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      新型太陽(yáng)能能源——鈣鈦礦太陽(yáng)能電池

      發(fā)布時(shí)間:2021-11-26 來(lái)源:元祿光電

      清潔能源背景

      黨的十六大召開(kāi)以后,我國的未來(lái)發(fā)展目標是實(shí)現我國人民的小康生活水平,并且實(shí)現我國社會(huì )的可持續發(fā)展戰略。要想實(shí)現可持續發(fā)展這一目標,主要是對環(huán)境的保護問(wèn)題。我國的發(fā)展一直都是以犧牲自然環(huán)境和人們的生活環(huán)境為代價(jià)的??沙掷m發(fā)展主要是對現在常規能源的減少使用減輕他們對環(huán)境的影響,積極開(kāi)發(fā)新能源。開(kāi)發(fā)新能源成為了我們要保護環(huán)境的必須之路,所以我們必須提高我們利用新能源的科技水平。使用新能源的道路可能并不像我們想像的那么容易,但為了我們的子孫后代可以生活在良好的環(huán)境下,這是我們必須要做的事。

       

      清潔能源的準確定義應是:對能源清潔、高效、系統化應用的技術(shù)體系。對清潔能源的定義蘊含著(zhù)三層的意思。一,清潔能源不僅僅是對能源的一個(gè)簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的分類(lèi),而是指對能源的利用方面,它是一個(gè)技術(shù)體系。二,清潔能源不僅僅只強調它的清潔性,對環(huán)境的污染小,更重要的是它的經(jīng)濟性。三,清潔能源的清潔性必須是符合國家規定的排放標準

       

      目前我國主要的集中清潔能源包括:潔凈煤技術(shù)、核電、太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、地熱能、潮汐能、生物質(zhì)能。

       

      其中光伏太陽(yáng)能作為一種不可或缺的可再生能源技術(shù),被廣泛應用,2019年我國經(jīng)濟總量逼近100萬(wàn)億元大關(guān),光伏產(chǎn)業(yè)貢獻巨大,占新能源總貢獻約17%。截止20216月底,我國累計光伏并網(wǎng)容量為267.086GW,其中,集中式光伏電站180.032GW,分布式光伏電站87.054GW。目前主流的光伏太陽(yáng)能電池為晶硅電池、碲化鎘電池、砷化鎵電池等,根據科研人員統計,目前主流的電池,從生產(chǎn)到商業(yè)化產(chǎn)生清潔能源,需要三年回收整個(gè)電池生產(chǎn)過(guò)程中消耗的能源成本,為進(jìn)一步環(huán)節清潔能源問(wèn)題,新型的鈣鈦礦電池應用而生,據統計鈣鈦礦電池從原材料生產(chǎn)到商業(yè)化產(chǎn)生清潔能源所消耗的能源成本回收僅需六個(gè)月;根據科研人員的統計,從能源成本考慮,鈣鈦礦電池15%的轉換效率即可比擬晶硅電池20%的轉換效率。低成本、高轉換率的新型鈣鈦礦電池技術(shù)發(fā)展勢在必行。另一方面,鈣鈦礦電池是具備中國完全獨立自主的知識產(chǎn)權的背景,為鈣鈦礦電池的推行具備了政策性?xún)?yōu)勢。

       

      什么是鈣鈦礦電池

      鈣鈦礦是以俄羅斯地質(zhì)學(xué)家列夫 · 佩羅夫斯基 ( Lev Perovski )的名字命名的,其結構通常有簡(jiǎn)單鈣鈦礦結構、雙鈣鈦礦結構和層狀鈣鈦礦結構。簡(jiǎn)單鈣鈦礦化合物的化學(xué)通式是,其中X通常為半徑較小的或,雙鈣鈦礦結構( Double-Perovskite) 具有 組成通式,層狀鈣鈦礦結構組成較復雜, 研究較多的是具有通式以及具有超導性質(zhì)的和三方層狀鈣鈦等。研究最多的是組成為的鈣鈦礦結構類(lèi)型化合物。

