日本的NEDO和松下为最大面积的钙钛矿太阳能电池组件实现全球最高的16.09%转换效率

– 此效率有助于在以往难以安装的地方实现高效太阳能电池发电 –

日本川崎和日本大阪–(美国商业资讯)–通过开发采用玻璃基板的轻型技术及基于喷墨打印的大面积涂覆方法,松下公司(Panasonic Corporation)已实现全球最高的钙钛矿太阳能组件(孔径面积802 cm2:长30 cm x宽30 cm x 2 mm厚)能量转换效率(16.09%)。这是作为日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)的项目的一部分实现的,而NEDO正致力于“开发技术来降低高性能和高可靠性光伏发电的发电成本”,以促进太阳能发电的广泛普及。

这种可以覆盖大面积的、基于喷墨的涂覆方法能降低组件的制造成本。此外,这种大面积、轻量型、高转换效率的组件可以在立面等难以安装传统太阳能板的位置实现高效的太阳能发电。

展望未来,NEDO和松下将继续改进钙钛矿层材料,以实现媲美晶体硅太阳能电池的高效率,并构建在新市场中实际应用的技术。

1. 背景

全球应用最广泛的晶体硅太阳能电池已在日本的兆瓦级大型太阳能、住宅、工厂和公共设施等领域发现市场。为进一步打入这些市场并获得新市场,打造更轻、更大的太阳能组件至关重要。

钙钛矿太阳能电池*1具有结构优势,因为其包含发电层在内的厚度仅为晶体硅太阳能电池的百分之一,因此钙钛矿组件的重量能够比晶体硅组件轻。轻盈的特性使各种安装方式得成为可能,例如通过使用透明导电电极安装在立面和窗户上,这种方式可助力净零能耗建筑(ZEB*2)的广泛普及。此外,由于每一层都可以直接涂覆在基板上,与传统的工艺技术相比,它们可以实现更便宜的生产。这正是钙钛矿太阳能电池作为下一代太阳能电池而受到关注的原因。

另一方面,尽管钙钛矿技术实现了与晶体硅太阳能电池相当的25.2%*3的能量转换效率,但是在小型电池中,通过传统技术很难在整个大面积上均匀地点胶材料。因此,能量转换效率往往下降。

在此背景下,NEDO正开展“技术开发来降低高性能和高可靠性光伏发电的发电成本”*4项目,以促进太阳能发电的进一步普及。作为该项目的一部分,松下开发了采用玻璃基板的轻型技术及基于喷墨法的大面积涂覆方法,该方法包括将油墨生产和调整应用于钙钛矿太阳能电池组件的基板。通过这些技术,松下已为钙钛矿型太阳能电池组件(孔径面积802 cm2:长30 cm x宽30 cm x宽2 mm)实现了全球最高的16.09%*5的能量转换效率。

此外,在制造过程中采用喷墨法的大面积涂敷法也有助于降低成本,而且该组件的大面积、轻量化、高转换效率特性可实现在立面等传统的太阳能电池板难以安装的场所中进行高效太阳能发电。

通过改进钙钛矿层材料,松下的目标旨在实现与晶体硅太阳能电池相当的高效率,并创建在新市场中实际应用的技术。

2. 成果

通过聚焦能够精确、均匀地涂覆原材料的喷墨涂覆法,松下将该技术应用于太阳能电池的每一层,包括玻璃基板上的钙钛矿层,并实现了大面积组件的高能量转换效率。

[技术开发要点]

(1) 改进钙钛矿前体的组分,适用于喷墨涂覆

在形成钙钛矿晶体的原子团中,甲胺在组件生产过程中的加热过程中出现热稳定性问题(甲胺由于受热而从钙钛矿晶体中被去除,进而破坏晶体的某些部分)。通过将甲胺的某些部分转变为具有适当原子直径大小的甲脒氢、铯、铷,他们发现该方法对于晶体稳定是有效的,且有助于提高能量转换效率。

