钙钛矿光伏:让光伏走进千家万户_拥有钙钛矿电池的光伏公司

本文目录一览：

• 1、揭开钙钛矿光伏器件中“被埋藏的秘密”
• 2、认识钙钛矿，一种可以改变我们太阳能未来的神秘矿物
• 3、刘明侦研发出钙钛矿太阳能电池，在中国的新能源领域有什么影响？
• 4、钙钛矿实力出圈，开创光伏产业新格局
• 5、钙钛矿太阳能电池技术中国已走在世界前列了吗？
• 6、钙钛矿类太阳能电池的应用前景如何？

揭开钙钛矿光伏器件中“被埋藏的秘密”

矿底面的认知，进一步阐明了异质卤化铵上表面处理工艺实现钙钛矿薄膜底部界面优化改善的机理。该研究成果以“ Buried interfaces in halide perovskite photovoltaics ”为题在国际著名学术期刊 Advanced Materials 上发表，北京大学博士研究生杨晓宇、罗德映博士与萨里大学向昱任博士为本文共同第一作者。北京大学朱瑞研究员、龚旗煌院士与萨里大学张伟教授为本文共同通讯作者。

该研究发展了一种通用钙钛矿多晶薄膜剥离技术，将已制备好的钙钛矿准光伏器件浸泡在反溶剂氯苯当中，溶剂氯苯会将底部聚合物传输层溶解且不影响钙钛矿多晶薄膜，同时，顶部金属电极作为模板可以保证整个薄膜完整，最终将整个钙钛矿薄膜剥离下来从而暴露出其底面。

图1. 钙钛矿多晶薄膜剥离技术。A：一价有机/无机阳离子，B：Pb2+，X：卤素阴离子。

通过剥离技术得到了完整暴露出的钙钛矿多晶薄膜底面样品，进一步的形貌表征发现相对于顶部其底部具有更大的晶粒大小，同时薄膜残余卤化铅晶体在底部呈片状而在顶部呈小颗粒状；结合顶部与底部的化学组分及电势分布表征说明，底部呈现出相对与顶部更严重的薄膜横向异质性，同时也反映了钙钛矿多晶薄膜在溶液生长过程中出现的纵向异质性。

图2. 钙钛矿多晶薄膜顶面与底面的形貌、组分与电势分布。

进一步对钙钛矿顶部与底部采用荧光成像测试发现，底部荧光相较于顶部整体更弱，且存在大量非辐射复合区域——荧光暗区，其中大量暗区分布于卤化铅荧光区域附近，说明除钙钛矿晶粒底部严重的本征缺陷引起的非辐射复合暗区之外，大量底部卤化铅区域也会造成钙钛矿晶粒附近的非辐射复合加重。原位观察中还发现卤化铅信号与荧光暗区在钝化过程中的消失存在时间差异。

图3. 钙钛矿多晶薄膜顶面与底面的荧光成像。红色：700-790 nm范围荧光；蓝色：500-570 nm范围荧光。

图4. 原位底部共聚焦荧光成像制样、钙钛矿底部时间分辨原位荧光成像。

此外，众所周知，异质卤化铵上表面处理方法是近年来实现高质量钙钛矿薄膜以及高效率钙钛矿光伏器件的最有效手段，但其机理往往被认为是对钙钛矿薄膜顶部附近区域的缺陷钝化。研究者基于对底面性质的深入认知与表征，发现异质卤化铵的上表面处理也会对底部造成显著影响，改变底部形貌、组分以及晶体结构，从而改善了底部大量的非辐射复合区域，因此研究者将这一新机理定义为：分子辅助的微结构重构，从而更全面的解释了异质卤化铵表面处理的高效性的根源，也证实了多晶钙钛矿薄膜的软晶格性质，从而允许分子从顶部渗透扩散到薄膜底部，实现对整个薄膜全面的改善。

