)術(shù)論文數(shù)量有望突破5000篇(包括有關(guān)鈣鈦礦光電探測(cè)器、X射線探測(cè)器和發(fā)光二極管的報(bào)告)。

 

短短10年間,鈣鈦礦已經(jīng)從刁鉆、低效的實(shí)驗(yàn)設(shè)備發(fā)展為達(dá)到或超越傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池性能的商業(yè)級(jí)產(chǎn)品。除有機(jī)發(fā)光二極管、染料敏化或量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池外,沒(méi)有其他太陽(yáng)能光伏技術(shù)可以與之相媲美。

 

凱斯稱:“目前我們正處于歷史的轉(zhuǎn)折點(diǎn)?,F(xiàn)在,在全球大多數(shù)地方,無(wú)補(bǔ)貼的太陽(yáng)能光伏發(fā)電成本低于其他任何形式的發(fā)電。”他認(rèn)為鈣鈦礦將確保太陽(yáng)能的主宰地位。

 

“阻止不了。即便是全球最大的石油公司也無(wú)法阻止它。”

 

鈣鈦礦的誘人之處是,在將光子轉(zhuǎn)化為電能方面比硅更為優(yōu)越。

 

科羅拉多州戈?duì)柕菄?guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室鈣鈦礦太陽(yáng)能團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人約瑟夫?貝瑞(Joseph Berry)說(shuō):“我的一個(gè)同事喜歡說(shuō),如果你要選擇一種理想的太陽(yáng)能材料,你絕不會(huì)選硅。(硅)能成為一種重要材料,是因?yàn)樗醒邪l(fā)資金都投資于硅(用于集成電路和太陽(yáng)能)。”

貝瑞稱:“高純度無(wú)瑕疵的硅才具備我們垂涎的特性。鈣鈦礦能夠容忍瑕疵的存在。我們無(wú)須精心處理材料就可獲得極具競(jìng)爭(zhēng)力的設(shè)備效能。”鈣鈦礦還可用于各種低成本的生產(chǎn)方法,包括旋涂和卷對(duì)卷印刷。美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的研究人員甚至開(kāi)發(fā)出一種可作畫(huà)的鈣鈦礦墨水。

 

貝瑞預(yù)測(cè),如果建造一座10億瓦特規(guī)模的鈣鈦礦太陽(yáng)能模塊電廠,最終成本大約是目前建造一座類似規(guī)模硅太陽(yáng)能電池板工廠的1/10。最終產(chǎn)品柔韌且近乎透明,因此專家設(shè)想可使用它們作為窗玻璃和建筑物的噴涂涂層。

 

鈣鈦礦最初是指含鈣、鈦和氧的礦物,于1839年首次被發(fā)現(xiàn)。此后,鈣鈦礦指代一大類具有與此類礦物相同晶體結(jié)構(gòu)的化合物。其化學(xué)成分簡(jiǎn)寫(xiě)為AMX3,其中A通常代表有機(jī)分子,M代表金屬(如鉛或錫),X代表鹵素(如碘或氯)。桐蔭橫濱大學(xué)的宮坂研究團(tuán)隊(duì)用化合甲基銨三碘化鉛制成了首個(gè)鈣鈦礦電池。但牛津光伏的凱斯認(rèn)為,成千上萬(wàn)種化合物都可以形成這種晶體結(jié)構(gòu)。

 

無(wú)論化學(xué)性質(zhì)如何,鈣鈦礦太陽(yáng)能電池都必須滿足3個(gè)基本商業(yè)化標(biāo)準(zhǔn):穩(wěn)定性、效能和可擴(kuò)展性。凱斯稱,他的公司將硅薄膜和鈣鈦礦組合成“疊層”電池,解決了上述3個(gè)問(wèn)題。這種電池可以使用目前的太陽(yáng)能電池板制造方法生產(chǎn)。

 

早在2012年公司開(kāi)始研究鈣鈦礦時(shí),牛津光伏就瞄準(zhǔn)了可以涂在玻璃上,用于窗戶和其他建筑構(gòu)件的純鈣鈦礦產(chǎn)品。凱斯稱:“這是一個(gè)杰出的創(chuàng)意,但我們意識(shí)到步入商業(yè)化可能還需要510年。我們力求縮短交付時(shí)間?!?/span>

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當(dāng)陽(yáng)光進(jìn)入牛津光伏的疊層電池時(shí),光子穿過(guò)透明電極層,抵達(dá)鈣鈦礦層,鈣鈦礦層吸收較短的波長(zhǎng)(趨向于光譜的藍(lán)色端)。未被吸收的光子穿過(guò)一個(gè)稀薄結(jié)合層,遇到吸收較長(zhǎng)波長(zhǎng)的硅層。最終,更多的可用光被電池吸收。

 

凱斯解釋道:“要制造出效能為26%甚至30%的疊層電池,只需要效能15%17%的鈣鈦礦層,外加效能為20%的普通硅層。”

 

研究疊層鈣鈦礦的遠(yuǎn)不止牛津光伏一家公司。其他參與者包括日本的東芝和松下,以及斯坦福大學(xué)的串聯(lián)光伏公司(Tandem PV)。與此同時(shí),還有一些公司繼續(xù)押注純鈣鈦礦太陽(yáng)能電池:波蘭的索樂(lè)科技(Saule Technologies)、中國(guó)的萬(wàn)度光能纖納光電,以及美國(guó)的初創(chuàng)公司能源材料公司(EMC)。

 

