光伏电池

今年4月，七国集团气候、能源和环境部长会议发布《联合声明》称，将“推进钙钛矿太阳能电池等领域的技术革新”，钙钛矿太阳能电池这一能源领域的“新秀”引发强烈关注。钙钛矿太阳能电池图片来源：美国国家可再生能源实验室近日，《日本经济新闻》也集结部分专家，对太阳能、风能、核电、二氧化碳回收等5个领域备受瞩目的11项脱碳技术的普及程度进行了评估，结果发现，在即将实现商用的领域中，最引人关注的是下一代太阳能电池——钙钛矿电池，其可能成为能源行业的“游戏规则改变者”。专家指出，钙钛矿太阳能电池凭借高效率、低成本、低能耗、应用场景丰富等特点，在降低光伏成本革命中备受关注，但其耐用性和稳定性仍需进一步提高。下一代技术蓄势待发2013年，《科学》杂志评选十大突破，钙钛矿太阳能电池入选，被称为最有前景的下一代光伏技术。《日本经济新闻》在报道中指出，当前，钙钛矿电池主要有单结钙钛矿电池和叠层钙钛矿电池。叠层钙钛矿电池指钙钛矿层可堆叠在彼此之上，也可堆叠在传统晶硅太阳能电池之上，形成能吸收更宽太阳光谱的“串联”电池。据美国《华尔街日报》网站近日报道，单结钙钛矿电池的理论转换效率可达33%，而钙钛矿/硅串联电池的理论转化效率可达43%，都超过单晶硅电池29.4%的理论转换效率。今年6月，阿卜杜拉国王科技大学称，该校研制的钙钛矿/硅串联太阳能电池的转换效率高达33.7%，创下世界纪录。此外，钙钛矿电池还具有轻、薄、可弯曲等特点，可铺设在传统硅基电池无法覆盖的墙壁表面或列车车顶，操作工序十分简单，且价格几乎减半。东京大学教授濑川浩司的测算显示，到2030年日本钙钛矿电池覆盖的面积最大可达470平方公里，发电能力为600万千瓦，相当于6个核电站。法兰西岛光伏研究所项目总监格雷戈里马克表示，钙钛矿层比硅层薄很多，使用的材料减为约1/100。而且，这些材料可在较低的温度下加工，从而节省能源、减少排放。引国际投资热潮在全球脱碳浪潮下，硅基电池的性能正在接近其理论极限，钙钛矿太阳能技术已成为众多企业眼中的“香饽饽”。欧洲PEPPERONI项目于去年11月1日启动，旨在推进欧洲大陆的叠层太阳能光伏电池的制造和产能，重点关注钙钛矿/硅叠层电池，这一项目将持续4年，由“欧洲地平线”计划与瑞士教育、研究和创新秘书处共同资助。法国光伏组件商Voltec Solar和法兰西岛光伏研究所合作，计划到2030年建设一处规模达5吉瓦的钙钛矿/硅串联太阳能电池“超级工厂”。法兰西岛光伏研究所总经理罗杰德罗兹多夫斯基-施特雷尔表示，这是一场技术革命，与传统技术目前可实现的最佳效率相比，它不仅能够在光伏组件层面实现30%的效率，还能通过利用回收材料，减少能耗和材料消耗。Voltec Solar公司总经理卢卡斯韦斯则强调，串联技术将是未来十年的主导光伏技术。英国牛津光伏公司计划今年推出其商用钙钛矿/硅叠层电池，预计转换效率为27%。该公司也计划在德国柏林附近扩建其试点工厂，并在2030年左右将生产规模扩大到10吉瓦。耐用性和可靠性亟待完善据麻省理工学院（MIT）网站报道，虽然钙钛矿显示出巨大的前景，多家公司已经开始进行商业化生产，但耐用性仍然是其面临的最大障碍。硅太阳能电池板在使用25年后，仍能保持25%的功率输出，但钙钛矿电池下降得很快。不过，科学家们已经取得重大进展：钙钛矿太阳能电池的“寿命”从最初的几小时，增加到几周、几个月，最新“出炉”电池的使用寿命可长达几年。澳大利亚新南威尔士大学工程学教授马丁格林表示，钙钛矿制造商需要证明电池板的使用寿命为25—30年，这是行业标准。牛津光伏公司首席技术官克里斯凯斯称，该公司已将其钙钛矿/硅叠层电池设计为达到或超过25年的使用寿命。MIT光伏研究实验室负责人托尼奥博纳西西指出，钙钛矿的一个优点是它们在实验室中相对容易制造，其化学成分很容易组装，但材料在室温下容易结合在一起，也容易分开。为解决这一问题，有些研究人员使用各种保护材料来封装钙钛矿，使其免受空气和潮湿的影响。博纳西西参与的一项研究表明，一旦钙钛矿的使用寿命超过10年，加上其制造成本低廉，就能在很多大型公用事业场所替代硅基太阳能电池。

