2021年新闻亮点：Percent推动太阳能电池效率创纪录，硅/钙钛矿太阳能电池效率达29.52%

工程7（2021）1037新闻亮点Percent推动太阳能电池创纪录的效率肖恩高级技术作家太阳能的未来变得更加光明，2020年12月硅/钙钛矿太阳能电池效率创下了新的世界纪录该电池使用硅层与合成钙钛矿薄膜层串联制成，面积为1.12 cm2，并在美国科罗拉多州戈尔登的美国国家可再生能源实验室（NREL）的独立测试中获得认证，效率为29.52%。简单地说，串联电池能够将照射在其上的模拟阳光转化为近30%的电力。该电池和实现该记录的钙钛矿技术由位于英国牛津的牛津光伏开发。该公司目前正在其位于德国Brandenburg an der Havel的工厂中调试一条生产线，以制造世界当它们在2022年初上市时，它们将成为世界上最高效的商用太阳能电池-工业生产的硅太阳能电池组件目前的效率为20%‘‘We这基本上涉及使用溶液或升华为基础的过程。我们想要的材料不需要2000°C才能结晶。我们有一个长期的目标和信念，总有一天我们会达到10%的效率，我们用这些钙钛矿制造的第一个电池的效率是6.1%，打破了我们的实验室记录。这在今天看起来很微不足道，但在当时，这就像，哇，这东西的工作权开箱即用。太阳能光伏（PV）中的钙钛矿是一个及时的发展，因为几十年来硅的改进使其在效率上遇到了根本性的限制; PV材料都有一个特性限制，即它们可以将多少阳光转化为电能。这个极限取决于它们的“带隙”--从材料中释放电子所需的能量，使其成为电荷载体并在电路中移动。晶体硅的带隙为1.1 eV，这意味着来自太阳的能量小于1.1 eV的光子不能释放电子，而具有较高能量的光子仍然可以产生电荷载体，但超过1.1 eV的光子能量被浪费为热量。考虑到太阳光的光谱，理想硅的理论效率极限约为32%。 然而，从1954年贝尔Fig. 1. Oxford PV的串联硅/钙钛矿太阳能电池阵列该公司图片来源：Oxford PV，withpermission.在美国的实验室[2]中，实验室中可实现的效率最高约为27%。合成钙钛矿是与天然存在的矿物质钙钛矿，钙钛氧化物具有相同晶体结构的材料。合成钙钛矿在2012年正式进入太阳能光伏研究领域，当时它们在太阳能电池上的潜在应用受到了广泛关注[3]。今天使用的那些通常是有机-无机金属卤化物钙钛矿，其中金属是铅或锡。‘‘Metalhalide systems are just exquisite at how they do the PV task, andthat makes them really compelling,” said Joe层叠在硅电池顶部的薄钙钛矿膜可以被设计为具有1.7 eV的带隙--该带隙补充了硅这意味着更多的光子从更多的太阳当结合这些材料时，理论效率极限为43%。https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.06.0092095-8099/©2021 THE CONDITOR.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/engS.工程7（2021）10371038光伏发电效率的跃升迫在眉睫，而从金融和生态的角度来看，太阳能对能源公司来说已经是一个有吸引力的提议。 在许多国家在世界上，公用事业规模的太阳能光伏发电现在通常比新的燃煤或燃气发电厂便宜[5]。2018年，政府间气候变化专门委员会（IPCC）警告说，将全球变暖限制在1.5 °C将需要能源生产的“快速和深远”转变，因为人类造成的二氧化碳排放需要在2050年国际可再生能源机构（IRENA）是一个位于阿拉伯联合酋长国阿布扎比的政府间组织，支持各国向可持续能源未来过渡，它根据IPCC预测了一条具有气候适应能力的能源转型途径-称为可再生能源路线图（REmap）案例-将太阳能光伏视为2050年的主要电源，全球装机容量为8.5 TW，风力发电排在第二位（图）。 2）[6]。太阳能光伏正在加速发展。以美国为例，于二零二零年，其占所有新增发电装机容量的43%，连续第二年在所有能源发电技术中排名第一。在未来十年，美国太阳能产业预计将翻两番，其目前的能力[7]。这种繁荣的部分原因是太阳能光伏技术的成本在过去十年中以惊人的速度下降。目前可用的太阳能电池效率已上升到约20%，随着相关硬件成本的下降，根据NREL[8]，2010年至2020年美国公用事业规模光伏系统的安装成本下降了82%。这一趋势在世界各地都是相似的（图3）[6]。截至2020年底，全球太阳能光伏装机容量约为710吉瓦，高于2019年的581吉瓦（图4）[6]。要将这一能力深入到太瓦级，就需要迅速加速太阳能光伏发电的这是钙钛矿的另一个好处，因为它们通常以约0.5μ m厚的膜生产，并且由容易获得的材料制成。牛津光伏指出，35公斤的钙钛矿可以用来产生与7吨硅相同的功率--通常用于160μ m厚的晶片--并且表明该材料有一天可以完全取代硅[1]。其他已建立的薄膜太阳能技术的规模扩大的关键困难在于它们基于碲化镉或硒化铜铟镓。