没有合适的资源?快使用搜索试试~ 我知道了~
超导太阳能电池:现状与发展趋势
··工程21(2023)15意见和评论超导太阳能电池的现状及发展趋势胡哲璐a,冉晨欣b,张辉a,赵凌峰a,b,陈永华a,c,黄伟a,b南京工业大学柔性电子(未来技术)学院先进材料研究所柔性电子重点实验室,南京211816b西北工业大学西安生物医学材料与工程研究所西安柔性电子研究所柔性电子前沿科学中心c光谷实验室,武汉430074,中国1. 介绍碳中和是解决资源和环境约束的重要战略。目前,通过植树造林、节能减排等措施,抵消国家、企业、产品、活动或个人产生的二氧化碳等温室气体排放总量,最终实现净零排放(图1(a))。 根据全球发电量的最新分布(图1(b)),大部分电力(61.3%)仍然来自化石燃料(煤,天然气和石油)[1]。尽管是消除碳排放排放、可再生能源(例如,太阳能、风能、水电、地热能和生物质能)仅占总量的因此,要实现碳中和,必须优化世界可再生能源发展迅速,装机容量从2000年的754吉瓦增加到2020年的2799吉瓦在所有可再生能源中,太阳能光伏(PV)由于其巨大的能源(即,太阳)和快速成本下降。到2050年,光伏发电的成本预计将降至0.02美元(千瓦时)。届时,可再生能源将成为发电的主要来源,预计全球86%的图1.一、(a)碳中和图;(b)全球发电量分布[1];(c)到2050年全球发电量的发展和预测[2];(d)2017年至2050年发电量和总装机容量的来源细分[2]。CSP:聚光太阳能发电。https://doi.org/10.1016/j.eng.2022.10.0122095-8099/©2022 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页:www.elsevier.com/locate/engZ. Hu,C.冉,H.Zhang等人工程21(2023)1516×~····能量(图1(c))[2]。此外,到2050年,光伏设备的安装容量预计将超过8500 GW(图1(d)),减少4.9 Gt的二氧化碳排放量[2]。因此,前景广阔的光伏技术既带来了巨大的发展机遇,也带来了前所未有的挑战,有望为碳中和做出2. 钙钛矿太阳能电池太阳能电池利用光伏效应将生态友好和可再生的太阳能转化为电能,有望满足全球所有的能源需求。为了有效地捕获太阳光用于发电,已经发明、生产和商业化了许多类型的光捕获半导体。其中,晶体硅(c-Si;单晶或多晶)和薄膜技术[3,4]主导了当前的光伏市场。然而,它们的制造通常需要高真空和高温工艺,导致显著的能量消耗和高生产成本。近年来,卤化铅钙钛矿太阳能电池(PSCs)由于其高效率和低生产成本而获得了积极的研究关注。更具体地说,PSC的记录效率已达到25.7%[5],与c-Si相当。PSC可以通过低温溶液工艺生产,并且在机械柔韧性和重量轻方面具有独特的性能;此外,它们具有使用低成本卷对卷制造工艺的良好前景此外,具有可调带 隙 的 PSC 可 以 与 其 他 类 型 的 太 阳 能 电 池 集 成 perovskite–Sitandem cells, all-perovskite tandem cells, perovskite–copperindium gal- lium 因此,PSC是平衡组件效率和成本的关键环节,为碳中和战略目标做出然而,PSC效率、寿命和毒性的问题仍有待解决,并将在后续章节中讨论。2.1. 高效PSC技术的快速发展为光伏行业带来了新的机遇。光伏发展的重点仍然是成本最小化,提高光电转换效率和稳定性能是实现这一目标的两个最有效的途径。虽然目前mini-PSC的认证效率高达25.7%[5],但目前的效率水平与太阳能电池的理论效率极限仍有一定差距目前,最有前途的材料是三碘化铅(FAPbI3)钙钛矿,其带隙为1.48 eV(1 eV = 1.602176 10- 19 J),接近单电池太阳能电池的理想带隙(1.34 eV);其效率估计超过28%[6]。此外,据报道,大面积PSC供电模块器件的效率达到22.72%(24cm2),使其成为商业开发的关键器件形式[7]。