光伏电池是一种经过光电效应将太阳能转化成电能的设备，具有广阔的开展和使用前景。钙钛矿太阳能电池(以下简称钙钛矿电池)作为一种新式的光伏电池，也在近年逐步崭露头角。近来，科技部等九部分联合印发《科技支撑碳达峰碳中和实施方案(2022—2030年)》，也对钙钛矿电池这一新式电池有所提及。

 

那么，什么是钙钛矿电池?其比较传统太阳能电池有哪些不同之处?未来将有哪些使用场景?科技日报记者就此采访了多位深耕于钙钛矿电池范畴的专家。

 

结构形似“三明治”的新式光伏电池

 

钙钛矿电池由染料敏化电池演化而来，指采用钙钛矿资料作为吸光层资料的电池。

 

作为新一代太阳能电池，钙钛矿电池作业原理与传统太阳能电池并无不同。它的结构形似“三明治”，典型结构有5层。两个电极就像三明治的两片面包别离位于最外层，由外向内挨着电极的是空穴传输层和电子传输层，而钙钛矿层则居于最中间。

 

当太阳光照在钙钛矿电池上，太阳光光子能量大于带隙时，钙钛矿层吸收光子发生“电子—空穴对”。电子传输层将分离出来的电子传输到负极上;空穴传输层则将与电子分离的空穴传输到正极上，进一步在外电路构成电荷定向移动，然后发生电流，实现光能向电能的转化。

 

北京理工大学资料学院教授陈棋这样形容钙钛矿电池的作业原理：“如果说太阳能电池自身是一间教室的话，男同学和女同学则是电子和空穴。当光照到太阳能电池，就好像下课铃响起了一样。这时，男同学就会排队从后门出来，女同学就排队从前门出来，然后构成电荷定向运动。”

 

钙钛矿电池有三大杰出优势

 

钙钛矿电池因资料特殊，自“出世”就“天赋异禀”，得到了广泛的关注。

 

2016年《“十三五”国家战略性新兴工业开展规划》中就提及，要“加强钙钛矿、染料敏化、有机等新式高效低成本太阳能电池技能研制”。

 

重庆大学物理学院教授、博士生导师邓业浩表明，比较商场上常见的晶硅太阳能电池，钙钛矿电池有三大杰出优势。

 

首要，钙钛矿资料自身的吸光才能强。在太阳光的首要波长下，钙钛矿资料的吸光才能可达晶硅的10倍以上。因此，在太阳能转化功率适当的情况下，钙钛矿电池能够做得更薄。“这将极大地拓宽产品形式，丰厚使用场景。”邓业浩说。

 

其次，钙钛矿电池具有低成本和易制备的长处。邓业浩说：“钙钛矿资料是一种组成资料，其原料自身没有稀有金属，并且能够经过溶液制备。因此钙钛矿资料的制作成本较低，制备简单。”

 

最终，钙钛矿资料还具有弱光功率高的优势。在阴天弱光的条件下，钙钛矿资料不只能够吸收短波光，还能够将能量转化功率保持在相对安稳的状况。钙钛矿资料的这一特点使得钙钛矿电池作为一种薄膜型光伏电池，不只能够做成单层电池，理论上还能够叠加在各种电池资料外表，构成叠层电池，然后有用进步太阳光的使用功率。

 

邓业浩表明，从现在试验室测得的成果来看，经过几十年开展的晶硅太阳能电池的最高转化功率为26.7%，而现在钙钛矿电池的转化功率就现已能够达到25.7%，钙钛矿电池未来可期。

 

走出试验室还需补齐两个短板

 

虽然在理论上、试验室中钙钛矿电池有适当大的优势，可是从工业化视点来看，钙钛矿电池仍处于萌发状况。这是由于其自身存在两个短板，即安稳性较差和大面积使用时的功率损失。

 

首要，是安稳性较差这一问题。

 

陈棋表明，虽然在试验室中，钙钛矿电池能够实现较高的光电转化功率。但其在实践使用中，仍遭到许多条件的限制。

 

北京曜能科技有限公司董事长孙于超表明，业内正在从多方面努力，以处理钙钛矿电池面对的问题。以安稳性问题为例，处理该问题最直接的一种手法，就是针对钙钛矿资料自身的改性。即经过结构设计、元素替换、添加掺杂等手法，让资料自身变得安稳，进步资料的本征安稳性。另一种可行的手法，是经过工艺和工程手法阻隔外界的不安稳要素，即阻隔水、热等环境要素，然后削减乃至防止外界不安稳要素关于资料和器材的影响。

 

对此，中国科学院电工研讨所太阳电池技能研讨部主任王文静表明，从外围手法阻隔不安稳要素，尚需经过大量的室外验证。据了解，现在已报道的钙钛矿电池其最长作业寿数往往只能达到几千小时，远低于晶硅电池。

 

除了安稳性问题外，大面积使用时的功率损失问题是钙钛矿电池的另一短板。

 

“在功率上，其实钙钛矿电池完全能够进行商业化使用。可是怎么从试验室的小面积，扩展到实践使用场景中的大面积，是其商业化需要面对的一个严峻挑战。”王文静坦言，现在试验室里制作的钙钛矿电池只要指甲盖巨细，与商场需要的太阳能电池在尺寸上相距甚远。

 

钙钛矿资料自身的结晶时间短，生产中的工艺窗口时间只要几秒，造成了生产上的困难。除此以外，在制备钙钛矿电池的过程中，一个坏点、一个尘埃都有或许影响整个电池面板的功率，影响了其大面积使用时的功率。

 

“现在来看，钙钛矿电池制备技能需要处理怎么让钙钛矿的薄膜愈加致密平整，以及怎么确保环境清洁，防止尘埃等要素搅扰进步良品率两个问题。设计更为先进的制备技能，能有用确保钙钛矿电池在大面积使用时的功率。”王文静说。

 

我国钙钛矿光伏技能未来可期

 

虽然钙钛矿电池有许多不确定性，但学界不少专家仍对其未来持乐观态度。

 

陈棋表明，现在我国在钙钛矿电池的学术研讨和工业研讨上，具有两个最大的优势：一是研讨集体大，国内研讨钙钛矿电池的企业、机构远比国外多;二是国内有非常巨大的工业根底，光伏商场和光伏制作业在中国呈现蓬勃之势。

 

“我国钙钛矿光伏技能的未来，可谓前途无量。”陈棋说。

 

在钙钛矿电池的未来使用方面，孙于超表明，钙钛矿技能最有价值的使用场景是在大规模光伏发电范畴。钙钛矿在与晶硅结合组成叠层电池后，能够大幅进步现有光伏组件的发电功率，然后进一步下降发电成本，加速关于传统化石动力的替代，助力我国“双碳”目标实现。此外，钙钛矿电池的厚度仅为晶硅电池的千分之一，柔性轻便的特质使其具有丰厚的使用场景，例如用于穿戴式发电设备、光伏玻璃建筑一体化、野外暂时发电设备等，乃至能够运用于太空发电。

 

奋战在钙钛矿电池范畴多年，孙于超和科研团队见证了钙钛矿电池从不为人知，到渐渐走入群众视界。在得知《科技支撑碳达峰碳中和实施方案(2022—2030年)》中提及“要研制高效安稳的钙钛矿电池”后，孙于超兴奋地表明：“钙钛矿电池的好时候到了!”