太阳能钙钛矿电池技术发展和经济性分析

太阳能钙钛矿电池技术发展和经济性分析

柳旭宁

青海黄河上游水电开发有限责任公司西宁太阳能电力分公司 青海省西宁市 810000

摘要：随着全球经济的快速发展，世界人口的迅速增长，对能源的需求也正呈上升趋势，造成的能源危机和环境问题亟待解决。因此，有必要找到一种清洁、可再生和可持续的替代能源。长期以来，太阳能由于其来源丰富而被认为是最好的替代能源之一，但其利用和转换技术一直是限制因素。钙钛矿是一种具有特殊晶体结构的半导体，非常适合用于太阳能电池技术。它们可在室温下制造，使用的能源比硅少得多，因此生产成本更低，更可持续。基于此，本文章对太阳能钙钛矿电池技术发展和经济性分析进行探讨，以供相关从业人员参考。

关键词：太阳能；钙钛矿；电池技术；发展；经济性

引言

能源问题一直是伴随着人类文明发展与进步的永恒课题,历史上每一次里程碑式的科技跨越,都无一例外的直接或间接与能源革命有关。随着全球工业化进程的持续扩张以及世界人口的飞速增长,势必会加剧这些问题。因此,寻求合适、高效、存量丰富的可再生能源已成为全人类的共同目标.太阳能是一种绿色环保、取之不尽、用之不竭的清洁能源,太阳辐射到地球总能量的0.1%就足以满足整个人类社会的消耗，是人类能源问题最理想的解决方案之一。

一、钙钛矿概述

钙钛矿材料的热扩散系数普遍小于传统薄膜光伏电池材料，经仿真模拟和实验验证，即使纳秒激光选择性划刻对钙钛矿薄膜的热影响区也会较小，因而仅采用纳秒激光加工的钙钛矿组件也可实现几何填充系数＞95%，孔径面积效率超过21%。此外，团队通过组分工程和界面修饰策略，精细调控钙钛矿薄膜生长结晶动力学过程，降低薄膜的非辐射复合损失，基于倒置结构的钙钛矿太阳电池效率达到23.5%，组件获得国家光伏产业计量测试中心认证，孔径面积效率达到21.37%。另外，团队通过界面修饰增加薄膜耐弯折性能，同时钝化钙钛矿表面和晶界缺陷，最终制备的柔性钙钛矿组件经认证效率达到19.21%，为目前报道柔性钙钛矿组件的最高效率。

二、太阳能电池工作原理

太阳能内部结构中，Ｎ型半导体和Ｐ型半导体的连接处，电子沿着ＮＰ方向转移，空穴逐渐扩大，Ｐ型半导体一端负电荷越来越多，Ｎ端正电荷较多，所以电池内部形成电场。ＰＮ结容易受光照影响，如果光子作用足够强大，则电池内部结构就会出现电子移动，受内部电场影响，电子和空穴的形成与上述情况相反，此时Ｎ区聚集大量负电子，形成相反光电场。当入射光强度逐渐增加时，随之产生的电动势就会变大，将负载与电池连接，此时线路中就会形成电流。

三、太阳能钙钛矿电池技术发展和经济性分析

（一）钙钛矿光吸收层的带隙调控

由于硅电池的工艺经过多年发展已经日益成熟和固定,因此调整硅电池的带隙具有一定难度;而钙钛矿材料大多采用溶液法或真空气相沉积法制备,可以较为容易地通过组分工程调控元素组成,最终实现带隙匹配。钙钛矿是一类与钛酸钙(CaTiO3)有相似晶体结构的材料,结构通式为ABX3,B离子与X离子配位形成[BX6]八面体。理论上可以通过在A位、B位以及X位掺杂原子半径不同的元素,改变原子间距,实现带隙调控。根据紧束缚模型理论,原子间距越近,相互作用力越强,能带分裂得越宽,带隙越窄。基于此,将Sn2+作为B位阳离子替换Pb2+可以降低带隙,而将Cs+掺入A位或将Br–掺入X位可以提高带隙。

