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成果資源

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【成果推介】低成本高效率大面積鈣鈦礦光伏

來(lái)源:    作者:    發(fā)布時(shí)間:2024-06-14    閱讀量:


【所屬領(lǐng)域】

智能制造、新材料

 

痛點(diǎn)問(wèn)題

太陽(yáng)能是人類(lèi)可以利用的最豐富的能源,高效、穩定實(shí)現太陽(yáng)能利用一直是人類(lèi)追求的目標。太陽(yáng)能電池是一種直接將光能轉化為電能的技術(shù)。自上個(gè)世紀逐漸成熟實(shí)現民用后,光伏領(lǐng)域的市值已超萬(wàn)億,其中晶硅太陽(yáng)能電池是目前的主流技術(shù)。自2009年以來(lái),一種新型光伏技術(shù)——鈣鈦礦太陽(yáng)能電池發(fā)展迅猛,單節電池的光電轉換效率從最初的3.8%飆升至25%以上。該技術(shù)是以AMX3鈣鈦礦型有機金屬鹵化物作為光活性層,成本遠低于晶硅材料。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件厚度僅有幾微米,具有可溶液加工、大面值制備、柔性、應用范圍廣等特點(diǎn)。

 

鈣鈦礦電池經(jīng)過(guò)近十年的發(fā)展,已經(jīng)走過(guò)了從實(shí)驗室小電池到中試大面積模組效率的驗證過(guò)程,目前正處于產(chǎn)業(yè)化推廣和提升的臨界點(diǎn)。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)化研究的核心是如何實(shí)現低成本、高性能、長(cháng)壽命的器件,若能夠在這三個(gè)方面取得快速突破,建立知識產(chǎn)權壁壘,將必定引領(lǐng)整個(gè)行業(yè)的發(fā)展及標準制定。鈣鈦礦材料的研發(fā)和器件結構及制備工藝的優(yōu)化,是推進(jìn)和實(shí)現鈣鈦礦光伏大規模制備必經(jīng)之路。


【成果介紹】

華中科技大學(xué)研究團隊從2013年開(kāi)始潛心研究鈣鈦礦太陽(yáng)能電池,發(fā)展三維線(xiàn)性電荷傳輸模型,揭示鈣鈦礦太陽(yáng)能電池納米材料界面電荷注入/積累/復合的載流子輸運新機制,并提出了抑制界面非輻射復合和提高載流子傳輸的普適方法,達到提升器件效率和穩定性的目的。通過(guò)電荷傳輸與材料相變化之間的規律,提出了雙異質(zhì)結模型研究界面電荷輸運對新型光伏器件物理特性的影響,在國際上較早引入影響器件輸出電壓的與界面電荷輸運相關(guān)因素。

 

基于這些理論認識,研究團隊設計并合成可溶液加工新型電子傳輸功能層,比常規 TiO2 納米晶材料的電子遷移率高一個(gè)數量級。新型電子傳輸層也為鈣鈦礦界面修飾提供可控化學(xué)環(huán)境。團隊開(kāi)發(fā)的碳量子點(diǎn)修飾 TiO2新型電子傳輸層、SnO2/石墨烯新型電子傳輸層、SnS2二維電子傳輸層、氟元素梯度摻雜氧化錫等多種高電子遷移率電子傳輸層材料,能夠顯著(zhù)提升鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件效率和穩定性。

1 成果圖片

 

【技術(shù)優(yōu)勢】

可通過(guò)旋涂、噴涂、刮涂等溶液工藝實(shí)現成膜:顯著(zhù)縮短產(chǎn)業(yè)鏈,可大幅降低電池組件生產(chǎn)成本。

 

所采用的原材料可輕易獲得、成本低、可再生:鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的原材料均為基礎化工材料,不含稀有元素;鈣鈦礦材料對雜質(zhì)不敏感,原材料不受來(lái)源控制;同時(shí)整個(gè)工藝路線(xiàn)核心環(huán)節可實(shí)現低溫溶液制備,可實(shí)現綠色生產(chǎn)。

 

和晶硅電池比較,性能更加優(yōu)異、應用領(lǐng)域更加廣泛:鈣鈦礦太陽(yáng)能電池對光線(xiàn)的要求更低,其吸收波長(cháng)可涵蓋整個(gè)可見(jiàn)光區,特別是紫外線(xiàn)部分的利用,即使在陰天或室內,也能發(fā)電工作;鈣鈦礦電池可做成柔性產(chǎn)品,廣泛用于建筑玻璃幕墻、電動(dòng)汽車(chē)、戶(hù)外家具、服飾等消費領(lǐng)域,其安裝更換方便,將催生光伏發(fā)電消費品的發(fā)展。

 

鈣鈦礦光伏投資強度低:每瓦鈣鈦礦組件的生產(chǎn)能耗僅為0.12度電,組件單瓦成本約0.5元。在鈣鈦礦單片組件成本結構中,鈣鈦礦占比約5%,玻璃、靶材等占2/3,總成本約為0.5-0.6元。因此,整體生產(chǎn)比現有晶硅路線(xiàn)比較有投入低。

 

【性能指標】

團隊在電池器件物理、新材料研發(fā)等方面取得了顯著(zhù)的進(jìn)展,提出了單晶提純制備高質(zhì)量大面積鈣鈦礦薄膜新原理,實(shí)現了高效鈣鈦礦電池,構筑了無(wú)機氧化物框架可印刷碳基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池,通過(guò)優(yōu)化結構設計實(shí)現了高效穩定的電池組件1 cm2器件,認證效率23.94%;36 cm2組件,認證效率19.6%。


【技術(shù)成熟度】

已有樣品/樣機。

 

【產(chǎn)業(yè)化應用】

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是第三代高效薄膜電池的代表,具有良好的吸光性、電 荷傳輸速率、巨大的開(kāi)發(fā)潛力,實(shí)現了高效率、高柔性、低成本,被譽(yù)為“光伏領(lǐng)域的新希望”。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池還可通過(guò)與晶體硅電池疊層進(jìn)一步提升光電轉換效率,是未來(lái)產(chǎn)業(yè)化的重點(diǎn)發(fā)展方向。因此,抓住鈣鈦礦技術(shù)突破的機遇,基于新型產(chǎn)學(xué)研創(chuàng )新與產(chǎn)業(yè)化機制,有望能夠推動(dòng)新一代太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

 

應用案例

團隊于2023年成立了武漢華鳴光能科技有限公司,針對大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池激光加工成套設備與武漢元祿光電技術(shù)有限公司、鈣鈦礦/晶硅疊層電池項目與武漢風(fēng)帆電化科技有限公司開(kāi)展了深入實(shí)質(zhì)性技術(shù)合作與產(chǎn)品生產(chǎn)。

 

知識產(chǎn)權

該成果包括多項已授權中國發(fā)明專(zhuān)利。

 

合作方式

專(zhuān)利許可、專(zhuān)利轉讓、作價(jià)入股、技術(shù)開(kāi)發(fā)、面談等。

 

【聯(lián)系方式】



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