钙钛矿:冉冉升起的光伏材料新星

2024-06-21 19:30:57 太阳能发电网

近日,国际学术期刊《自然》刊登了我国科研团队在钙钛矿发光二极管(LED)领域取得的重大突破。研究人员通过加快辐射复合速率,钙钛矿LED外量子效率突破30%大关,接近实现产业化水平。这一重大突破,进一步彰显了基于钙钛矿LED显示技术的巨大潜力,预示着该技术在高效绿色照明领域的广泛应用前景。

今年2月,我国科研团队研制的大面积全钙钛矿光伏组件取得新突破,经国际权威第三方机构测试,其稳态光电转化效率达24.5%,刷新大面积全钙钛矿光伏组件光电转化效率世界纪录。

近年来,钙钛矿屡屡在新闻中出现。作为一种新型材料,钙钛矿何以成为光伏产业冉冉升起的新星?它又会怎样改变我们的生活?请看本期解读。

下一代光伏技术的有力竞争者

钙钛矿的英文名为Perovskite。与一般的化合物不同,钙钛矿的英文名并没有体现它本身的成分或结构,而是来自一个人。

1839年,在作为欧洲和亚洲分界线的乌拉尔山脉中,德国矿物学家古斯塔夫斯·罗斯发现了一种天然矿物。为向俄罗斯地质学家列夫·佩洛夫斯基(Lev Perovski)致敬,罗斯给这种矿物命名为Perovskite。

不知是历史的巧合,还是时代的必然,钙钛矿被发现的同一年,19岁的法国青年亚历山大·贝克雷尔在实验中首次观察到了光伏效应,揭开了将光能转化为电能的序幕。这两个看似毫不相关的发现,却在未来共同推动了光伏产业革命性的发展。

其实,古斯塔夫斯·罗斯最初发现钙钛矿时,并没有十分重视。这种情况在科学研究中并不少见,尤其是当一种新发现的矿物还没有立即显现出显著的应用价值时。尽管罗斯并未立即意识到其潜力,他还是将样品和研究成果分享给了同行。

事实上,直到钙钛矿被发现170年后,它才终于引起科学家们的重视。2009年,日本科学家宫坂力及其同事首次选用有机-无机杂化的钙钛矿材料,制备出全球第一个具有光电转换效率的钙钛矿太阳能电池器件。尽管初始效率仅有3.8%,但这一创举无疑为钙钛矿材料的应用推开了一道尘封之门。

今天,钙钛矿已经有了180多年的历史。而它也从单指由无机物钛酸钙(CaTiO3)组成的矿物,发展为泛指符合ABX3化学结构的任何材料。其中,A代表有机阳离子,B为铅离子或亚锡离子,X为卤素阴离子。这种结构赋予了钙钛矿材料高度的灵活性和独特的光电特性。同时,凭借着低廉的成本和简单的制取工艺,钙钛矿在科学界和工业界的重要地位逐渐确立,迅速引起了研究人员和企业的广泛关注。

在光电探测、激光、LED等多个高科技领域,钙钛矿迅速展现出巨大的应用潜力。特别是在光伏产业中,钙钛矿太阳能电池凭借其高转换效率和低生产成本,正在向传统硅基太阳能电池发起挑战,成为下一代光伏技术的有力竞争者。

新能源变革中的黑马


在全球能源危机和环境保护需求的双重压力下,寻找高效、低成本、高环保的新能源技术成为了科学界的重要课题。传统硅基太阳能电池虽然在光伏领域占据主导地位,但其高昂的制造成本和能耗较高的生产过程限制了其进一步普及。而在此背景下,钙钛矿太阳能电池凭借其独特的材料优势,迅速成为光伏领域的新秀,受到广泛关注。

然而,科研的道路总是充满坎坷。稳定性差、效率提升缓慢……在钙钛矿材料的研究初期,科研工作者面临着重重困难。2011年,韩国成均馆大学朴南圭课题组通过技术改进,才将转化效率提高到6.5%,但材料的稳定性问题仍未得到有效解决。直到2012年,朴南圭团队首次报告了效率接近10%的全固态有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池,这被认为是钙钛矿太阳能电池发展历程的一个里程碑。