图5. 卤化铵表面钝化后钙钛矿薄膜顶部和底部性质。

该工作对钙钛矿多晶薄膜底界面的微区形貌、化学组分、电子结构及光物理性质进行了充分分析，所发展的多晶薄膜剥离技术和原位共聚焦荧光成像技术也将为为今后研究多晶薄膜底面特性提供了通用平台；研究发现了薄膜底部相较于顶部更加严重的薄膜异质性，并进一步揭示了薄膜底部大量非辐射复合区域的主要来源，最终阐明了卤化铵上表面钝化策略的真实机理，颠覆了传统认知并为今后器件优化方法的发展以及相关分子的设计提供了指导。

在研究工作开展过程中，英国剑桥大学Samuel D. Stranks教授、美国劳伦斯伯克利Thomas P. Russell教授、郑州大学邵国胜教授与沈永龙博士、西北工业大学黄维院士与涂用广副教授、南方 科技 大学于洪宇教授等团队都对该研究的顺利开展给予了大量的支持和帮助。

该工作也得到了国家自然科学基金委、北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心、北京大学长三角光电科学研究院、极端光学协同创新中心、“2011计划”量子物质科学协同创新中心、英国工程和自然科学研究委员会（EPSRC）等单位的支持。

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认识钙钛矿，一种可以改变我们太阳能未来的神秘矿物

有一天，太阳能电池板可能会变得轻巧便宜，可以挂在晾衣绳上，这要归功于一种叫做钙钛矿的合成矿物。 物理学家 Sam Stranks 解释了科学和阻碍其发展的挑战。

太阳能是我们能源未来的关键。 但太阳能行业正面临一个难题：硅电池在将阳光转化为电能方面效率不高——最多只有 29% 的效率。 您可能想知道，当没有阳光时，为什么效率很重要？ 答案是：因为低效率意味着您需要安装大量太阳能电池板——这些太阳能电池板可能又大又重且制造成本高——以产生足够的能量来满足您的需求。

但根据剑桥大学物理学家（和 TED 研究员）山姆·斯特兰克斯的说法，这种情况可能会因为一种叫做钙钛矿的矿物而改变。 他和他在 Swift Solar 的同事正在努力开发基于钙钛矿的太阳能电池板，这种电池板可能会突破能效上限。

“钙钛矿”一词是指两种物质：一种由钛酸钙组成的氧化钛钙矿物，以及具有该矿物独特晶体结构的一类化合物。 拥有如此有前途的光伏 (PV) 或太阳能发电特性的钙钛矿是日本科学家 Tsutomu Miyasaka 及其同事在 2009 年前发现的一组人造版本。 （宫坂在 2018 年被谈论为潜在的诺贝尔奖获得者。）“这些钙钛矿比硅更能吸收阳光，”斯特兰克斯说。 “我们可以用至少比硅薄一百倍的钙钛矿薄膜吸收几乎所有的阳光。”

这种溶液形成一种油墨，可以通过使用喷墨印刷或旋涂形成超细、均匀地层。 “沉积的薄膜非常薄——大约 500 纳米或大约是人类头发厚度的 1/100——足以吸收发电所需的大部分阳光，”斯特兰克斯说。

“例如，加利福尼亚州需要 50 吉瓦的电力，”斯特兰克斯说，“而要制造足够的太阳能电池板，你只需要奥运会游泳池一半的钙钛矿墨水。”

虽然建造一座硅工厂的成本约为 3 亿至 4 亿美元，但一座钙钛矿工厂的成本可能不到 1 亿美元。 “成本差异部分是因为制造高结晶硅需要将其加热到非常高的温度以消除缺陷，”斯特兰克斯说。 “另一方面，钙钛矿薄膜只需轻轻加热即可无缺陷，并且可以在大型打印机上快速推出，更具成本效益。”

“这不是硅的非此即彼的命题，而是两者兼而有之，” Stranks 说。 钙钛矿电池可以层叠在现有的硅太阳能电池上——在“串联”电池中——以提高它们的效率。 Stranks 认为，用钙钛矿增强硅可以使每个光伏电池板的效率比今天的光伏电池板高 20%。 效率的提高可能会通过太阳能过程产生影响。 他解释说：“如果你要安装的房子以前需要五块面板，现在你只需要四块。 这改变了很多事情：太阳能发电场的面板会突然便宜 20%，以及其他成本节约，等等。”

