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新型太陽能能源——鈣鈦礦太陽能電池

發布時間:2021-11-26 來源:元祿光電

清潔能源背景

黨的十六大召開以后,我國的未來發展目標是實現我國人民的小康生活水平,并且實現我國社會的可持續發展戰略。要想實現可持續發展這一目標,主要是對環境的保護問題。我國的發展一直都是以犧牲自然環境和人們的生活環境為代價的??沙掷m發展主要是對現在常規能源的減少使用減輕他們對環境的影響,積極開發新能源。開發新能源成為了我們要保護環境的必須之路,所以我們必須提高我們利用新能源的科技水平。使用新能源的道路可能并不像我們想像的那么容易,但為了我們的子孫后代可以生活在良好的環境下,這是我們必須要做的事。

 

清潔能源的準確定義應是:對能源清潔、高效、系統化應用的技術體系。對清潔能源的定義蘊含著三層的意思。一,清潔能源不僅僅是對能源的一個簡簡單單的分類,而是指對能源的利用方面,它是一個技術體系。二,清潔能源不僅僅只強調它的清潔性,對環境的污染小,更重要的是它的經濟性。三,清潔能源的清潔性必須是符合國家規定的排放標準

 

目前我國主要的集中清潔能源包括:潔凈煤技術、核電、太陽能、風能、水能、地熱能、潮汐能、生物質能。

 

其中光伏太陽能作為一種不可或缺的可再生能源技術,被廣泛應用,2019年我國經濟總量逼近100萬億元大關,光伏產業貢獻巨大,占新能源總貢獻約17%。截止20216月底,我國累計光伏并網容量為267.086GW,其中,集中式光伏電站180.032GW,分布式光伏電站87.054GW。目前主流的光伏太陽能電池為晶硅電池、碲化鎘電池、砷化鎵電池等,根據科研人員統計,目前主流的電池,從生產到商業化產生清潔能源,需要三年回收整個電池生產過程中消耗的能源成本,為進一步環節清潔能源問題,新型的鈣鈦礦電池應用而生,據統計鈣鈦礦電池從原材料生產到商業化產生清潔能源所消耗的能源成本回收僅需六個月;根據科研人員的統計,從能源成本考慮,鈣鈦礦電池15%的轉換效率即可比擬晶硅電池20%的轉換效率。低成本、高轉換率的新型鈣鈦礦電池技術發展勢在必行。另一方面,鈣鈦礦電池是具備中國完全獨立自主的知識產權的背景,為鈣鈦礦電池的推行具備了政策性優勢。

 

什么是鈣鈦礦電池

鈣鈦礦是以俄羅斯地質學家列夫 · 佩羅夫斯基 ( Lev Perovski )的名字命名的,其結構通常有簡單鈣鈦礦結構、雙鈣鈦礦結構和層狀鈣鈦礦結構。簡單鈣鈦礦化合物的化學通式是,其中X通常為半徑較小的或,雙鈣鈦礦結構( Double-Perovskite) 具有 組成通式,層狀鈣鈦礦結構組成較復雜, 研究較多的是具有通式以及具有超導性質的和三方層狀鈣鈦等。研究最多的是組成為的鈣鈦礦結構類型化合物。

 

鈣鈦礦是指一類陶瓷氧化物,其分子通式為ABO3 ;此類氧化物最早被發現,是存在于鈣鈦礦石中的鈦酸鈣(CaTiO3)化合物,因此而得名  。由于此類化合物結構上有許多特性,在凝聚態物理方面應用及研究甚廣,所以物理學家與化學家常以其分子公式中各化合物的比例(1:1:3)來簡稱之,因此又名“113結構。呈立方體晶形。在立方體晶體常具平行晶棱的條紋,系高溫變體轉變為低溫變體時產生聚片雙晶的結果。

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鈣鈦礦電池結構

目前主流的鈣鈦礦電池結構主要包括介孔鈣鈦礦電池以及平面式鈣鈦礦電池,未來的方向是疊層鈣鈦礦電池(鈣鈦礦-鈣鈦礦疊層/鈣鈦礦-硅基疊層技術)。

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鈣鈦礦電池優缺點

優點:

鈣鈦礦電池具備廉價的材料成本、低能耗、工藝制程簡易,超高轉換率的優勢。

該研究的領導者、賓夕法尼亞大學能源創新研究中心聯合主任安德魯˙阿姆表示,以新式鈣鈦礦為原料制造的太陽能電池能將大約一半的太陽光直接轉化為電力,為目前硅晶電池的2倍,因此,只需一半太陽能電池就可提供同樣的電力,這將大大減少安裝成本,從而讓總成本顯著降低。目前,德國海姆霍茲柏林材料所(HZB)開發出29.1%效率的鈣鈦礦-硅層疊鈣鈦礦電池。鈣鈦礦電池領域光電轉化率前景巨大,可創造的商業空間、能源空間前景廣闊。

缺點:穩定性較差,主要體現在三個方面,一是水的穩定性、二是溫度穩定性、三是離子移動相關穩定性,從而影響電池的壽命;另一方面的缺點在于材料含鉛,具有一定的毒性,不過相比較于含砷、鎵、碲、鎘材料的毒性就小很多。

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鈣鈦礦電池與傳統太陽能電池對比

鈣鈦礦電池目前制約條件

鈣鈦礦電池的優點是高轉換率,缺點是穩定性差,如何來通過材料等各方面技術提升來提高穩定性問題需要科學人員進一步探索,那么另外一點,也可以通過封裝技術來提高電池的使用壽命。

我們都知道晶硅太陽能電池的穩定性上也是受到不少的詬病,目前市場上通過五層玻璃進行加固封裝來提升電池的壽命,那么同樣可以在封裝方向上通過技術手段進行封裝來延緩電池的壽命問題。

第二點是鈣鈦礦電池的制程問題,目前制約條件是如何確保印刷或真空鍍膜或旋涂過程中保證大尺寸的鈣鈦礦電池制作,并能有效保證材料的一致性問題以及如何封裝問題需要進一步尋找可靠的解決方案。

激光在鈣鈦礦電池領域的應用

主要體現在三個方面,一是刻蝕劃線、二是鈣鈦礦電池燒結、三是鈣鈦礦電池封裝。

刻蝕劃線:主要是應對導電層、鈣鈦礦層、電極層刻蝕、劃線以及清邊處理;

燒結:利用激光技術對鈣鈦礦電池表面進行燒結,從而提高電池的壽命及穩定性問題;

封裝:通過激光焊接技術對玻璃進行焊接,提高電池的壽命問題。

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鈣鈦礦電池應用前景

鈣鈦礦電池具備的低成本、高光電轉換率為商業應用開辟了新的應用空間,未來光伏太陽能領域的領導者,與傳統晶硅電池相比,6個月內回收能源成本,為未來的商業化應用創造了巨大的利潤空間,超高轉換率為更多信息應用開辟了新思路,輕便化產品讓鈣鈦礦電池貼近民生生活領域,商機無限。

鈣鈦礦電池應用主要體現在幾個方面:

1.傳統光伏電站領域,與傳統硅晶電池相比,轉換率高,成本低,相同面積下的電池創造更高的經濟價值;

2.可攜帶產品領域,鈣鈦礦電池光電轉換效率高,可在柔性PET/PNT等基材上制成電池模組,為可穿戴產品、移動端、背包等可移動式充電提供了堅實的基礎,貼近民生生活領域創造了廣泛的商業機會;

3.汽車領域,新型汽車調光玻璃已投放市場,新能源汽車也早已走向千萬家,新型的鈣鈦礦電池薄膜電池汽車也將會成為下一個風口;

4.外太空領域,人類探索宇宙的步伐正在亦步亦趨的穩步前行,新型鈣鈦礦電池已在外太空測試過太陽輻射造成的影響并已通過驗證,高轉換率低成本將會成為探索太空領域的寵兒;

5.建筑領域,科技狂人馬斯克的solarcity已開辟先驅,為建筑行業開辟了新的光伏應用戰場,高轉換率低成本的鈣鈦礦電池必將擁有一席之地;

5.其他更包括了室內傳感器、醫療、飛機制造等更多領域開創商機,未來的鈣鈦礦電池商機無限。

鈣鈦礦電池現狀

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目前各大研究所及企業均已紛紛進入,已開始小批量試制進入市場,如英國Oxford Photovoltaics、瑞士Solaronix、澳大利亞Dyesol、以色列3G solar、德國巴斯夫BASF、日本索尼等等,國內包括華為、寧德時代、比亞迪、長城汽車、協鑫光電等等。整體的行業有國內企業公布的光電轉換率高達25%,目前整體上均處在賽道上,誰家取得先機,誰將成為市場的引導者,未來可期!

 

來源:武漢元祿光電技術有限公司  www.swrpw.com


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