與牛津光伏一樣,能源材料公司最初也并非一家鈣鈦礦太陽(yáng)能公司。能源材料公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官斯蒂芬?德盧卡(Stephan DeLuca)表示:“最初,我們?cè)趤喬靥m大開(kāi)發(fā)光學(xué)天線,這是一種將光能轉(zhuǎn)化為電能的特別方式?!彼f(shuō),大約3年前, “我們意識(shí)到商業(yè)化的道路還很漫長(zhǎng)?!蹦茉床牧瞎巨D(zhuǎn)向太陽(yáng)能鈣鈦礦。

 

這家初創(chuàng)公司主要研究鈣鈦礦電池的精密卷繞對(duì)位技術(shù)的商業(yè)化。德盧卡說(shuō):“若要讓其以低成本與硅競(jìng)爭(zhēng),就必須加快速度。我們的目標(biāo)是使用1.5米寬、速度達(dá)50米每分鐘的滾卷。需要提高到這個(gè)速度。”

 

德盧卡稱,像牛津光伏和其他公司那樣使用真空鍍膜,意味著“需要把薄膜煮上半個(gè)小時(shí),所以提速難度更大”。他補(bǔ)充道,采用精密卷繞對(duì)位方法建立一家鈣鈦礦太陽(yáng)能電廠,要比用傳統(tǒng)硅技術(shù)的成本低得多。

 

幾年前,為了利用伊士曼柯達(dá)公司提供的代工生產(chǎn)設(shè)施,能源材料公司搬到了紐約州羅切斯特市。目前能源材料公司的電池有5層,由精密卷繞機(jī)一步完成。 

 

能源材料公司的鈣鈦礦電池基于黃勁松及其北卡羅來(lái)納大學(xué)教堂山分校的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的一種器件架構(gòu)。黃勁松稱:“該領(lǐng)域多使用所謂的NIP結(jié)構(gòu)?!?/span>NIP結(jié)構(gòu)是指上層是負(fù)摻雜(或n型)材料,中層未摻雜“固有”材料,底層是正摻雜(或p型)材料的設(shè)備。NIP結(jié)構(gòu)的一個(gè)缺點(diǎn)是,其需要約200℃的制造溫度,這增加了其成本,限制了制造方法。

 

能源材料公司的設(shè)備采用PIN結(jié)構(gòu),頂層是p型材料?!拔覀儼l(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)性能更好,可采用室溫工藝制造?!笔覝毓に嚢ň芫砝@印刷。黃勁松說(shuō):“這絕對(duì)是你能想到的最快方法?,F(xiàn)有很多聚合物薄膜一類的產(chǎn)品的供應(yīng)商。你不必重新研制任何設(shè)備。”

 

盡管取得了巨大成果并開(kāi)展了密集的活動(dòng),但一些太陽(yáng)能研究人員仍對(duì)鈣鈦礦的潛力持懷疑態(tài)度。在最近一次接受光伏雜志采訪時(shí),澳大利亞太陽(yáng)能先驅(qū)馬丁?格林(Martin Green)指出:“必須解決現(xiàn)有的各種不穩(wěn)定因素?!边@些不穩(wěn)定因素包括對(duì)濕度、氧甚至光的敏感性。

格林表示:“硅制造商很少采用比基準(zhǔn)產(chǎn)品效率高但穩(wěn)定性差的產(chǎn)品,因?yàn)橹圃焐滩幌M诜€(wěn)定性方面自毀聲譽(yù);事實(shí)上,這可能是致命的?!?/span>

 

能源材料公司的德盧卡稱,并非所有鈣鈦礦都存在這一缺陷。他說(shuō):“某些說(shuō)鈣鈦礦配方和器件堆疊不穩(wěn)定的報(bào)告對(duì)于材料研究非常重要,但也讓人們誤以為所有鈣鈦礦類材料都是不穩(wěn)定的?!痹斐蛇@種誤解的部分原因可能在于仍為學(xué)術(shù)研究人員廣泛使用的甲基銨三碘化鉛是一種不穩(wěn)定的化合物?!耙@得穩(wěn)定的器件,需要正確選擇鈣鈦礦材料和構(gòu)成堆疊器件的其他層。”

 

凱斯稱,牛津光伏的電池性能相當(dāng)穩(wěn)定,并通過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)光伏模塊的各項(xiàng)主要加速壽命測(cè)試。該公司將于2019年交付首批模塊,目前正與一家名稱不詳?shù)摹爸饕杼?yáng)能電池和模塊制造商”合作。

 

20189月,公司與牛津大學(xué)啟動(dòng)了為期5年的聯(lián)合研究項(xiàng)目,耗資500萬(wàn)英鎊(640萬(wàn)美元),力求使效能達(dá)到37%。如項(xiàng)目成功,太陽(yáng)能模塊的電力轉(zhuǎn)換能力將是目前商品太陽(yáng)能板的近兩倍。如牛津光伏未達(dá)成該目標(biāo),另有一家公司可能會(huì)達(dá)到。

 

在美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的貝瑞看來(lái),不必急于將未經(jīng)全面審查的產(chǎn)品和技術(shù)推向市場(chǎng)。

貝瑞稱:“最初,我并非忠實(shí)的信徒。我認(rèn)為,如果有致命的缺陷,我們就加以彌補(bǔ),然后繼續(xù)前進(jìn)。4年后的今天,我認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)確實(shí)有機(jī)會(huì)改變世界。這種機(jī)會(huì)不是每天都有的,你肯定不想錯(cuò)過(guò)?!痹摴怆?/span>dlhongfeng.cn

 

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