（二）金属卤化物钙钛矿

金属卤化物钙钛矿因具有高量子效率、强光致发光、可调节带隙、长载流子寿命等优点，并且其储量丰富，成本低廉而成为新兴光催化材料。制备MAPbI3用于光催化水产氢，结果表明，该材料具有优异的光生电荷载流子分离和可见光催化水产氢能力。但金属卤化物钙钛矿稳定性较差并且其表面存在缺陷，环境中的紫外线、氧气和温度等因素会使其光催化活性大幅度降低。可采用组分工程增强其晶体结构稳定性，或采用界面工程构建异质结，促进光生载流子的分离和迁移效率，提高其光催化活性。采用光辅助法和离子交换法合成I-由壳层到核心浓度逐渐减小的CsPbBr3-xIx/Pt。由于I-浓度的梯度分布，该材料具有带隙漏斗结构，该结构增强了光生载流子从核心到壳层的转移，从而产生了优异的光催化性能。

（三）太阳能光电转换器

根据材料的不同，太阳能电池可以分为：硅太阳能电池、无机盐太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池。实现产业化的太阳能电池主要为硅太阳能电池，且已经接近29%理论转化效率的上限。无机盐太阳能电池如砷化镓、硫化镉等光电转化效率较高，但是原材料会对环境造成严重污染。染料敏化太阳能电池、钙钛矿太阳能电池加工成本低，光电转化效率达到20%以上，但存在稳定性低、器件寿命短及难进行柔性加工的缺点。有机太阳能电池是利用有机材料的“光生伏特效应”，有机物材料吸收入射光产生激子，激子在内建电场的作用下于给受体界面处发生电荷分离生成载流子（即自由空穴和自由电子），自由空穴和自由电子分别向两个电极传输而产生电流。有机太阳能电池的优点在于使用的原材料为聚合物分子，成本低廉、工艺简单、便于实现柔性可折叠制备，光电转化效率已达到13%。

（四）钙钛矿电池项目经济性不佳

虽然钙钛矿电池制造成本低，但是由于其转换效率较晶硅电池低，要达到与单晶硅相同的输出功率就需要更多组件。使用钙钛矿组件相比单晶硅组件，单瓦静态投资和动态投资分别增加1.2%和1.4%，成本有所上涨，加之钙钛矿组件实际使用寿命尚不能达到商业寿命20年以上，因此项目经济性并不理想。而且目前尚无国际公认的钙钛矿测试标准，无可靠数据支持，投资商不敢贸然使用，大规模商业化项目的建设脚步缓慢。

（五）太阳能电池特性

当电池转角发生变化时，即光照强度变化时，电池最大输出功率数值随之发生改变。在转角增加过程中，最大输出功率数值逐渐减小，对应的负载电阻阻值逐渐增加，填充因子逐渐增加。当电池转角为８０°时，最大输出功率仅有０．０２８，负载电阻为４８３０Ω，填充因子为０．８０６。由此看来，光照强度决定了电池最大输出功率，当光照强度逐渐减弱时，太阳能电池能够为装置提供的作业功率就会下降。在此条件下，想要发挥电池供电作用，就需要增加线路中的负载电阻阻值，同时增加填充因子。在使用太阳能电池中，需要尽可能地减小电池与光照角度，以此提高电池输出功率。

（六）钙钛矿电池具有广阔的应用场景

钙钛矿电池技术的应用场景十分广泛，不仅适用于大型电站，还因其轻薄、柔性和可定制的特性，将来可以广泛适用于光伏建筑一体化、电子消费产品、传感器、布料等多种场景。一旦突破了关键技术问题，钙钛矿及其叠层电池有可能替代和补充晶硅产品，获得可观的市场份额。

结束语

钙钛矿型材料的光催化原理与传统光催化材料相似。在可见光或紫外光照射下，钙钛矿产生光生电子和空穴，光生电子和空穴在内部电场力的作用下分离并分别转移到导带和价带，这些电荷与表面吸附的氧气和氧化物发生反应，产生具有强氧化性的自由基，进而实现污染物的降解。

参考文献

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