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钙钛矿太阳电池:一种建筑新材料

2022年09月21日  中国建材报

随着大气中温室气体含量的大幅上升,近年来世界各地极端天气气候事件频发。今年夏天,我国多地即出现了气温持续高于44℃的极端情况,实现“双碳”目标的紧迫性日渐凸显。

根据中国建筑节能协会发布的《中国建筑能耗研究报告(2020)》所述,2018年全国建筑全过程能耗总量占全国能源消费总量比重为46.5% ,而建筑运行阶段能耗占全国能源消费总量的比重为21.7%。在不影响建筑物使用过程舒适性的前提下,减少建筑物运行能耗是建材行业在“双碳”目标实施过程中需要积极面对的主要问题之一。

光伏建筑一体化能够将光伏与建筑有机地结合成一个整体,通过主动产能的方式,在不改变建筑物主体功能的前提下,以产能的方式降低建筑物的能耗。这一概念已经提出了很长时间,随着一种新型钙钛矿太阳电池的出现,光伏建筑一体化的大规模实施迎来了新的契机。

什么是钙钛矿太阳电池?

最早在2009年,日本桐荫横滨大学的宫坂力(Tsutomu Miyasaka)教授将具有钙钛矿晶体结构的CH₃NH₃PbI₃和CH₃NH₃PbBr₃材料用作染料敏化太阳电池中的光吸收剂,取得了光电转化效率为3.8%的结果。到了2013年左右,各国科学家们发现,如果不使用染料敏化太阳电池的器件结构,而是使用薄膜太阳电池的层状结构,能够更加充分发挥此类材料的特点,实现高光电转化效率和稳定性。随后,更多具有类似结构的材料也被发掘出来。如图所示,他们具有几个共同点:化学式为ABX₃,晶体结构为钙钛矿晶体结构。

迄今为止,能够用于钙钛矿太阳电池的钙钛矿材料已经有数十种,而钙钛矿太阳电池的名称也由此而来:一类使用具有钙钛矿晶体结构的ABX₃型卤化物材料作为吸收层的太阳电池的总称。目前,钙钛矿太阳电池的光电转化效率记录为25.7%(器件面积:0.095c㎡),与主流晶硅太阳电池的差别已极小。

与建筑结合的多种形式

将光伏产品与建筑结合,有如下几种形式:一是在屋顶安装光伏产品,二是使用光伏产品取代墙面装饰,三是使用光伏产品取代现有窗户或幕墙。这三种使用场景各有特殊性,对光伏产品也因此提出了相应的需求。

屋顶电站:建筑物的屋顶面积有限且安装和使用成本较高,为了增加发电收益,发电功率大的光伏产品是最佳选择。根据光伏行业经典的肖克利-奎瑟尔理论可知,单节太阳电池的光电转化效率极限大约为33%,而叠层太阳电池可以突破这一限制,实现更高的光电转化效率。钙钛矿材料由于带隙可调整范围大,因此可以与晶硅、CIGS和CdTe等传统光伏材料进行搭配,制备出高光电转化效率的叠层太阳电池。目前晶硅/钙钛矿叠层太阳电池的光电转化效率记录为31.3%(器件面积:1.167c㎡)。此外,钙钛矿/钙钛矿叠层太阳电池也取得了很好的成绩,目前该类叠层太阳电池世界纪录为28%(器件面积:0.0495c㎡)。在屋顶电站方面,钙钛矿太阳电池展示了其优势。

建筑外墙:外墙在满足建筑物基本安全要求的同时也承担着美观的作用。立面阳光强度易受地理环境和季节气候等影响较大,发电量一般较小。加装光伏产品时更多需要与现有外墙风格保持一致且造价低廉。钙钛矿太阳电池制程相对简单且颜色可调,能够在玻璃、聚合物和钢铁乃至瓷砖等多种常见建材上制成具有多种颜色的太阳电池,能够与现有建材实现有机整合,在不大幅改变建筑物外观和成本的前提下实现建筑与光伏的有机整合。

窗户与幕墙:窗户与幕墙在建筑物中主要的功能是采光,根据相关国标和地方标准,用于窗户和具有采光功能的幕墙玻璃需要在可见光范围内平均透过率>40%,一些对采光要求较高的部位甚至要求平均透过率>60%(《公共建筑节能设计标准》GB 50189—2015)。传统光伏产品的带隙一般在1.0~1.4eV之间,完全吸收所有可见光。为了保障采光,一般是通过划刻等方法实现“透光”,其使用体验类似纱窗和蜂窝状葡萄干晾房。钙钛矿材料通过对其带隙调控能够选择性地对某些特定波段的光进行吸收利用。这一特点是大多数传统光伏产品所不具备的。因此,可以将较宽带隙的钙钛矿材料沉积在玻璃上形成光伏发电层,利用宽带隙材料仅仅吸收利用蓝紫波段太阳光的特点,满足采光需求的同时实现光伏发电目的,提升使用的舒适性。

大量基础问题已得到解决

一般而言,建筑材料需要能够在户外条件下稳定使用数十年之久。在建筑领域使用的钙钛矿太阳电池也需要满足这一基本要求。钙钛矿太阳电池诞生之初的使用寿命仅为数分钟。经过多年研究,影响其使用寿命的主因已经基本了解:一般认为水或者水蒸气、氧、钙钛矿材料中的离子迁移和相变是钙钛矿材料发生损毁的主因。基于此种理解,已经有多个实验室报道了他们的钙钛矿太阳电池能在光照、高温和高湿等条件下长时间稳定工作。我国上海交通大学和华中科技大学的研究团队先后报道了光照条件下5000小时和13000小时以上长时间稳定工作的钙钛矿太阳电池技术。当然,目前所报道的稳定性结果与建筑物所要求的数十年稳定工作仍有一定差距,但是过去十年的技术进步也证明了钙钛矿太阳电池的稳定性并非无解。

过去的十年是钙钛矿太阳电池飞速发展的十年,大量的基础问题已经得到了很好的解决。这些已解决的基础问题中,我国科学家作出了大量卓越的贡献。在产业化技术方面,我国企业也不遑多让:纤纳光电、协鑫纳米、仁烁光能、极电光能、万度光能和曜能科技等诸多家企业已经发布了其钙钛矿太阳电池产品或者其产业化路线图。

随着“双碳”目标的推进,建筑行业也需要面对“零”碳建筑的需求,成熟的钙钛矿太阳电池解决方案将会为建筑行业降低运行能耗提供一种崭新的建筑新材料。