我们相信,在不久的将来,钙钛矿模块的效率可以轻松超过23%,达到硅太阳能电池无法比拟的水平在实现钙钛矿的大规模生产之后,制造成本也将有望低于c-Si太阳能电池的50%。然而,应该注意的是,大规模PSC生产程序与用于在实验室规模制备小面积PSC的常见旋涂方法不兼容。已经研究了许多用于大规模PSC的重要方法,包括狭缝模头涂布、刮刀涂布和喷涂印刷。然而,当PSC模块面积扩展到平方米级别时,其性能仍然不如c-Si太阳能电池。因此,从小面积元件延伸到大面积元件的衰减问题仍需关注。众所周知,目前的单结PSC难以接近或达到33%的理论极限效率然而,令人欣慰的是,叠层太阳能电池被认为是最有希望突破理论极限的方法之一根据理论计算,两段串联装置的效率可以达到45%左右,而全钙钛矿串联电池的效率可以达到42%左右,钙钛矿-Si串联电池的效率叠层电池的结构优化和技术创新将加速光伏产业的发展,实现降本增效(图2)[8]。到目前为止,钙[5]此外,全钙钛矿串联电池已实现28.0%的认证效率,这已经超过了单结钙钛矿器件的性能[9] 。 重要的 是, 大面 积全钙 钛矿 钽酸锂 模块的 功率 转换效 率(PCE)已超过21%,孔径面积为20 cm2,这代表了PSC商业化的巨大进步[10]。此外,全钙钛矿串联电池的成本显著低于钙钛矿-Si串联电池的成本2.2. 寿命无论是单结PSC还是基于串联PSC的器件,稳定性问题都是限制快速商业化的主要障碍。由于PSC在商业化前必须通过国际电工委员会(ICE)61215标准测试,要求商业化PSC的运行寿命至少达到25-30年,这是一个非常艰巨的挑战。在器件工作过程中,有机组分的挥发、离子迁移、离子氧化等过程容易发生,导致有机-无机杂化钙钛矿的本征稳定性崩溃例如,具有咔唑添加剂的钙钛矿-Si叠层太阳能电池可以抑制相分离,然后在85 °C和85%相对湿度(RH)的湿热环境下保持87%的此外,锡(Sn)在全钙钛矿串联电池的窄带隙组件中的不稳定性可导致在钙钛矿中形成不可逆缺陷态,导致严重的非辐射载流子复合和几天后的器件老化[12]。因此,解决Sn2+氧化问题将进一步提高全钙钛矿串联器件的效率,这将有助于钙钛矿PV的进一步发展。因此,提高PSC的稳定性对于降低LCOE起着至关重要的作用,并且对于促进PSC商业化进程将是重要的2.3. PSC费用一旦可以解决PSC的寿命问题,在大规模生产期间降低基于钙钛矿的太阳能电池的LCOEWang等人[13]根据自下而上成本模型的计算结果,估计25年单结PSC模块的LCOE为0.0348 USD(kW h)-1,而传统硅模块的LCOE为0.0550 USD(kW h)-1[14]随着基于钙钛矿的叠层太阳能电池的出现和先进的大规模沉积技术(例如,丝网印刷、狭缝模头涂布和喷墨印刷),LCOE将进一步降低,这将使基于钙钛矿的太阳能电池在PV领域更具竞争力。Z. Hu,C.冉,H.Zhang等人工程21(2023)1517·图二.钙钛矿太阳能组件商业化路径的说明[8]。ITO:氧化铟锡; HTM:空穴传输材料; BCP:浴铜灵; WBG:宽带隙; NBG:窄带隙; BSF:背表面场。2.4. 毒性广泛报道的高功率转换效率的PSC含有有毒的铅(Pb),其严重威胁生态系统和人类健康。由于不可避免的自然因素(环境磨损、火灾、风等),铅从PSC泄漏的潜在巨大风险是实现PSC商业化的主要障碍已经发现,适当的物理封装和化学封装涂层是解决铅泄漏问题的简单且经济的例如,物理净化方法可以抑制降解PSC中超过90%的Pb2+泄漏,提高其环境稳定性[15]。溶解有机和金属卤化物的有毒溶剂也需要更多的关注。在PSC制备中使用绿色溶剂如离子液体不仅可以有效地减少Pb的使用,而且可以去除有毒溶剂,使得绿色溶剂成为大规模PSC制造的有价值的概念。仅使用0.6mmol L-1的PbI2就可以获得500 nm厚的膜,这比传统溶剂所需的量至少少0.6倍[16]。从老化的PSC中回收有毒的铅源可能是控制铅污染和成本的另一种良性和有前途的方法。由于其透明导电氧化物玻璃基板、贵金属电极和铅源是PSC的主要成本,因此重复使用这些组件是避免不必要的生态系统污染和资源浪费的最佳方式[17]。