研发报告详细内容

斯坦福大学团队加快钙钛矿光伏模块制造

      材料来源:compoundsemiconductor

快速喷涂等离子体处理方法可以推动钙钛矿太阳能模块的商业化
 
虽然钙钛矿太阳能电池前景广阔,但在普遍应用之前,还有挑战需要解决,尤其是其固有的不稳定性,使得批量制造成为难题。
 
“钙钛矿太阳能技术正处于商业化与荒唐骗局之间的十字路口。数百万美元被投入到了创业公司中。”斯坦福大学博士后Nick Rolston说:“但是我坚信,在未来三年中,如果在延长电池寿命放方面没有突破,投资将开始枯竭。”
 
Rolston说,这就是斯坦福大学开发的新型钙钛矿制造工艺令人兴奋的原因。在11月25日《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生产稳定钙钛矿电池的方法,并将其组装成太阳能模块,可以为器件、建筑甚至电网供电。
 
研究资深作者Reinhold Dauskardt,Ruth G.和斯坦福大学工程学院教授William K. Bowes说,“这项工作是钙钛矿制造历程中的里程碑,解决了多年来阻碍模块批量制造的障碍。"
 
指甲大小的样本
 
科学家开发出钙钛矿电池,可将25%的阳光转化为电能,这种转换效率可与硅媲美。但是这些实验电池不太可能很快安装在屋顶上。
 
“在钙钛矿上所做的大部分工作都包含非常微小的,活跃且可用的太阳能电池区域,面积大约是小指指甲的一小部分。”Rolston说到,他与William Scheideler共同主持这项研究,William Scheideler是前斯坦福大学博士后,现就职于达特茅斯学院。
 
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发生降解。Dauskardt说:"你可以在实验室制作一个小型演示装置。但是传统的钙钛矿加工方法无法实现快速高效的生产。”
 
记录设置处理器
 
为了应对批量生产的挑战,Dauskardt团队采用了他们最新发明的专利技术——快速喷涂等离子体处理。
 
这项技术使用了一个具有两个喷嘴的机器人装置,可以快速制备钙钛矿薄膜。一个喷嘴将钙钛矿化学前体的液体溶液喷涂在玻璃板上,另一个喷嘴则释放出一股高反应性的离子化气体(等离子体)。
 
Rolston说:“传统的处理方法需要将钙钛矿溶液烘烤半小时左右。我们的创新之处在于利用等离子体高能源,将液态钙钛矿在一个步骤内快速转化为薄膜太阳电池。”
 
采用快速喷涂工艺,斯坦福大学团队每分钟能够生产40英尺(12m)的钙钛矿薄膜,比制造硅电池的速度快约4倍。
 
“我们实现了太阳能技术领域的最高生产量,” Rolston说。“您可以想象将大块玻璃板放在辊轴支架上,并以前所未有的速度连续生产钙钛矿层。”
 
除了破纪录的生产率,新铸造的钙钛矿电池还实现了18%的功率转换效率。
 
Rolston说:“我们希望使这一工艺是具有适用性并可以广泛应用的。等离子处理系统可能听起来有些花哨,但是这是可以以合理的价格在商业上购买到的物品。”
 
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。
 
太阳能模块
 
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。钙钛矿制造商将必须构建稳定高效的模块才能在商业上行得通。
 
为此,斯坦福团队成功地制造了钙钛矿模块,即使在被搁置5个月后仍然以15.5 %的效率运行。
 
传统硅模块的发电成本约为每千瓦时5美分。为了与硅竞争,钙钛矿模块必须封装在防天气影响的夹层中,该夹层至少可以防潮十年。目前,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。
 
Rolston 说:“如果能制造出一种可持续30年的钙钛矿模块,我们就可以将电力成本降低到每千瓦时2美分以下。按照这个价格,我们可以将钙钛矿用于公用设施规模的能源生产。例如,一个100兆瓦的太阳能农场。”
 
参考文献:
 
'Rapid Open-Air Fabrication of Perovskite Solar Modules'?'by Nicholas Rolston et al; Joule November 25, 2020
 
 
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