太阳能电池的工作是在可见光谱中收集各种波长的光——这些光被感知为不同的颜色——并将它们转化为能量。 “当你在硅电池上放置钙钛矿电池时，钙钛矿层会收集蓝光，这是能量最高的可见光，并将其转化为电能，”斯特兰克斯说。 “然后其余的光穿过下面的硅电池，它吸收更红、能量更低的射线并将其转化为能量。 这个想法是，通过这两层，你几乎可以收集整个光谱，但你是按顺序进行的，以最大限度地提高发电量。”

斯特兰克斯说，这就是目标。 钙钛矿-钙钛矿串联电池——由他的联合创始人 Giles Eperon 和 Tomas Leijtens 首次展示的概念——是 Swift Solar 团队正在开发的一项技术。 两种不同类型的钙钛矿电池相互叠放，就像串联钙钛矿-硅电池收获不同频率的光一样，串联钙钛矿-钙钛矿电池也是如此。 这些可能会将效率提高到 35% 或更高。

“硅电池可以使用 25 年，而钙钛矿电池尚未在水分和热量等环境压力下得到充分证明，”斯特兰克斯说。 （请记住，这种材料是在 2009 年才发现的。）如果您要在房屋上安装昂贵的太阳能电池板，您希望它至少能使用几十年。 Stranks 乐观地认为，钙钛矿电池可以变得耐用，也许可以通过优化成分和电池设计。 同时，串联钙钛矿电池可以开始用于不需要长期耐用性的运输和通信应用。

Stranks 设想钙钛矿电池有一天会在发展中国家的农村地区提供电力。 虽然硅面板已经在各种环境中安装和使用，但它们可能又重又笨重。 “一个想法是滚下这些廉价的太阳能板，装满一辆卡车，以便在偏远的社区使用。 这些床单可以挂在晾衣绳上，安装在避难所的屋顶上等等，”他说。 “一张带有蓄电池的典型床单可以为手机充电器、灯或小冰箱供电。” 根据 Stranks 的最佳猜测，钙钛矿可能需要长达十年的时间才能进入消费者的生活。 “我们还有工作要做，需要全球推动才能充分发挥钙钛矿的潜力，”他说。 “但鉴于廉价清洁能源的价格，未来是光明的。”

刘明侦研发出钙钛矿太阳能电池，在中国的新能源领域有什么影响？

这些成就会使得我们以后研发一些东西更加容易以及快捷。钙钛矿太阳能电池以其制备简单、成本低和效率高的优势在新型光伏技术领域迅速崛起。钙钛矿太阳能电池按照器件结构可分为正式和反式两种结构，相比于正式结构，反式结构器件因制备工艺更加简单、可低温成膜、无明显回滞效应、适合与传统太阳能电池（硅基电池、铜铟镓硒等）结合制备叠层器件等优点，受到学术界和产业界的关注。但仍然存在开路电压与理论值差距较大、光电转换效率仍然偏低等应用瓶颈。

在纳米研究国家重大科学研究计划的支持下，北京大学朱瑞研究员、龚旗煌院士与合作者展开研究，针对反式结构钙钛矿太阳能电池在光电转换效率上存在的瓶颈，提出了“胍盐辅助二次生长”方法，开创性地实现了钙钛矿薄膜半导体特性的调控，显著降低了器件中非辐射复合的能量损失，在提升器件开路电压方面取得了突破，首次在反式结构器件中获得了超过1.21V的高开路电压。

同时，在不损失光电流和填充因子等性能参数的情况下，显著提高了反式结构钙钛矿电池的光电转换效率，实验室最高效率达到21.51%。经中国计量科学研究院认证，器件的光电转换效率高达20.90%，是目前反式结构钙钛矿太阳能电池器件效率的最高记录。