有机光伏电池具有质量轻、柔性、吸收光谱可调等优势，在室内光应用中展现出巨大应用潜力。近几年，有机光伏电池在室内光下的光伏性能不断提高，但有机半导体材料较大的能量无序度将导致更宽的态密度分布，严重限制了器件在弱光环境下的开路电压和能量转换效率，使其在实际应用中面临严峻挑战。通过聚光技术，增大入射光通量可以有效抑制能量无序度对有机光伏电池室内光性能的影响，但有机光伏电池在聚光环境中的光伏性能和器件稳定性此前较少被报道。中国科学院化学研究所侯剑辉团队基于三种经典的活性层体系（PBDB-TF:Y6、PB2:FCC-Cl和PTB7-Th:PC71BM）深入研究了能量无序度对弱光环境下有机光伏电池性能的影响，以及聚光环境中有机光伏电池的光伏特性。他们证明了聚室内光可以有效抑制能量无序度的不利影响，同时提高器件的开路电压和填充因子，实现更高的光伏效率。其中，基于PB2:FCC-Cl的器件在500 lux光照下具有29.0%的光伏效率；当聚光至20000 lux时，该器件可实现33.0%的光伏效率，是所知相同条件下最高的室内光性能。同时，由于室内光的照明条件更加温和，所有器件在聚室内光下均表现出优异的稳定性。其中，PBDB-TF:Y6体系具有最稳定的形貌特征，其器件在聚室内光下的拟合T80寿命（效率衰减至初始值的80%需要的时间）超过30000小时。此外，基于聚光的方式，由刮涂法制备的0.25 cm2的器件相比500 lux下的10 cm2大面积器件可实现更高的光伏效率和输出功率。结合光波导聚光技术，研究人员证明了聚光有机光伏电池能够具备更低的制备难度和生产成本，在室内光应用中展现出巨大发展前景。相关成果近期发表在《焦耳》（Joule）上。聚室内光有机光伏电池兼具高性能、高稳定性、易加工性和低成本特点

近些年来，寻找环境问题解决方案日益成为全球亟待解决的主要难题。鉴于化石燃料资源正在迅速耗竭及其对环境造成严重破坏，发展替代性能源产品已经成为当务之急。太阳是清洁能源的一个丰富来源，可通过光伏系统，将太阳光转化为直流电能从而为我们所用。近年来各国都在积极推动可再生能源应用，因此，光伏产业发展十分迅速。今年是“十四五”开局之年，在国家政策的支持下，在“碳达峰”、“碳中和”的目标要求下，光伏行业将迎来更大的发展。光伏转换技术的发展和进步需要在化学、电子、机械和光学等方面对整个过程的各个阶段进行表征，大量的研究工作仍然在进行中。紫外/可见/近红外光谱仪在光学性质研究中有着重要的应用。配有150mm积分球的LAMBDA 1050+紫外/可见/近红外分光光度计使用LAMBDA 1050+紫外/可见/近红外分光光度和150mm积分球，可以测量样品在200~2500nm范围内的透过率、反射率和吸光度。积分球的内表面使用Spectralon高分子材料制成，其反射率接近100%。150mm积分球的窗口面积占内反射表面比值小于2.5%。窗口面积比例越低，测量结果的精密度越高。60mm积分球的窗口面积比大约为7%。透射率和反射率积分球测量：透射模式（上）和反射模式（下）积分球内部的检测器（可见光区域使用光电倍增管，近红外光区域使用PbS检测器）被Spectralon材料制成的挡板所保护，避免直接反射光线进入检测器，从而保证测试结果的准确度。在进行反射率测量时，可以打开镜面反射侧翼，将镜面反射光线排除，从而只测量漫反射光线。在进行透射率测量时，将正对入射光束的窗口上的标准盖板取走，可以排除直接透射光线，从而只测量漫透射光线。吸光度中心样品架附件；使用积分球测量吸收光谱使用中心样品架，将待测样品放置在积分球的中心位置，可以直接测量样品的吸光度。光伏电池的测量光伏电池是将光能转换为电能的半导体器件，第一阶段是吸收有效光谱范围内的光线。为了增加光电转换效率，需要对硅片表面进行处理，以增加光伏电池的吸光度。测量光伏电池的反射率、透过率和吸光度，可以评价其处理方式的效果。未处理的硅晶片、经过织构化处理的硅晶片、覆盖了抗反涂层的硅晶片以及光伏电池成品处理前和处理后硅晶片的透过率（左）和反射率（右）硅片的吸光度可通过如下公式获得：%吸光度=100%-%反射率-%透过率可见，经过处理的硅片吸光度更高，从而光能利用率更高。光伏电池的有效反射率是包含了AM1.5太阳辐射光谱权重的积分反射率，可以表示为：其中R(λ)是测量得到的百分比反射率，Sλ是太阳辐射光谱（以光子流表示）。有效反射率可以在光伏电池生产过程的任意环节进行测量，所得数值可以用于不同样品的相互比较。光伏电池对不同角度光线的透射率和反射率非常重要，后续文章会介绍相应分析方法，敬请期待。更多详情，请扫描二维码下载完整应用报告。