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完美体育(中国)有限公司官网新型光伏材料发布日期:2023-01-25 浏览次数:

  完美体育目前最广为人知的光伏材料是硅(Si),也是目前商业化应用最成功的光伏材料。以硅材料为光吸收材料,从而实现光子向电子转化的光伏器件硅太阳能电池也是目前唯一成功大规模商业化应用的光伏器件。本文中的新型光伏材料即相对硅材料而言,主要介绍目前在实验室阶段或中试生产线阶段的光吸收材料。

  在实验室阶段或已发展到中试阶段的光伏材料根据组成可分为:以有机材料作为光吸收材料的各种有机电池、有机叠层太阳能电池;以CIGS、CZTS(Se) 等作为光吸收材料光伏器件;染料敏化电池以及钙钛矿电池、量子点电池等。

  有机太阳能电池通常由正、负电极以及具有光活性的薄层所组成,光活性薄层一般是由给体和受体组成的体异质结结构。电池器件在吸收太阳光会产生激子(束缚的电子-空穴对),激子拆分后产生大量自由载流子,载流子被电极收集产生光电流。有机太阳能电池根据使用的给体材料可分为小分子有机太阳能电池和聚合物太阳能电池。具有给体、受体异质结结构的有机小分子太阳能电池是于2006年首次出现。低聚噻吩是目前广泛使用的小分子给体材料,基于低聚噻吩的小分子作为供体的有机太阳电池在实验室的效率超过了6%,基于苯并二噻吩衍生物和硅桥连的环戊并二噻吩衍生物作为核心的有机太阳能电池效率超过了8%。此外。酞菁类材料、卟啉类染料也是应用于小分子有机太阳能电池的给体材料。

  聚苯撑乙稀(poly(pphenylenevinylene),PPV)在1990年被发现有电致发光现象,在此基础上开发了基于PPV的聚合物太阳能电池,效率可达3%。基于可溶性聚噻吩(polythiophene,PT) 的电池效率可达6%,此外聚己基噻吩,聚并噻吩衍生物以及系列新型多稠环类太阳能电池也是目前广泛使用的聚合物太阳能电池给体材料。

  有机太阳能电池制造成本低廉、材料重量轻、加工性能好,可以利用先进的卷对卷以及喷涂打印技术进行大规模生产,并可实现柔性化器件,目前限制其应用的关键因素在于电池效率的提升。

  CIGS电池是指铜铟镓硒(CuInGaSe2)作为光吸收材料的太阳能电池,是由铜铟硒(CuInSe2)电池发展而来,截止2017年3月,CIGS电池目前最高的转换效率已达到22.6%。CIGS四元多晶固溶体材料是一种直接带隙半导体,其可见光吸收系数较高,其光学带隙可通过调节晶体结构中Ga或In元素的含量,实现光学带隙的调控;CIGS具有与金刚石类似的晶体结构,使其具有很好的化学、电学稳定性。这些特性使得CIGS太阳能电池的稳定性好、使用寿命长、抗辐射性能强、弱光特性好、工作范围广,大幅减低了电池的能量偿还时间。由于CIGS是一种固溶体材料,其组成元素的化学计量比对材料的晶体结构和性能有着强烈影响,因此组装高效的电池器件的关键在于制备组成精确、薄膜质量好的CIGS薄膜。制备CIGS薄膜的方法主要共蒸发法、电沉积法、合金预制膜-硒化法或四元靶材溅射后退火法等。

  目前CIGS薄膜已实现小范围的推广应用,如在西班牙建立的3.2MW的CIGS发电站,该电站为全球最大的CIGS发电系统;国内最大的CIGS薄膜电池电站总规模为3 MW,位于山东高密市。目前限制CIGS电池应用于推广的关键因素在于In元素储量稀少,导致其大规模生产成本上升。

  CZTS(Se)电池是指以铜锌锡硫(硒)(Cu2SnZnS(Se)4)作为光吸收材料的电池,这种电池是基于CIGS电池发展而来,以Zn、Sn代替In的CZTS(Se)化合物作为的太阳能电池光吸收材料。CZTS(Se)组成元素储量丰富、无毒、价格低廉、光吸收系数高,光学带隙可在一定范围内变动,与太阳光谱符合良好。CZTS的这些特性有利于开发经济可行、环保、不受原材料限制的薄膜器件。锌黄锡矿结构的CZTS(Se)电池近年来发展迅速,光电转换效率已达到12.6%。

  与CIGS电池类似,CZTS电池中CZTS材料组成元素的化学计量比对材料晶体结构和光学、电学性能有着重要影响。组装高效的电池器件的关键在于制备组成精确、高质量的CZTS薄膜。目前制备CZTS薄膜的方法可分为真空方法和非真空的方法。沉积CZTS(Se)薄膜的难点在于保证单一晶相的锌黄锡矿存在,并保证其化学计量比在贫铜富锌小范围内浮动。其化学组成的不稳定性以及多相组成阻碍了高纯度薄膜的沉积,这一缺陷在高温和真空条件下更为突出。对于CZTS(Se)电池而言,溶液制备方法可控制其晶相形成,相比真空制备方法电池器件具有更高的光电转换效率, CZTS电池的最高效率是基于肼溶液方法获得的,但这一制备方法采用高毒性、易爆的肼作为溶剂。开发高效、成本低廉、安全的高质量CZTS薄膜合成方法是促进CZTS(Se)电池发展与应用的关键。

