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柔性钙钛矿太阳电池研究现状,面临哪些挑战?

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匿名 提出于2022-12-13
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  近年来,钙钛矿太阳电池(perovskite solar cells,PSCs)因其带隙可调、吸光能力强、激子束缚能小等优点,已认证光电转换效率(25.7%)及理论效率(31%)高,因而成为各个国家争先突破的技术领域。同时,PSCs 生产过程材料消耗少、能耗低、材料配方多样、制备设备简单等优点,使得其预计组件成本低于 1 元/W。效率的不断提高和成本逐步下降趋势使其成为第三代光伏发电技术中的翘楚,有望实现平价甚至低价上网。

  钙钛矿材料除了上述特点,其作为一种“软晶体”材料,体积模量与剪切模量的比值超过 2.0,使得钙钛矿材料具备柔性材料的力学特征,能够承受一定程度的压缩、变形和弯曲,为制备柔性钙钛矿器件提供了极大可能。 此外, 钙钛矿材料具有较低的相变温度, 使其能够实现在较低温度(≤150 ℃)下可控制备,适用于柔性基底。如图 1 所示,柔性太阳电池具有质量轻、可弯折等特点, 可与不同形状的物体表面贴合,适用于户外装备、光伏建筑一体化、可穿戴智能设备、地面交通以及卫星、飞艇等领域,极大的拓宽了光伏技术的应用场景,是重要的研究方向。柔性钙钛矿太阳电池(flexible  perovskite  solar  cells,F-PSCs),结合了有机-无机杂化钙钛矿材料的溶液法制备与卷对卷(roll-to-roll)工艺,更适合大规模生产。因此,F-PSCs 将是柔性太阳电池中极具竞争力的技术方向。

  F-PSCs 的研究主要围绕其光电转换效率和稳定性的提升,为其未来的产业化应用做铺垫。在当前各类柔性太阳能电池中, 主要包括柔性硅电池、铜铟镓硒等薄膜电池、有机太阳能电池和 F- PSCs。其中,柔性硅电池制备复杂、成本高、效率损失严重;铜铟镓硒等薄膜电池具有较高的光电转换效率,但可弯折程度低、成本高;有机太阳能电池可实现较高的柔性,但成本及性能仍需进一步优化;F-PSCs 作为新一代的光伏技术,发展十分迅速,短短十余年间其能量转换效率已经接近单晶硅电池,得益于高可见光吸收系数,钙钛矿薄膜在百纳米级别即可有效吸收大部分可见波段太阳光,厚度相比传统硅电池大幅降低。同时,钙钛矿材料的高缺陷容忍性使钙钛矿薄膜可以通过掺杂实现对电学和机械性能的调节。结合其可溶液加工及优异的电荷传输特性,使得钙钛矿材料在制备轻薄、柔性太阳能电池方面具有独特优势。当前,已报道的单结 F-PSCs 的效率已经超过 20%,是最高效的柔性光伏技术之一。

  但钙钛矿材料应用于柔性器件仍面临一些问题亟待解决,其中最主要的是器件机械弯折稳定性,其受到钙钛矿多晶薄膜本征的硬、脆的无机材料特性制约。同时 F-PSCs 器件由多层功能层及电极组成,其中含有的无机材料及电极材料延展性和柔韧性较差、弯折时层间应力分布差异大、拉伸程度不匹配、晶粒间摩擦断裂等因素使得柔性器件效率随着弯折次数的增多而快速衰减,制约了 F-PSCs 的综合稳定性及可靠性,这也是 F-PSCs 应用的瓶颈之一。此外,大面积模组/组件是未来应用的基础,由于大面积组件制备的不均匀性、结构缺陷、较大的电阻损耗以及组件连接方式(串联或并联组件)造成的有源区损耗等,光电转换效率通常随电池面积的增加而降低,子电池的不均匀性带来的界面处材料不匹配、局部热点以及更严重的滞后等现象给组件的长期稳定性带来了新的问题

        因此,F-PSCs 面积放大过程中面临以下技术难点:1)寻求适用于均匀大面积钙钛矿薄膜的材料配方、成膜方法等;2)适用于大面积可控制备的其他功能层及其高质量调控;3)电池和组件的结构进行优化设计等。

来源:《柔性钙钛矿太阳电池研究进展》

发布于 2022-12-13 16:39
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