2013年,《科学》杂志评选年度“世界十大科技突破”,钙钛矿太阳能电池名列其中,被称为“最有前景的下一代光伏技术”。这也使得钙钛矿几乎一夜之间成了行业关注的焦点。

在新能源产业变革的十字路口,钙钛矿以黑马之姿异军突起。短短10多年时间,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从3.8%飙升至26%。而晶硅太阳能电池效率从最初的3%提升至26%,则花了将近80年时间。钙钛矿太阳能电池效率提升前所未有,这一跃进速度令业界震惊。
钙钛矿太阳能电池的优势不仅在于其高转换效率,还在于其低成本的制造工艺。根据国际能源署(IEA)的数据,传统硅基太阳能电池需要在高温(约1500℃)和高纯度的环境下生长出单晶硅,这不仅消耗大量能源,还导致成本居高不下。相比之下,钙钛矿太阳能电池则可以通过溶液法在常温下制备,生产过程中温度通常低于150℃,极大地降低了生产成本。研究表明,钙钛矿太阳能电池的制造成本可比传统硅基电池低50%以上。此外,钙钛矿材料的可调性,使得它可以根据需要调整光电性能,这为太阳能电池的定制化生产提供了可能。

钙钛矿太阳能电池的研究,还推开了更多的“门”和“窗”,使得人们可以探索更广泛的应用领域。例如,柔性钙钛矿太阳能电池、透明钙钛矿太阳能电池以及光伏建筑一体化系统(BIPV)等新型应用,均展现出广阔的市场前景。

如今,钙钛矿产业化进程不断加快,各大厂商争相投资建设100MW级产线。今年,钙钛矿产业又将迎来许多个GW级产线落地。100MW产线,是光伏电池技术从0到1的重要一步,也是钙钛矿电池实现技术成熟度和商业化突破的关键。在跨越量产这道主要壁垒后,钙钛矿光伏技术正在打开实证应用的大门。

未来的璀璨之星

如今,属于钙钛矿的“高光时刻”正在来临。

光伏领域,钙钛矿太阳能电池正在逐步成为传统硅基太阳能电池的有力竞争者。钙钛矿太阳能电池可以应用于构建集成光伏、便携式产品、可穿戴电子产品和近空间应用等,也可以集成到物联网系统中包括无线传感器、智能家居设备等各种设备和应用。2022年7月,杭州一家科技公司在中国浙江省安装并运行了100kW的钙钛矿光伏系统。该系统是第一个报道100千瓦规模的并网钙钛矿光伏系统。

显示领域,钙钛矿材料以其高发光效率和可调节的颜色输出,迅速应用于LED和显示器。钙钛矿LED已成为下一代显示技术的热门候选者。近年来,红光、绿光钙钛矿LED器件外量子效率屡创新高,而蓝光钙钛矿LED器件发展则较为缓慢。今年初,中国科学技术大学研究团队通过创新策略提高了蓝光钙钛矿LED的性能,显著提升了其稳定性和发光效率。这一进展为未来蓝光钙钛矿LED的广泛应用奠定了基础,也标志着钙钛矿LED技术领域取得了显著的进步。虽然目前钙钛矿LED距离商业化还有一段距离,但它的前景已可以预见。高效能的钙钛矿LED不仅能让屏幕更亮、颜色更真实,其续航也能更强。此外,高亮度、低能耗的光源对于精密手术、生物检测等具有重要意义。甚至在航空航天时,钙钛矿LED都有可能发挥重要作用。

钙钛矿材料因其独特的电磁性质和氧化还原活性,还可以被用于催化剂。钙钛矿复合氧化物作为极具发展潜力的新型催化剂,被广泛应用于汽车尾气净化、化工生产、有机物合成等多个领域。钙钛矿复合氧化物催化剂还能高效催化二氧化碳还原和甲烷活化,将它们转化为高附加值的化学品和燃料。因此,这一技术被认为是解决全球气候变暖问题的理想方案。

未来,随着科研的深入和技术的创新,钙钛矿材料有望突破现有的瓶颈,借助其可调性和低成本制造工艺,实现大规模商业化生产,为全球能源转型和环境保护贡献重要力量。



上图:一家科技公司智能生产车间,钙钛矿光伏组件正在自动化生产线上进行激光划刻工艺。新华社发


作者:陈志豪  逯心一  王 恋 来源:解放军报 责任编辑:jianping

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