科学家发明制造钙钛矿太阳能组件的超快方法 实现18%的转换效率

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当今大多数太阳能电池均由精制硅制成,可将阳光转化为清洁电能。不幸的是,提炼硅的过程需要来自碳排放发电厂的大量能量。

为了更环保地替代硅,研究人员将重点放在了钙钛矿薄膜上,这是一种低成本,柔性的太阳能电池,可以用最少的能量生产并且几乎没有CO2排放。


尽管钙钛矿型太阳能电池前景广阔,但在变得普遍之前,还需要解决重大挑战,其中不仅包括其固有的不稳定性,这使其难以大规模生产。


斯坦福大学博士后学者尼克·罗尔斯顿说:“钙钛矿太阳能技术正处于商业化与火焰燃烧之间的十字路口。” “数百万美元投入到了初创企业中。但是我坚信,在未来三年中,如果没有能够延长电池寿命的突破,那么,钱就烧完了。”


Rolston说,这就是为什么斯坦福大学开发的一种新钙钛矿制造工艺如此令人兴奋的原因。在11月25日发表在《焦耳》杂志上的一项新研究中,他和他的同事展示了一种超快的方法来生产稳定的钙钛矿电池并将其组装成可为设备,建筑物甚至电网供电的太阳能模块。


研究资深作者Reinhold Dauskardt,Ruth G.和William K. Bowes斯坦福大学工程学院教授说:“这项工作为钙钛矿制造提供了新的里程碑。” “它解决了社区多年来一直在应对的模块规模制造的一些最严峻的障碍。”


指甲大小的样本


钙钛矿太阳能电池是由廉价,丰富的化学物质(如碘,碳和铅)制成的合成晶体薄膜。


薄膜电池重量轻,可弯曲,可以在露天实验室中在接近水沸点的温度下生长,与精炼工业硅所需的3,000华氏度(1,650摄氏度)熔炉相去甚远。


科学家开发出钙钛矿电池,可将25%的阳光转化为电能,其转换效率与硅相当。但是这些实验电池不太可能很快安装在屋顶上。


Rolston说:“钙钛矿上所做的大部分工作仅涉及的面积极小,它们通常只有小指状指甲的大小的一部分。” Rolston与前斯坦福大学博士后学者William Scheideler共同领导了这项研究现在是达特茅斯学院的助理教授。


尝试制造更大的电池会产生缺陷和针孔,从而大大降低电池效率。与持续20到30年的刚性硅电池不同,薄膜钙钛矿在受热和受潮时最终会降解。


道斯卡德说:“您可以在实验室中制造一个小型演示设备。” “但是传统的钙钛矿加工无法快速,高效地进行生产。”


记录设置处理器


为了应对大规模生产的挑战,Dauskardt团队采用了他们最近发明的一项专利技术,即快速喷涂等离子体处理。


该技术使用具有两个喷嘴的机器人设备来快速生产钙钛矿薄膜。一个喷嘴将钙钛矿化学前体的液体溶液喷涂到玻璃板上,而另一个喷嘴释放一束高反应性离子化气体,称为等离子体。


Rolston说:“常规加工需要将钙钛矿溶液烘烤大约半小时。” “我们的创新在于使用等离子体高能源,一步将液态钙钛矿快速转化为薄膜太阳能电池。”


通过快速喷涂工艺,斯坦福大学的团队能够每分钟生产40英尺(12米)钙钛矿薄膜-比制造硅电池快约四倍。


“我们实现了所有太阳能技术中最高的吞吐量,” Rolston说。“您可以想象将大块玻璃板放在辊子上,并以前所未有的速度连续生产钙钛矿层。”


除了创纪录的生产率,新铸造的钙钛矿电池还实现了18%的功率转换效率。


罗尔斯顿说:“我们希望使这一过程适用并尽可能广泛地有用。” “等离子体处理系统听起来可能不错,但是您可以以非常合理的成本在商业上购买它。”


斯坦福大学的研究小组估计,他们的钙钛矿模块的制造成本约为每平方英尺25美分,远远低于生产典型硅模块所需的每平方英尺2.50美元左右。


太阳能组件


硅太阳能电池通常在封装模块中连接在一起,以提高其功率输出并承受恶劣的天气条件。钙钛矿制造商最终将必须构建稳定,高效的模块才能在商业上可行。


为此,斯坦福团队成功地制造了钙钛矿模块,即使搁置了五个月,它们仍可以15.5%的效率运行。


常规的硅模块发电的成本约为每千瓦时5美分。为了与硅竞争,钙钛矿模块必须封装在防潮层中,该防潮层至少要防潮十年。研究团队现在正在探索新的封装技术和其他方法来显着提高耐用性。


罗尔斯顿说:“如果我们能制造出一种能持续30年的钙钛矿组件,那么我们就可以将电力成本降低到每千瓦时2美分以下。” “以此价格,我们可以将钙钛矿用于公用事业规模的能源生产。例如,一个100兆瓦的太阳能发电场。”


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