(2) 控制钙钛矿油墨的浓度、涂覆量和涂覆速度

在利用喷墨涂覆法的薄膜形成工艺中,图案涂覆具有灵活性,同时材料的点图案形成和每层表面上的结晶均匀性不可或缺。为满足这些要求,通过将钙钛矿油墨的浓度调整到一定含量,并通过精确控制打印过程中的涂覆量和速度,他们实现了大面积组件的高能量转换效率。

通过在每层形成使用涂覆工艺来优化这些技术,松下成功地增强了晶体生长,并提高厚度和晶体层的均匀性。结果是,他们实现了16.09%的能量转换效率,并向实际应用迈进一步。

3. 事后计划

通过实现大面积钙钛矿组件的更低工艺成本和更轻的重量,NEDO和松下公司将计划开辟从未安装和采用太阳能电池的新市场。基于与钙钛矿太阳能电池相关的各种材料的开发,NEDO和松下的目标是实现与晶体硅太阳能电池相当的高效率,并加大力度将生产成本降至15日元/瓦。

这些结果已在筑波国际会议场(Tsukuba International Conference Center)举行的钙钛矿、有机光伏和光电电子亚太国际会议(IPEROP20)上发布。

URL:https://www.nanoge.org/IPEROP20/program/program

[注解]

*1 钙钛矿太阳能电池

一种太阳能电池,其光吸收层由钙钛矿晶体组成。

*2 净零能耗净建筑(ZEB)

ZEB(净零能耗建筑)是一种非住宅建筑,它通过安装能量负荷控制和高效系统来维持室内环境质量,并实现节能和可再生能源,最终旨在让年度能源基础收支差额变为零。

*3 能量转换效率25.2%

韩国化学技术研究院(KRICT)和麻省理工学院(MIT)已联合发布小面积电池的创世界纪录的能量转换效率。

最佳研究电池效能(修订版11-05-2019)- NREL

*4 开发技术以降低高性能、高可靠性光伏发电的发电成本

– 项目名称:降低高性能、高可靠性光伏发电的发电成本的技术开发/新型结构太阳能电池的创新研究/创新的低成本生产与研究

– 项目时间:2015-2019年(每年)

– 参考资料:NEDO于2018年6月18日发布的新闻稿“全球最大的基于膜的钙钛矿光伏组件”

https://www.nedo.go.jp/english/news/AA5en_100391.html

*5 能量转换效率16.09%

日本产业技术综合研究所(National Institute of Advanced Industrial Science and Technology)的MPPT方法(最大功率点跟踪方法:一种更接近实际使用中的转换效率的测量方法)测得的能效值。

关于松下

松下公司是一家致力于为消费电子产品、住宅、汽车及B2B业务的客户开发各种电子技术和解决方案的全球领军企业。松下于2018年庆祝其成立100周年,并已将业务扩张至全球,目前在全世界范围内共经营582家附属公司和87家联营公司。截至2019年3月31日,其合并净销售额达8.003万亿日元。松下致力于通过各部门的创新来追求新的价值,并努力运用公司的技术为客户创造更美好的生活、更美好的世界。如需了解有关松下的更多详情,敬请访问:https://www.panasonic.com/global。

关于NEDO

通过为技术开发活动提供资金,日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)在日本的经济和工业化政策中发挥重要作用。NEDO还充当创新加速器,以实现其解决能源和全球环境问题及提升工业技术的两项基本任务。

如需了解有关NEDO的更多信息:https://www.nedo.go.jp/english/introducing_index.html

来源:https://news.panasonic.com/global/press/data/2020/02/en200207-2/en200207-2.html

相关链接

日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)

https://www.nedo.go.jp/english/

松下研发概况

https://www.panasonic.com/global/corporate/technology-design/r-and-d.html

拥有相同尺寸产品中转换效率全球最高的钙钛矿组件(照片:美国商业资讯)

拥有相同尺寸产品中转换效率全球最高的钙钛矿组件(照片:美国商业资讯)

钙钛矿晶体(图示:美国商业资讯)

喷墨涂覆法示意图(图示:美国商业资讯)

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