该结果为提升反式钙钛矿太阳能电池器件效率、推进该类新型光伏器件的应用化发展提供了新思路，可进一步拓展到钙钛矿叠层太阳能电池以及钙钛矿发光器件中，具有潜在的应用前景和商业价值。相关成果6月29日在线发表在《科学》杂志上。

钙钛矿实力出圈，开创光伏产业新格局

太阳能是一种能量丰富、清洁的能源，合理、有效地利用太阳能是解决人类能源和环境问题的重要途径。

近年来的研究发现，具有钙钛矿晶体结构的甲脒（FA）钙钛矿材料由于具有很高的光吸收系数、很长的载流子传输距离、非常少的缺陷态密度等优异性质，在太阳能电池、发光器件、光电探测器、激光器、光催化、光检测等领域应用前景巨大，成为国际上极为重要的研究热点材料之一。

目前，中国计量科学研究院认证的，300cm²的大尺寸钙钛矿光伏组件已经创造出18.2%的转换效率，创造新的世界纪录，进一步验证了钙钛矿光伏创新技术产业化的可行性。

全球范围内多家公司都不约而同提速了钙钛矿电池商业化量产的步伐，在科研方面，国内几乎所有的理工科院校都在开展与钙钛矿有关的课题研究。

钙钛矿电池的产业化时机已经逐渐成熟，其商业化发展速度很可能会刷新许多人的认知。

2019年6月， 科技 部发布国家重点研发计划“可再生能源与氢能技术”等重点专项2019年度项目申报指南的通知，其中在太阳能一项中，特别提出为 探索 大面积太阳能电池制备技术，开展高效稳定大面积钙钛矿电池关键技术及成套技术研发，解决大面积钙钛矿电池稳定性问题。

新技术的推广，首先要有一个成熟产业的技术作为支撑，正如晶硅电池的产业化有半导体产业技术为基础一样，钙钛矿电池的制造产完全可以采用液晶面板行业的设备和技术，而且对技术和工艺的要求同样也要更低一些。

同时，国内高等院校的理工科专业均开展与钙钛矿相关的研究课题组，为行业发展培养了一定基数的技术人才；大企业纷纷布局，不断提高钙钛矿电池的光电转换效率，加速推进钙钛矿电池的商业化进程。

钙钛矿是一种化合物电池，其原材料来源于基础化工材料，有多达几万种原材料可供选择，完美避开对有限原材料的资源依赖。

而相比晶硅电池对硅料的需求，钙钛矿电池对于原材料的需求要少得多。一块72片电池的晶硅组件对硅的消耗量约为1公斤，而同等面积的钙钛矿电池组件只需要钙钛矿材料2克左右。

稀缺问题之外，材料的可突破性对于技术的发展前景可能更为重要。只有依托于那些具有可设计性和可迭代性材料的技术，未来才有更大的发展空间。

钙钛矿的晶体结构，是不会被卡在某个数值（目前最高光电转换效率记录是29%），复杂的原理我就不赘述了，有一点要强调的是，钙钛矿并不是一种矿物，而是一种结构的统称，具备这种结构的人工合成材料，统称为钙钛矿。同时钙钛矿对杂质并不敏感，纯度只需要做到90%就足够了，甚至为了增加材料之间的强度，还可以在涂布时主动添加粘合剂、增强剂一类的“杂质”，综合各种优势，决定了钙钛矿作为太阳能电池具备的独特优异性能。

目前市面上的钙钛矿材料以粉末居多，能稳定合成钙钛矿单晶的研发生产机构屈指可数。其中，中山复元新材料有限公司旗下的珀优思品牌，专注研发与生产钙钛矿材料，具备几十种钙钛矿前驱体材料的合成与销售。

尤以甲脒（FA）钙钛矿单晶为拳头产品，实现稳定合成，平稳供货，与国内多所知名院校与企业建立深度合作关系；围绕合成钙钛矿所需的前驱体材料，形成完善的供应体系；在材料配方、制备工艺、产品结构设计方面构建钙钛矿技术领域的核心优势。