在未来,拆卸使用过的PSC模块并重新使用其组件以减少能源消耗将成为PSC的主要趋势。此外,大力发展无铅钙钛矿材料(其中Pb被Sn、Bi、Ge、Mn、Sb等取代)是实现环境友好型PSC商业化的新途径[18]。值得注意的是,锡基无铅PSC最近接近15%的效率,显示出巨大的潜力。然而,目前的效果--无铅PSC的效率仍然远低于大规模商业应用的要求尽管如此,许多科学家认为无铅PSC具有广阔的前景,可以显著推进PSC的商业化应用3. PSC的应用场景由于钙钛矿的独特优势,包括低成本、抗辐射性能、光敏感性、重量轻、柔性和高效率,PSC具有广泛的应用范围,并已被证明在各种应用中具有革命性,包括PV工厂、便携式设备、航空航天、军事设备、建筑集成光致发光(BIPV)和室内光致发光(IPV)(图3)。在本节中,我们简要讨论了PSC在这些应用场景中的机遇和挑战(表1)。3.1. 光伏电站尽管PSC在PCE改善方面的突破性进展加速了PSC在发电中的潜在应用,但其光伏电站应用的巨大挑战仍然是其大规模制造和在实际条件下的长期稳定性。为了实现这一目标,社区必须就评估PSC稳定性的标准化测试方案达成一致。还应该开发新的程序来加速现实条件下的老化过程,以便准确预测PSC的寿命。3.2. 便携式设备近年来,技术革命和耗能便携式设备的进步促进了对轻质和柔性PSC的日益增长的需求,Z. Hu,C.冉,H.Zhang等人工程21(2023)1518-·图3.第三章。通过钙钛矿材料的优点实现的钙钛矿PV的潜在应用场景图片来源:Project Nexus(公有领域)。表1PSC在各种应用场景中的机遇和挑战。应用机遇和挑战3.3. 空间应用最近的研究表明,由于其上述优点,私营保安公司有可能符合空间应用的条件。然而,空间环境也存在其他危险,如高能辐射、高真空和极端热循环应力(185至150 °C)。有趣的是,考虑PSC在太空条件下能存活多久。为此,需要认真评估光伏电池在空间应用中的前景,包括光伏电池在极端空间环境下的物理机制、空间环境对光伏电池的综合影响以及如何满足光伏电池的特殊要求。3.4. 军事装置永久PV可以在军事领域中用于包括无声侦察、无人机搜索和单个士兵定位的应用。作为构建个人电源设备的一种手段,柔性PSC可以提高军事设备的功能性和准确性。然而,PSC在军事设备中的应用所带来的主要挑战是,仍然与PSC的长期稳定性和灵活制造有关。光伏电站f1. 低成本2. 钙钛矿基串联器件的高效率3. 弱光1. 大规模生产2. 长期运行稳定性3. 真实条件下的耐久性3.5. 建筑一体化PV将PSC集成到建筑物中,即所谓的BIPV,是利用PSC作为下一代光伏技术的最全面的方法之一BIPV外壳必须是半-便携式设备1. 灵活性2. 重量轻3. 轻松集成1. 高电导率2. 弯曲耐久性和操作稳定性3. 大面积器件透明的或透明的,以允许足够的日光进入建筑和减少照明能源需求,以及加热和冷却负荷的需求。虽然BIPV在减少能源消耗和温室气体排放方面具有很大的潜力,但主要的挑战是如何实现这些优势-航天1. 低成本2. 重量轻3. 高能粒子辐照1. PSC的UV活化光降解2. 极端热-185至150°C的循环3. 的高真空空间挑战钙钛矿不影响热舒适性要求。 PV倾斜,方向性和舒适性是BIPV最重要的特征,缺乏全球标准是目前BIPV行业的主要障碍。3.6. 室内光化学军事装置1. 高质能比2. 低成本3. 重量轻1. 长治久安2. 柔性制造3. 耐久性下极端条件和高应力在现代化的背景下,数十亿产品存在于自供电设备的需求缺口中;因此,IPV具有BIPVs 1.高下的效率半透明条件2. 多种颜色可选3. 光致变色或热致变色性能IPVs 1. 高弱光灵敏度2. 可调带隙,与室内灯光3. 适用于物联1. 没有全球标准光伏技术融入建筑2. 避免损害热舒适性1. 铅毒性2. 长治久安3. 开 发 适 用 于 室 内 光 源 ( 1.9eV)的带随着物联网(IoT)的出现,它吸引了大量的关注到目前为止,对于使用发光二极管的301.6lW cm-2的室内照明,PSC效率的记录超过40.1%[19]。