鈣鈦礦電池距離商�(yè)化還有多�
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| 日期�2022.09.22 資訊來源:科技日報 瀏覽人次�11035 |
鈣鈦礦電池,�“出生”�“天賦異稟”,得到了廣泛的關(guān)注。其不僅可以做得更加輕薄,還具有低成本和易制備的�(yōu)點以及弱光效率高的優(yōu)勀�
光伏電池是一種通過光電效應(yīng)將太陽能�(zhuǎn)化成電能的裝�,具有廣闊的�(fā)展和�(yīng)用前�。鈣鈦礦太陽能電池(以下簡稱鈣鈦礦電池)作為一種新型的光伏電池,也在近年逐漸嶄露頭角。近�,科技部等九部門�(lián)合印�(fā)《科技支撐碳達峰碳中和實施方案�2022—2030年)�,也對鈣鈦礦電池這一新型電池有所提及�
那么,什么是鈣鈦礦電�?其相比傳統(tǒng)太陽能電池有哪些不同之處?未來將有哪些應(yīng)用場�?科技日報記者就此采訪了多位深耕于鈣鈦礦電池領(lǐng)域的專家�
�(jié)�(gòu)形似“三明�”的新型光伏電�
鈣鈦礦電池由染料敏化電池演化而來,指采用鈣鈦礦材料作為吸光層材料的電��
作為新一代太陽能電池,鈣鈦礦電池工作原理與傳�(tǒng)太陽能電池并無不�。它的結(jié)�(gòu)形似“三明�”,典型結(jié)�(gòu)�5�。兩個電極就像三明治的兩片面包分別位于最外層,由外向�(nèi)挨著電極的是空穴傳輸層和電子傳輸�,而鈣鈦礦層則居于最中間�
當太陽光照在鈣鈦礦電池上,太陽光光子能量大于帶隙�,鈣鈦礦層吸收光子產(chǎn)�“電子—空穴�”。電子傳輸層將分離出來的電子傳輸?shù)截摌O�;空穴傳輸層則將與電子分離的空穴傳輸?shù)秸龢O上,進一步在外電路形成電荷定向移�,從而產(chǎn)生電流,實現(xiàn)光能向電能的�(zhuǎn)��
北京理工大學材料學院教授陳棋這樣形容鈣鈦礦電池的工作原理�“如果說太陽能電池本身是一間教室的�,男同學和女同學則是電子和空穴。當光照到太陽能電池,就好像下課鈴響起了一�。這時,男同學就會排隊從后門出來,女同學就排隊從前門出來,從而形成電荷定向運��”
鈣鈦礦電池有三大突出�(yōu)�
鈣鈦礦電池因材料特殊,自“出生”�“天賦異稟”,得到了廣泛的關(guān)��
2016年�“十三�”國家�(zhàn)略性新興產(chǎn)�(yè)�(fā)展規(guī)劃》中就提�,要“加強鈣鈦礦、染料敏�、有機等新型高效低成本太陽能電池技�(shù)研發(fā)”�
重慶大學物理學院教授、博士生�(dǎo)師鄧�(yè)浩表�,相比市場上常見的晶硅太陽能電池,鈣鈦礦電池有三大突出優(yōu)勀�
首先,鈣鈦礦材料本身的吸光能力強。在太陽光的主要波長�,鈣鈦礦材料的吸光能力可達晶硅的10倍以�。因此,在太陽能�(zhuǎn)換效率相�?shù)那闆r�,鈣鈦礦電池可以做得更薄�“這將極大地拓展產(chǎn)品形式,豐富�(yīng)用場��”鄧業(yè)浩說�
其次,鈣鈦礦電池具有低成本和易制備的�(yōu)�。鄧�(yè)浩說�“鈣鈦礦材料是一種合成材料,其原料本身沒有稀有金�,并且可以通過溶液制備。因而鈣鈦礦材料的制造成本較�,制備容易�”
最�,鈣鈦礦材料還具有弱光效率高的優(yōu)�。在陰天弱光的條件下,鈣鈦礦材料不僅可以吸收短波光,還可以將能量�(zhuǎn)化效率保持在相對�(wěn)定的狀�(tài)。鈣鈦礦材料的這一特點使得鈣鈦礦電池作為一種薄膜型光伏電池,不僅可以做成單層電�,理論上還可以疊加在各種電池材料表面,形成疊層電�,從而有效提高太陽光的利用效��
鄧業(yè)浩表�,從目前實驗室測得的�(jié)果來�,經(jīng)過幾十年�(fā)展的晶硅太陽能電池的最高轉(zhuǎn)化效率為26.7%,而目前鈣鈦礦電池的轉(zhuǎn)化效率就已經(jīng)可以達到25.7%,鈣鈦礦電池未來可期�
走出實驗室還需補齊兩個短�
盡管在理論上、實驗室中鈣鈦礦電池有相當大的優(yōu)�,可是從�(chǎn)�(yè)化角度來看,鈣鈦礦電池仍處于萌芽狀�(tài)。這是由于其本身存在兩個短�,即�(wěn)定性較差和大面積應(yīng)用時的效率損��
首先,是�(wěn)定性較差這一問題�
陳棋表示,盡管在實驗室中,鈣鈦礦電池可以實現(xiàn)較高的光電轉(zhuǎn)換效率。但其在實際�(yīng)用中,仍受到諸多條件的制��
北京曜能科技有限公司董事長孫于超表示,業(yè)�(nèi)正在從多方面努力,以解決鈣鈦礦電池面臨的問題。以�(wěn)定性問題為�,解決該問題最直接的一種手�,就是針對鈣鈦礦材料本身的改性。即通過�(jié)�(gòu)�(shè)�、元素替換、添加摻雜等手段,讓材料本身變得�(wěn)�,提高材料的本征�(wěn)定�。另一種可行的手段,是通過工藝和工程手段隔絕外界的不穩(wěn)定因�,即隔絕�、熱等環(huán)境因�,從而減少乃至避免外界不�(wěn)定因素對于材料和器件的影��
對此,中國科學院電工研究所太陽電池技�(shù)研究部主任王文靜表示,從外圍手段隔絕不穩(wěn)定因�,尚需�(jīng)過大量的室外驗證。據(jù)了解,目前已報道的鈣鈦礦電池其最長工作壽命往往只能達到幾千小時,遠低于晶硅電池�
除了�(wěn)定性問題外,大面積�(yīng)用時的效率損失問題是鈣鈦礦電池的另一短板�
“在效率上,其實鈣鈦礦電池完全可以進行商業(yè)化應(yīng)�。但是如何從實驗室的小面�,擴展到實際�(yīng)用場景中的大面積,是其商�(yè)化需要面臨的一個嚴峻挑�(zhàn)�”王文靜坦言,目前實驗室里制造的鈣鈦礦電池只有指甲蓋大小,與市場需要的太陽能電池在尺寸上相距甚��
鈣鈦礦材料本身的�(jié)晶時間短,生�(chǎn)中的工藝窗口時間只有幾秒,造成了生�(chǎn)上的困難。除此以�,在制備鈣鈦礦電池的過程�,一個壞點、一個灰塵都有可能影響整個電池面板的效率,影響了其大面積�(yīng)用時的效率�
“目前來看,鈣鈦礦電池制備技�(shù)需要解決如何讓鈣鈦礦的薄膜更加致密平整,以及如何保證環(huán)境清�,避免灰塵等因素干擾提升良品率兩個問�。設(shè)計更為先進的制備技�(shù),能有效保證鈣鈦礦電池在大面積應(yīng)用時的效��”王文靜說�
我國鈣鈦礦光伏技�(shù)未來可期
盡管鈣鈦礦電池有諸多不確定性,但學界不少專家仍對其未來持樂觀�(tài)��
陳棋表示,目前我國在鈣鈦礦電池的學術(shù)研究和產(chǎn)�(yè)研究�,具有兩個最大的�(yōu)勢:一是研究群體大,國�(nèi)研究鈣鈦礦電池的企業(yè)、機�(gòu)遠比國外�;二是國�(nèi)有非常巨大的�(chǎn)�(yè)基礎(chǔ),光伏市場和光伏制造業(yè)在中國呈�(xiàn)蓬勃之勢�
“我國鈣鈦礦光伏技�(shù)的未�,可謂前途無��”陳棋��
在鈣鈦礦電池的未來應(yīng)用方面,孫于超表�,鈣鈦礦技�(shù)最有價值的�(yīng)用場景是在大�(guī)模光伏發(fā)電領(lǐng)域。鈣鈦礦在與晶硅�(jié)合組成疊層電池后,可以大幅提高現(xiàn)有光伏組件的�(fā)電效�,從而進一步降低發(fā)電成本,加快對于傳統(tǒng)化石能源的替�,助力我�“雙碳”目標實現(xiàn)。此�,鈣鈦礦電池的厚度僅為晶硅電池的千分之一,柔性輕便的特質(zhì)使其具有豐富的應(yīng)用場�,例如用于穿戴式�(fā)電裝�、光伏玻璃建筑一體化、野外臨時發(fā)電設(shè)備等,甚至可以運用于太空�(fā)��
奮戰(zhàn)在鈣鈦礦電池�(lǐng)域多�,孫于超和科研團隊見證了鈣鈦礦電池從不為人知,到漸漸走入大眾視野。在得知《科技支撐碳達峰碳中和實施方案(2022—2030�)》中提及“要研�(fā)高效�(wěn)定的鈣鈦礦電�”�,孫于超興奮地表示:“鈣鈦礦電池的好時候到了!”
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免責聲明:本文僅代表作者本人觀�,與全球礦產(chǎn)資源�(wǎng)無關(guān)� 文章�(nèi)容僅供參�,不�(gòu)成投資建�。請讀者僅作參考,并請自行承擔全部責任�
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