  应用于太阳能电池光吸收材料的染料主为钌系染料(Ru polypyridyl dyes)、有机化合物染料等。

  目前染料敏化太阳能电池的最高效率为12.3%,是以钌系染料N719作为光吸收材料的电池器件上获得的。钌系染料具有良好的光吸收性能,具有某些特定结构的钌系燃料光吸收区域可扩展至近红外区,此外钌系染料分子结构可控,材料性能稳定,通过对分子结构中有机基团的调控合成多种具有不同光学带隙和电学性能的染料,是一种良好的光吸收材料。

  有机染料是另外一种重要染料,其光激发效率高、成本低廉、环境友好且分子结构灵活可变。通过改变分子结构可实现其光学吸收边向长波长方向移动,进而提升电池效率。但以有机染料的组装的太阳能电池光生电子注入效率较差,电池的pn结无法有效收集光生电子,限制了电池效率提升。如卟啉类是在近红外区域有良好吸收的一类染料,分子结构稳定,与TiO­2­的能级匹配良好且光学带隙可调。但应用于染料敏化电池中有以下缺点:在染料界面处的电子复合严重;光生电子难以有效注入到TiO2光阳极中,在可见光区域内光吸收系数较低,影响电池效率。酞菁类染较难合成,相关研究较少。早期以酞菁类染料组装的电池器件效率仅为1%,2007年合成了非对称酞菁类染料PCH001,其电池效率可达3.05%。

  此外,染料敏化太阳能电池中还可将多种染料复合,通过染料复合可提高光吸收层在宽波段内的光吸收效率并同时降低光生电子在染料/光阳极界面处的复合。目前染料敏化太阳能电池已发展至中试阶段,如中国科学院上海硅酸盐研究所的染料敏化太阳能电池研究已达到中试规模,标准化125×125mm²单电池认证效率达到9.7%,组件认证效率达到9.2%。近年来燃料敏化太阳能电池效率提升速度缓慢,电池使用寿命仍需提高。

  量子点是指三维方向尺寸均小于相应物质块体材料激子德布罗意波长的准零维纳米结构,可视为少量原子构成的团簇。量子点材料具备一系列独特的光电性质,如带隙宽度可实现通过粒径调节、较为简单的溶液处理过程、较高的吸光系数和最引人注目多激子激发和热电子的抽取现象等,使其应用在应用于太阳能电池方面有着良好的发展潜力。量子点敏化的太阳能电池的设计灵感来源于染料敏化太阳能电池,以量子点材料替代染料作为电池的光敏化剂,实现光电转换。广泛应用于量子点敏化太阳能电池的量子点材料主要一系列窄带隙半导体,如CdS、CdSe、CdTe、PbS等。量子点电池通常采用化学水浴沉积、连续离子层沉积、连接剂辅助合成法和物理吸附等方法制备。量子点太阳能电池的最高转换效率已达到11.3%。

  量子点电池制备工艺简便、成本低廉、光吸收材料性能稳定、光谱响应范围可调,具有良好的发展潜力。但电池结构中电子注入效率较低、复合严重、单一量子点响应光谱范围窄等因素限制了电池效率的提升。采用多种量子点复合、量子点与燃料共敏化、开发新型宽光谱响应的量子点、改进电池结构等方式将有助于促进量子点电池效率的提升和发展。

  钙钛矿电池是目前发展最为迅速,最具商业化应用前景的太阳能电池。钙钛矿电池目前已达到22.1%的光电转换效率。钙钛矿电池最早采用具有钙钛矿结构的甲胺铅卤系作为电池的光吸收材料,因而得名钙钛矿电池。这种电池是基于将染料敏化太阳能电池中的染料替代为甲胺铅氯和甲胺铅碘,分别得到3.1%和3.8%的光电转换效率。在此基础上电池结构中添加了空穴传输层,空穴传输层、光吸收层、光阳极共同构成了钙钛矿电池的p-i-n结结构,这种全固态结构的电池效率可达到12.4%。通过将电池结构转换为平面异质结结构,电池效率提升至15.4%。KRICT研制的钙钛矿电池效率可高至22.1%(截至2017年2月6日)。

  钙钛矿电池光吸收材料甲胺铅卤(CH3NH3PbX3)是一种有机-无机杂化的光吸收材料,属立方晶系,Pb和卤素离子共同组成立方紧密堆积结构(面心结构),有机基团填充于体心八面体间隙。CH3NH3PbX3是一种直接带隙半导体,对光的响应范围可从可见区拓展到近红外区,对其电子和能带的相关研究表明材料带隙主要由PbX3

  堆积结构决定,而有机基团对材料能带影响很小。甲胺铅卤吸光系数高,太阳光中能量大于禁带的光子都可以被很薄的钙钛矿薄膜吸收,目前高效率的钙钛矿太阳能电池钙钛矿层厚度仅为350nm,易与结晶,溶液旋涂后在70°C下加热半小时即可完成结晶,本征缺陷少,其电学性质优异,同时对电子和空穴都具有良好的传输性能,可有效降低电池界面处发生的复合。甲胺铅卤通常采用溶液法分别沉积CH3NH3X和PbX2的方法制备,制备方法简便易于操作且成本低廉,也可采用蒸发法制备。

  钙钛矿电池发展迅速,受到科研和产业界的广泛关注,被认为是最优可能取代硅太阳能电池的新型太阳能电池,但钙钛矿材料对水分敏感,易在空气中水分作用下分解,这限制钙钛矿电池的商业化应用。此外,钙钛矿中Pb离子的存在对电池的环境友好性能造成挑战。

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