基于PSC的IPV还具有许多其他优点,例如低成本、大面积和高缺陷容限,使得它们可能在不久的将来主导IPV市场然而,考虑到物联网中IPV设备的使用,应认真考虑减少铅的使用。此外,即使在室内环境相对温和的条件下,IPV的设备寿命仍然不足以支持其工业发展。将便携式设备和PSC集成到一个系统中。目前,氧化铟锡聚对苯二甲酸乙二醇酯(ITO/PET)或聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)基板经常用于生产柔性PSC,但是ITO的刚性导致薄层中的断裂,这是反复弯曲后器件性能失效的主要原因。因此,用于便携式设备的PSC的挑战在于开发具有高弯曲容限的导电基板。4. 结论在这个努力实现碳中和的时代,PSC得到了前所未有的快速发展。钙钛矿基叠层太阳能电池的出现为突破理论效率极限带来了重大机遇。封装技术的不断改进,有效抑制了器件稳定性和引线漏电问题。此外,无铅PSCZ. Hu,C.冉,H.Zhang等人工程21(2023)1519有利于创造更环境友好的生态系统。此外,基于PSC的各种优势,其应用场景得到了极大的拓展,并将在越来越多的领域发挥重要作用尽管在PSC真正实现产业化之前,仍有许多挑战性的困难需要克服,但有理由相信,保持目前的发展速度,PSC的商业化将在不久的将来实现。致谢本工作得到了国家自然科学基金(51972172和62205142)、江苏省杰出青年自然科学基金(BK 20200034)、江苏省科技厅、江苏省自然科学基金委员会、江苏省自然科学基金委员会和江苏省自然科学基金委员会的资助(BE 2022023和BK 20220010),光谷实验室创新项目武汉光电子国家实验室开放项目OVL 2021 BG 006(2021 WNLOKF003),国家自然科学基金国际合作与交流项目(51811530018),中国青年千人计划,西北工业大学博士学位论文创新基金国家自然科学基础研究计划(CX 2021041)、陕西省自然科学基础研究计划(2021JLM-43)和陕西省科技厅与西北工业大学联合研究基金(2020GXLH-Z- 007和2020 GXLH-Z-014)。引用[1] 英国石油公司(BP)。世界能源统计评论。第70版。伦敦:英国石油公司; 2021年。[2] 国际可再生能源机构(IRENA)。 全球可再生能源展望:2050年能源转型。马斯达尔市:国际可再生能源机构; 2020年。[3] 弗劳恩霍夫太阳能系统研究所。光化学报告。Freiburg:Fraunhofer ISE-PUBLIC;2020.[4] VDMA 。 2019 年 国 际 光 伏 技 术 路线 图 ( ITRPV ) 结 果 。 第 11版 。 法 兰 克 福 :VDMA;2020年。[5] 国家可再生能源实验室(NREL)。最佳研究电池效率图表[互联网]。Golden,Colorado : NREL; 2022 Sep 20 [cited 2022 Sep 25]. 可 从 以 下 网 址 获 得 :https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html[6] MaC,Park NG. 30%高效钙钛矿太阳能电池的现实方法 Chem 2020;6(6):1254-64.[7] Ding Y , Ding B , Kanda H , Usiobo OJ , Gallet T , Yang Z 等 . Single-crystallineTiO2nanoparticlesforstableandefficientperceptualmodules.NatNanotechnol 2022;17(6):598-605。[8] Leijtens T,Bush KA,Prasanna R,McGehee MD.使用金属卤化物钙钛矿半导体的叠层太阳能电池的机遇和挑战。 NatEnergy 2018;3:828-38.[9] [10] Green MA,Dunlop ED,Hohl-Ebinger J,Yoshita M,Kopidakis N,BotheK,et al. 