除了对镉的毒性的担忧之外，这种元素以及碲和铟对于这些技术来说太罕见了，无法将其规模扩大到太瓦级[9]。相比之下，金属卤化物钙钛矿可以由丰富的材料并且便宜地制成‘‘There are a lot of ways to make things cheaply and 钙钛矿也有一些非常独特的优点-有证明可以以非常高的效率回收它们。但也不全是好消息。目前，最有效的钙钛矿含有铅，尽管这是薄膜技术，存在的量相对较低。更广泛地采用硅-钙钛矿串联太阳能电池的一个更紧迫的挑战公用事业规模的光伏板需要持续约25年。自首次应用于PV电池以来，Percent技术发展迅速，但其长期稳定性尚未建立。与硅不同，钙钛矿是离子材料并且更容易降解，特别是如果它们变得潮湿，因此钙钛矿膜的有效分解是至关重要的。牛津光伏拥有比其他任何组织更多的钙钛矿太阳能光伏相关专利[10]，对他们的工程工艺和钙钛矿封装方法充满信心。“在过去的十年里，我们付出了很多努力，改变了钙钛矿的组成，材料，设备的结构，这一切都是为了提高稳定性，”Snaith说。效率来得毫不费力;实现稳定需要最多的工作。但现在图二、 向更清洁、可再生能源转变的预测，这将需要足够快地减少排放，以达到IPCC关于气候变化的目标，并在2050年之前使地球达到“净零”二氧化碳。RE：可再生能源; CSP：聚光太阳能。图片来源：©IRENA，with permission.S.工程7（2021）10371039图三. 在过去十年中，各国新委托的公用事业规模太阳能光伏项目的平准化能源成本（LCOE）急剧下降[6]。LCOE是在给定的太阳能项目的生命周期内必须出售电力的最低平均价格，以使其在财务上收支平衡。图片来源：©IRENA，withpermission.见图4。全球太阳能光伏总装机容量在过去十年中急剧增长，并显示出呈指数级增长的迹象[6]。图片来源：©IRENA，with permission.我们对效率非常有信心，我们的技术稳定性已经确定。更广泛的工业界和科学界也正在共同解决稳定性问题2020年，包括Berry和Snaith在内的国际研究人员合作，共同制定了钙钛矿PV稳定性评估和报告的共识声明[11]。 这种预测科学在技术上确实要求很高，但我们到目前为止所看到的问题并不是在基本材料层面上的阻碍，‘‘It then becomes a question of what technical solutionsyou have got你能降低多少成本，这类商业的事情。”在太阳能光伏生产中增加钙钛矿应用步骤将带来成本，这将如何影响市场尚不确定。牛津光伏商业电池的可能价格在大规模能源生产中，平准化能源成本（LCOE）是一个关键因素，在给定的太阳能项目的生命周期内，电力必须以最低平均价格出售，才能在财务上实现收支平衡这项新技术的初始价格的任何潜在增长都将与更高效率带来的LCOE下降相权衡牛津光伏的制造工厂目前正在以100兆瓦的年产能投入使用，目标是扩大到到本十年结束时，每年增加10吉瓦，这是太阳能行业每年增加约120吉瓦容量的适度目标。其他开发钙钛矿光伏技术的商业组织包括主 要的日本 公司松 下和积水 化学公 司，中 国公司MicroquantaSemiconductor和WonderSolar，韩国在过去的十年中，Percent技术发展迅速商业化的速度有多快还有待猜测，但Snaith认为，全球吸收和广泛使用硅除此之外，他说，钙钛矿的使用也带来了一些诱人的额外可能性。 在未来，我们将获得高达40%的太阳能光伏效率，因此电动汽车的包覆开始有意义，因为它将对充电产生可衡量的同样，如果我们能开发出轻质太阳能箔，我们就可以考虑覆盖商业建筑。2020年，美国先进钙钛矿复合体的制造被拉到一起，其既定目标是该组织是由NREL，华盛顿清洁能源试验台在西雅图华盛顿大学，S.工程7（2021）10371040北卡罗来纳大学教堂山分校和俄亥俄州托莱多大学该财团包括六个国内商业行业合作伙伴[13]，其中包括位于亚利桑那州坦佩的第一太阳能公司，该公司是基于碲化镉技术的公用事业规模薄膜太阳能光伏的主要生产商。引用[1] Oxford PV hits new world record for solar cell [Internet].牛津：牛津PV;2020 年 12 月 21 日 [ 引 用 于 2021 年 4 月 29 日 ] 。 可 从 ：https://www.oxfordpv.com/ 新 闻 /oxford-pv-hits-new-world-record-solar-cell。[2] Perlin J.硅太阳能电池50岁了。次报告.金：国家可再生能源实验室; 2004年8月。[3] 十年的钙钛矿光致发光。Nat Energy 2019;4：1.[4] Kim D，Jung HJ，Park IJ，Larson BW，Dunfield SP，Xiao C等人，Efficient，stablesilicontandemcellsenabledbyanion-engineeredwide-bandgapperovskites. 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