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钙钛矿太阳能电池商业化挑战综述

期刊:ScienceDOI:10.1126/science.aat8235

本文档属于类型b,即一篇科学论文,但不是单一原创研究的报告,而是一篇综述文章。以下是对该文档的学术报告:

作者与发表信息

本文由Yaoguang Rong、Yue Hu、Anyi Mei、Hairen Tan、Makhsud I. Saidaminov、Sang Il Seok、Michael D. McGehee、Edward H. Sargent和Hongwei Han共同撰写,分别来自中国、加拿大、韩国和美国的多个研究机构。文章于2018年9月21日发表在《Science》期刊上,题为“Challenges for Commercializing Perovskite Solar Cells”。

主题与背景

本文综述了钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cells, PSCs)在商业化过程中面临的主要挑战。钙钛矿太阳能电池因其高效率、低成本和简单的溶液加工工艺而备受关注。自2009年首次报道以来,PSCs的实验室效率已从3.8%提升至23.3%,接近商业化的多晶硅太阳能电池。然而,PSCs的稳定性和大规模生产问题仍是其商业化的主要障碍。本文旨在总结PSCs的最新进展,并讨论其商业化路径中仍需解决的挑战。

主要观点与论据

1. 钙钛矿太阳能电池的器件结构与性能

PSCs的器件结构包括介观结构(mesoscopic)、平面结构(planar)和可打印的三重介观结构(printable triple mesoscopic)。这些结构在小面积器件(约0.1 cm²)中表现出高效率。此外,PSCs作为顶部电池与现有成熟光伏技术(如硅、铜铟镓硒)结合,构建串联太阳能电池,有望突破单结器件的Shockley-Queisser极限。

支持证据:文中引用了多项研究,展示了不同结构的PSCs在实验室中的效率提升。例如,介观结构的PSCs通过优化电荷传输层和钙钛矿吸收层,实现了高效率和高稳定性。

2. 钙钛矿太阳能电池的稳定性

PSCs的稳定性问题主要源于电荷传输材料的化学活性和界面降解。例如,广泛使用的TiO₂基电子传输层在紫外光照射下会发生光催化降解。通过使用UV稳定的材料(如BaSnO₃)或插入界面修饰层(如CsBr、Sb₂S₃),可以显著提高PSCs的稳定性。

支持证据:文中引用了多项研究,展示了通过材料替换和界面修饰提高PSCs稳定性的实验结果。例如,三重介观结构的PSCs在未过滤的氙灯照射下,经过1000小时测试后表现出可忽略的性能损失。

3. 钙钛矿太阳能电池的规模化生产

PSCs的规模化生产已取得显著进展,多家光伏公司已开始生产大面积PSCs模块。例如,Wondersolar公司推出了110平方米的钙钛矿光伏系统,使用可打印的三重介观PSCs模块。然而,大规模生产中仍面临均匀性、结晶控制和材料利用率等问题。

支持证据:文中列举了多家公司在PSCs规模化生产中的进展。例如,Microquanta Semiconductor公司开发了17.8 cm²的刚性钙钛矿微型模块,效率达到17.4%。

4. 钙钛矿太阳能电池的环境影响与回收

PSCs中的铅含量引发了毒性担忧。尽管PSCs中的铅含量低于煤炭发电产生的铅排放,但其在水中的溶解度较高,可能更容易通过生物地球化学循环传播。因此,开发无铅PSCs或回收铅的方法至关重要。

支持证据:文中引用了多项研究,讨论了PSCs中铅的毒性问题及其回收方法。例如,通过使用粘性胶带和有机溶剂浸泡,可以从钙钛矿太阳能板中回收PbI₂。

5. 钙钛矿太阳能电池的可靠性测试

PSCs的可靠性测试需要遵循国际标准(如IEC 61215和IEC 61646)。目前,PSCs在热循环、光诱导降解和部分阴影应力测试中表现出一定的稳定性,但仍需进一步改进以满足商业化要求。

支持证据:文中引用了多项研究,展示了PSCs在不同测试条件下的性能表现。例如,PSCs在200次-40°C至85°C的热循环测试中表现出良好的稳定性。

意义与价值

本文全面总结了钙钛矿太阳能电池在商业化过程中面临的主要挑战,并提出了相应的解决方案。通过优化器件结构、提高稳定性、推动规模化生产和解决环境影响问题,PSCs有望在未来成为商业化光伏技术的重要候选者。本文为PSCs的研究和开发提供了重要的参考和指导,具有重要的科学价值和应用前景。

亮点

本文的亮点在于其全面性和前瞻性。它不仅总结了PSCs的最新研究进展,还深入探讨了其商业化路径中的关键问题,并提出了具体的解决方案。此外,本文还引用了大量实验数据和研究成果,为读者提供了丰富的参考资料。

其他有价值的内容

本文还讨论了PSCs在串联太阳能电池中的应用潜力,以及其在提高光伏系统效率方面的优势。此外,本文还强调了标准化测试协议的重要性,呼吁PSCs研究社区开发并遵循统一的测试标准,以加速PSCs的商业化进程。

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