在“双碳”背景下，节能减排已成为各行业发展不可逆转的趋势，大力发展清洁能源已成为 社会 的一致共识。珀优思—钙钛矿材料首选提供商，期待共同开创与见证钙钛矿能源时代的来临。

钙钛矿太阳能电池技术中国已走在世界前列了吗？

9月30日消息，2017年诺贝尔化学奖大热技术—钙钛矿太阳能电池，武汉理工大学程一兵团队已取得实质性突破，与理想的大规模应用越来越近。

程一兵今天上午在他的实验室接受科技日报记者独家采访时说：该团队开发的5cm x 5cm 塑料基板柔性钙钛矿太阳能电池组件，8月8日通过国家光伏质量监督检验中心第三方认证，获得了组件转换效率11.4%的结果，远超日本东芝公司于今年9月25日宣布的5cm x 5cm柔性钙钛矿太阳能电池组件10.5%的转换效率世界纪录。10cm x 10cm 玻璃基板钙钛矿太阳能电池组件制备技术也获得重大突破，在国家光伏质量监督检验中心验证的组件效率为13.98%，居国际同类产品第三方论证效率首位。

图为：5cm x 5cm塑料基板的柔性电池

钙钛矿太阳能电池是《科学》杂志评选的2013 年度国际上十大科技突破之一，是一种有望进一步降低光伏发电价格的新型光伏体系。武汉理工大学程一兵团队多年来致力于该光伏产品组件的生产技术开发工作。

前不久，科睿唯安发布了2017年的各奖项“引文桂冠奖”。自2002年以来，45位获得“引文桂冠奖”的科学家荣膺诺贝尔奖，因此该奖被认为是“诺奖风向标”。

今年，科睿唯安化学领域获得“引文桂冠奖”的有三项。其中第三项授予日本的宫坂力（Tsutomu Miyasaka）、韩国的朴南圭（Nam-Gyu Park）以及英国的亨利·J·斯内斯（Henry J.Snaith），他们因为发现并应用钙钛矿材料实现有效能量转换而获奖。

北京时间10月4日2017年诺贝尔化学奖就将揭晓，程一兵在获知“钙钛矿太阳能电池技术”成为2017年诺贝尔化学奖“热门”之后，非常兴奋。程一兵团队在上述两项钙钛矿光伏组件的制备技术上的突破，预示着我国科研人员在钙钛矿光伏组件的制备技术上走在了世界的前列。

不管是否获奖，实质上确实有着先进的技术，那比获奖差不到哪里。

钙钛矿类太阳能电池的应用前景如何？

钙钛矿材料在太阳能电池领域前景广阔，行业即将进入快速发展期。

钙钛矿材料，是一种晶体结构材料，结构式为ABX3，A是有机阳离子，B是金属阳离子，X是阴离子。

钙钛矿材料晶体结构独特，具有优异的吸光性、电磁性、电催化性、氧化还原性等特性，其系列产品中既有导体、半导体，也有绝缘体，是一种新型功能材料，下游可应用范围极为广泛。其中，半导体钙钛矿材料可应用于太阳能电池制造领域。

钙钛矿太阳电池结构

晶体结构

钙钛矿晶体为ABX3 结构，一般为立方体或八面体结构。在钙钛矿晶体中，B离子位于立方晶胞的中心，被6个X离子包围成配位立方八面体，配位数为6；A离子位于立方晶胞的角顶，被12个X离子包围成配位八面体，配位数为12，如图 所示，其中，A离子和X离子半径相近，共同构成立方密堆积。

钙钛矿太阳电池中，A离子通常指的是有机阳离子，最常用的为CH3NH3+

(RA = 0.18 nm)，其他诸如NH2CH=NH2+(RA = 0.23 nm)，

CH3CH2NH3+(RA = 0.19-0.22 nm) 也有一定的应用。B离子指的是金属阳离子，主要有Pb2+(RB = 0.119 nm)和Sn2+(RB = 0.110 nm)。X离子为卤族阴离子, 即 I− (RX = 0.220 nm)、Cl−(RX = 0.181 nm)和Br−(RX = 0.196 nm)。

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