       

      鈣鈦礦是指一類(lèi)陶瓷氧化物,其分子通式為ABO3 ;此類(lèi)氧化物最早被發(fā)現,是存在于鈣鈦礦石中的鈦酸鈣(CaTiO3)化合物,因此而得名  。由于此類(lèi)化合物結構上有許多特性,在凝聚態(tài)物理方面應用及研究甚廣,所以物理學(xué)家與化學(xué)家常以其分子公式中各化合物的比例(1:1:3)來(lái)簡(jiǎn)稱(chēng)之,因此又名“113結構。呈立方體晶形。在立方體晶體常具平行晶棱的條紋,系高溫變體轉變?yōu)榈蜏刈凅w時(shí)產(chǎn)生聚片雙晶的結果。

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      鈣鈦礦電池結構

      目前主流的鈣鈦礦電池結構主要包括介孔鈣鈦礦電池以及平面式鈣鈦礦電池,未來(lái)的方向是疊層鈣鈦礦電池(鈣鈦礦-鈣鈦礦疊層/鈣鈦礦-硅基疊層技術(shù))。

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      鈣鈦礦電池優(yōu)缺點(diǎn)

      優(yōu)點(diǎn):

      鈣鈦礦電池具備廉價(jià)的材料成本、低能耗、工藝制程簡(jiǎn)易,超高轉換率的優(yōu)勢。

      該研究的領(lǐng)導者、賓夕法尼亞大學(xué)能源創(chuàng )新研究中心聯(lián)合主任安德魯˙阿姆表示,以新式鈣鈦礦為原料制造的太陽(yáng)能電池能將大約一半的太陽(yáng)光直接轉化為電力,為目前硅晶電池的2倍,因此,只需一半太陽(yáng)能電池就可提供同樣的電力,這將大大減少安裝成本,從而讓總成本顯著(zhù)降低。目前,德國海姆霍茲柏林材料所(HZB)開(kāi)發(fā)出29.1%效率的鈣鈦礦-硅層疊鈣鈦礦電池。鈣鈦礦電池領(lǐng)域光電轉化率前景巨大,可創(chuàng )造的商業(yè)空間、能源空間前景廣闊。

      缺點(diǎn):穩定性較差,主要體現在三個(gè)方面,一是水的穩定性、二是溫度穩定性、三是離子移動(dòng)相關(guān)穩定性,從而影響電池的壽命;另一方面的缺點(diǎn)在于材料含鉛,具有一定的毒性,不過(guò)相比較于含砷、鎵、碲、鎘材料的毒性就小很多。

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      鈣鈦礦電池與傳統太陽(yáng)能電池對比

      鈣鈦礦電池目前制約條件

      鈣鈦礦電池的優(yōu)點(diǎn)是高轉換率,缺點(diǎn)是穩定性差,如何來(lái)通過(guò)材料等各方面技術(shù)提升來(lái)提高穩定性問(wèn)題需要科學(xué)人員進(jìn)一步探索,那么另外一點(diǎn),也可以通過(guò)封裝技術(shù)來(lái)提高電池的使用壽命。

      我們都知道晶硅太陽(yáng)能電池的穩定性上也是受到不少的詬病,目前市場(chǎng)上通過(guò)五層玻璃進(jìn)行加固封裝來(lái)提升電池的壽命,那么同樣可以在封裝方向上通過(guò)技術(shù)手段進(jìn)行封裝來(lái)延緩電池的壽命問(wèn)題。

      第二點(diǎn)是鈣鈦礦電池的制程問(wèn)題,目前制約條件是如何確保印刷或真空鍍膜或旋涂過(guò)程中保證大尺寸的鈣鈦礦電池制作,并能有效保證材料的一致性問(wèn)題以及如何封裝問(wèn)題需要進(jìn)一步尋找可靠的解決方案。

