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斯坦福大学团队加快钙钛矿光伏模块制造

材料来源：compoundsemiconductor

快速喷涂等离子体处理方法可以推动钙钛矿太阳能模块的商业化

虽然钙钛矿太阳能电池前景广阔，但在普遍应用之前，还有挑战需要解决，尤其是其固有的不稳定性，使得批量制造成为难题。

“钙钛矿太阳能技术正处于商业化与荒唐骗局之间的十字路口。数百万美元被投入到了创业公司中。”斯坦福大学博士后Nick Rolston说：“但是我坚信，在未来三年中，如果在延长电池寿命放方面没有突破，投资将开始枯竭。”

Rolston说，这就是斯坦福大学开发的新型钙钛矿制造工艺令人兴奋的原因。在11月25日《焦耳》杂志上的一项新研究中，他和他的同事展示了一种超快的生产稳定钙钛矿电池的方法，并将其组装成太阳能模块，可以为器件、建筑甚至电网供电。

研究资深作者Reinhold Dauskardt，Ruth G.和斯坦福大学工程学院教授William K. Bowes说，“这项工作是钙钛矿制造历程中的里程碑，解决了多年来阻碍模块批量制造的障碍。"

指甲大小的样本

科学家开发出钙钛矿电池，可将25％的阳光转化为电能，这种转换效率可与硅媲美。但是这些实验电池不太可能很快安装在屋顶上。

“在钙钛矿上所做的大部分工作都包含非常微小的，活跃且可用的太阳能电池区域，面积大约是小指指甲的一小部分。”Rolston说到，他与William Scheideler共同主持这项研究，William Scheideler是前斯坦福大学博士后，现就职于达特茅斯学院。

尝试制造更大的电池会产生缺陷和针孔，从而大大降低电池效率。与持续20到30年的刚性硅电池不同，薄膜钙钛矿在受热和受潮时最终会发生降解。Dauskardt说："你可以在实验室制作一个小型演示装置。但是传统的钙钛矿加工方法无法实现快速高效的生产。”

记录设置处理器

为了应对批量生产的挑战，Dauskardt团队采用了他们最新发明的专利技术——快速喷涂等离子体处理。

这项技术使用了一个具有两个喷嘴的机器人装置，可以快速制备钙钛矿薄膜。一个喷嘴将钙钛矿化学前体的液体溶液喷涂在玻璃板上，另一个喷嘴则释放出一股高反应性的离子化气体(等离子体)。

Rolston说：“传统的处理方法需要将钙钛矿溶液烘烤半小时左右。我们的创新之处在于利用等离子体高能源，将液态钙钛矿在一个步骤内快速转化为薄膜太阳电池。”

采用快速喷涂工艺，斯坦福大学团队每分钟能够生产40英尺（12m）的钙钛矿薄膜，比制造硅电池的速度快约4倍。

“我们实现了太阳能技术领域的最高生产量，” Rolston说。“您可以想象将大块玻璃板放在辊轴支架上，并以前所未有的速度连续生产钙钛矿层。”

除了破纪录的生产率，新铸造的钙钛矿电池还实现了18％的功率转换效率。

Rolston说：“我们希望使这一工艺是具有适用性并可以广泛应用的。等离子处理系统可能听起来有些花哨，但是这是可以以合理的价格在商业上购买到的物品。”

斯坦福大学的研究小组估计，他们的钙钛矿模块的制造成本约为每平方英尺25美分，远远低于生产典型硅模块所需的每平方英尺2.50美元左右。

太阳能模块

硅太阳能电池通常在封装模块中连接在一起，以提高其功率输出并承受恶劣的天气条件。钙钛矿制造商将必须构建稳定高效的模块才能在商业上行得通。

为此，斯坦福团队成功地制造了钙钛矿模块，即使在被搁置5个月后仍然以15.5 %的效率运行。

传统硅模块的发电成本约为每千瓦时5美分。为了与硅竞争，钙钛矿模块必须封装在防天气影响的夹层中，该夹层至少可以防潮十年。目前，研究团队现在正在探索新的封装技术和其他方法来显着提高耐用性。

Rolston 说：“如果能制造出一种可持续30年的钙钛矿模块，我们就可以将电力成本降低到每千瓦时2美分以下。按照这个价格，我们可以将钙钛矿用于公用设施规模的能源生产。例如，一个100兆瓦的太阳能农场。”

参考文献：

'Rapid Open-Air Fabrication of Perovskite Solar Modules'?'by Nicholas Rolston et al; Joule November 25, 2020

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