可作为窗户和墙壁的钙钛矿太阳能电池

5月前

太阳能电池高效、半透明的光伏面板可在5年内上市。

2023年8月，松下控股公司（传奇的松下公司重组版本）开始测试和演示其钙钛矿光伏材料的原型版本。该原型是半透明的玻璃栏杆式光伏面板，安装在东京附近一栋样板房的阳台上，每块高近1米、宽4米。以这种材料为基础，松下控股公司计划全面进入建筑集成光伏（BIPV）行业。

松下控股公司应用材料与技术中心的总经理金子幸宏（Yukihiro Kaneko）表示，将钙钛矿夹在玻璃之间，既可以作为建筑物的实际外立面和墙壁，同时还可以发电，为现场供电或将电力输出到电网。他补充说，该公司可以根据客户的需求，在制造过程中改变材料的透明度，可作为窗户使用。

“钙钛矿的透明度由带隙值的差异来决定。”沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的工程教授斯特凡•德沃尔夫（Stefaan De Wolf）说，“一般厚度（100微米至150微米）的硅可吸收1.2电子伏特（eV）的所有可见光子。钙钛矿的带隙一般至少为1.5eV，允许光谱的红色部分透射。此外，钙钛矿还可以印刷成图案，可以作为（颜色管理的）中性密度滤光片。”

钙钛矿指的是属于同一族的化合物，其中有些化合物在太阳能电池中表现良好。因为它们的结构与1839年在俄罗斯发现的一种名为钙钛矿的矿物质相似，所以被称为钙钛矿。松下与日本的新能源和工业技术开发组织合作开发了自己的材料。2020年，该公司的大尺寸钙钛矿光伏面板的转换效率达到了创纪录的水平：16.09%到17.9%之间。

目前太阳能电池板常用的材料是硅，不过，钙钛矿具备制造方法简单、生产成本低、设计能力灵活、能量转换效率潜力高等优点，而且其化学成分可减少稀土金属的需求。不过它也有一些缺点，尤其是暴露在高温、潮湿或雪中时可能会碎裂，而这正是松下控股公司的BIPV产品时常面临的环境条件。

为了克服这一弱点，该公司使用了两种方法来保护其BIPV设备免受天气影响。

“在材料方面，通过在钙钛矿中掺杂铯和铷等特定原子，我们开发出一种坚固的材料。”金子幸宏说。取得这一进展以及实现20.8%能源转换效率的研究成果发表在2019年1月11日出版的《先进材料》杂志上。

“除了实现较高的热稳定性，建筑玻璃是完全密封的，能够保护钙钛矿免受湿度和空气的影响。”金子幸宏补充道，“双层玻璃还使得光伏板具有刚性。”

金子幸宏说，松下控股公司正在从潜在客户处获得有关栏杆原型光伏板的反馈，并要求测试不同尺寸的光伏面板。他说，从4月开始，该公司将启动一条1米×1.8米的光伏面板示范生产线，同时可能会根据公司正在进行的测试所获得的反馈，对材料和设计进行升级。

金子幸宏说，公司的战略是避免与中国的硅光伏板和钙钛矿光伏板制造商直接竞争，因为在以低成本生产标准尺寸的光伏板方面，中国无可匹敌。“在BIPV行业，不同的建筑需要不同尺寸的窗户和墙壁。”金子说，“我们灵活的喷涂生产方法可以定制太阳能板，来满足这类要求。”

阿卜杜拉国王科技大学的教授德沃尔夫说：“BIPV是一个有吸引力的市场，总体上说，可以成为钙钛矿技术和一般光伏技术的一个有意义的切入点。这些技术还可以用来阻挡热量进入建筑物，从而减少对空调的需求。”

金子幸宏表示，松下控股公司计划在5年内将其BIPV产品商业化，届时，该公司预计其商业钙钛矿太阳能电池的能量转换效率将接近20%。

作者：John Boyd

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来源：IEEE电气电子工程师学会

可作为窗户和墙壁的钙钛矿太阳能电池

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