      激光在鈣鈦礦電池領(lǐng)域的應用

      主要體現在三個(gè)方面,一是刻蝕劃線(xiàn)、二是鈣鈦礦電池燒結、三是鈣鈦礦電池封裝。

      刻蝕劃線(xiàn):主要是應對導電層、鈣鈦礦層、電極層刻蝕、劃線(xiàn)以及清邊處理;

      燒結:利用激光技術(shù)對鈣鈦礦電池表面進(jìn)行燒結,從而提高電池的壽命及穩定性問(wèn)題;

      封裝:通過(guò)激光焊接技術(shù)對玻璃進(jìn)行焊接,提高電池的壽命問(wèn)題。

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      鈣鈦礦電池應用前景

      鈣鈦礦電池具備的低成本、高光電轉換率為商業(yè)應用開(kāi)辟了新的應用空間,未來(lái)光伏太陽(yáng)能領(lǐng)域的領(lǐng)導者,與傳統晶硅電池相比,6個(gè)月內回收能源成本,為未來(lái)的商業(yè)化應用創(chuàng )造了巨大的利潤空間,超高轉換率為更多信息應用開(kāi)辟了新思路,輕便化產(chǎn)品讓鈣鈦礦電池貼近民生生活領(lǐng)域,商機無(wú)限。

      鈣鈦礦電池應用主要體現在幾個(gè)方面:

      1.傳統光伏電站領(lǐng)域,與傳統硅晶電池相比,轉換率高,成本低,相同面積下的電池創(chuàng )造更高的經(jīng)濟價(jià)值;

      2.可攜帶產(chǎn)品領(lǐng)域,鈣鈦礦電池光電轉換效率高,可在柔性PET/PNT等基材上制成電池模組,為可穿戴產(chǎn)品、移動(dòng)端、背包等可移動(dòng)式充電提供了堅實(shí)的基礎,貼近民生生活領(lǐng)域創(chuàng )造了廣泛的商業(yè)機會(huì );

      3.汽車(chē)領(lǐng)域,新型汽車(chē)調光玻璃已投放市場(chǎng),新能源汽車(chē)也早已走向千萬(wàn)家,新型的鈣鈦礦電池薄膜電池汽車(chē)也將會(huì )成為下一個(gè)風(fēng)口;

      4.外太空領(lǐng)域,人類(lèi)探索宇宙的步伐正在亦步亦趨的穩步前行,新型鈣鈦礦電池已在外太空測試過(guò)太陽(yáng)輻射造成的影響并已通過(guò)驗證,高轉換率低成本將會(huì )成為探索太空領(lǐng)域的寵兒;

      5.建筑領(lǐng)域,科技狂人馬斯克的solarcity已開(kāi)辟先驅?zhuān)瑸榻ㄖ袠I(yè)開(kāi)辟了新的光伏應用戰場(chǎng),高轉換率低成本的鈣鈦礦電池必將擁有一席之地;

      5.其他更包括了室內傳感器、醫療、飛機制造等更多領(lǐng)域開(kāi)創(chuàng )商機,未來(lái)的鈣鈦礦電池商機無(wú)限。

      鈣鈦礦電池現狀

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      目前各大研究所及企業(yè)均已紛紛進(jìn)入,已開(kāi)始小批量試制進(jìn)入市場(chǎng),如英國Oxford Photovoltaics、瑞士Solaronix、澳大利亞Dyesol、以色列3G solar、德國巴斯夫BASF、日本索尼等等,國內包括華為、寧德時(shí)代、比亞迪、長(cháng)城汽車(chē)、協(xié)鑫光電等等。整體的行業(yè)有國內企業(yè)公布的光電轉換率高達25%,目前整體上均處在賽道上,誰(shuí)家取得先機,誰(shuí)將成為市場(chǎng)的引導者,未來(lái)可期!

       

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