太阳能电池效率表(第60版)。Prog Photovolt Res Appl 2022;30(7):687-701。[10] XiaoK,Lin YH,Zhang M,Oliver RDJ,Wang X,Liu Z,et al. 可扩展的工艺,实现21.7%效率的全钙钛矿串联太阳能模块。Science2022;376(6594):762-7.[11] Liu J,Aydin E,Yin J,De Bastiani M,Isikgor FH,Bristman AU,et al. 28.2%-efficient,outdoor-stable covalent/silicon tandem solar cell.焦耳2021;5(12):3169-86。[12] LinR,Xu J,Wei M,Wang Y,Qin Z,Liu Z,et al. 具有改进的晶粒表面钝化的全钙钛矿叠层太阳能电池。Nature2022;603:73-8.[13] 王林,再宏,段勇,刘刚,牛新,马勇,等.钙钛矿/Cu(In,Ga)Se 2串联光伏组件更换成本分析. ACS Energy Lett2022;7(6):1920-5.[14] 李志,赵勇,王翔,孙勇,赵忠,李勇,等。钙钛矿串联光催化剂的成本分析。焦耳2018;2(8):1559-72。[15] LiZ,Wu X,Wu S,Gao D,Dong H,Huang F,et al. 一种有效和经济的封装方法,用于捕获刚性和柔性钙钛矿光致发光材料中的铅泄漏。纳米能源2022;93:106853。[16] Chao L,Niu T,Gao W,Ran C,Song L,Chen Y,et al. Solvent engineeringof theprecursor solution towards the large-area production of calcium-solar cells.AdvMater 2021;33(14):2005410.[17] 陈乙,费丙,陈S,顾华,肖X,黄杰。从 钙钛矿太阳能模块中回收铅和透明导体。Nat Commun2021;12(1):5859.[18] 吴涛,刘翔,罗翔,林翔,崔东,王勇,等.无铅锡钙钛矿太阳能电池.北京:中国科学院光电技术研究所. Joule2021;5(4):863-86.[19] He X,Chen J,Ren X,Zhang L,Liu Y,Feng J,et al.通过使用微米厚的钙钛矿膜的整体陷阱钝化,记录了40.1%的低光照太阳能电池效率。Adv Mater2021;33(27):2100770。
下载后可阅读完整内容,剩余1页未读,立即下载
cpongm
- 粉丝: 4
- 资源: 2万+
上传资源 快速赚钱
- 我的内容管理 收起
- 我的资源 快来上传第一个资源
- 我的收益 登录查看自己的收益
- 我的积分 登录查看自己的积分
- 我的C币 登录后查看C币余额
- 我的收藏
- 我的下载
- 下载帮助
会员权益专享
最新资源
- zigbee-cluster-library-specification
- JSBSim Reference Manual
- c++校园超市商品信息管理系统课程设计说明书(含源代码) (2).pdf
- 建筑供配电系统相关课件.pptx
- 企业管理规章制度及管理模式.doc
- vb打开摄像头.doc
- 云计算-可信计算中认证协议改进方案.pdf
- [详细完整版]单片机编程4.ppt
- c语言常用算法.pdf
- c++经典程序代码大全.pdf
- 单片机数字时钟资料.doc
- 11项目管理前沿1.0.pptx
- 基于ssm的“魅力”繁峙宣传网站的设计与实现论文.doc
- 智慧交通综合解决方案.pptx
- 建筑防潮设计-PowerPointPresentati.pptx
- SPC统计过程控制程序.pptx
资源上传下载、课程学习等过程中有任何疑问或建议,欢迎提出宝贵意见哦~我们会及时处理!
点击此处反馈
安全验证
文档复制为VIP权益,开通VIP直接复制
信息提交成功