盡管鈣鈦礦太陽能電池被稱為新一代電池技術,但目前需要解決的重大挑戰不僅是其轉化效率和固有的不穩定性,還有難以大規模生產的問題。
在11月25日發表在《焦耳》雜志上的一項新研究中,斯坦福大學的研究者展示了一種超快的方法來生產穩定的鈣鈦礦電池,通過快速噴涂等離子體處理生產的鈣鈦礦光伏電池,斯坦福大學教授Reinhold Dauskardt的新制造方法讓鈣鈦礦模電池生產速度比傳統方法快了四倍。
- 指甲大小的樣本
鈣鈦礦太陽能電池是由廉價、豐富的化學物質(如碘,碳和鉛)制成的合成晶體薄膜。薄膜電池重量輕,可彎曲,可以在露天實驗室中和在接近水沸點的溫度下生長,與精煉工業硅所需的3,000華氏度(1,650攝氏度)熔爐相去甚遠。
科學家已開發出25%轉化效率的鈣鈦礦電池,足以與硅媲美。但是這些實驗電池最大的問題是“它們通常只是小指指甲的那么大,一旦嘗試制造更大的電池就會產生缺陷和針孔,從而大大降低電池效率。”此外與持續20到30年的晶硅電池不同,薄膜鈣鈦礦在受熱和受潮時最終會降解。
科學家可以在實驗室中制造一個小型演示設備。但是傳統的鈣鈦礦加工方法無法實現快速、高效的生產。
- 產業化突破:超快、效率、穩定
為了應對大規模生產的挑戰,斯坦福大學Reinhold Dauskardt團隊采用了他們最近發明的一項專利技術:快速噴涂等離子體處理。
該機器人設備以每分鐘40英尺(12米)的速度生產鈣鈦礦太陽能電池,處理器使用兩個噴嘴制作鈣鈦礦光伏薄膜。一個噴嘴將化學溶液噴涂到一塊玻璃板上,而另一個噴嘴釋放出高反應性的離子化氣體或等離子體。
“常規處理需要將鈣鈦礦溶液烘烤大約半小時,該創新在于使用等離子體高能源,一步將液態鈣鈦礦快速轉化為薄膜太陽能電池,”研究人員表示,“每分鐘生產40英尺(12米)鈣鈦礦薄膜,比制造硅電池快約四倍,這是所有太陽能技術中最高的產能,您可以想象將大塊玻璃板放在輥子上,并以前所未有的速度連續生產鈣鈦礦層。”
僅是實驗室超快還不夠,生產過程需要能廣泛實用。在研究人員看來,等離子處理系統可以以非常合理的成本在商業上購買。斯坦福大學的研究小組估計,他們的鈣鈦礦組件制造成本約為每平方英尺25美分,遠遠低于生產典型晶硅組件所需的每平方英尺約2.50美元。
除了創紀錄的生產率,新鑄造的鈣鈦礦電池還實現了18%的功率轉換效率。鈣鈦礦制造商最終將必須提供穩定、高效的電池才能在商業上可行。為此,斯坦福團隊制造的鈣鈦礦電池,在戶外擱置了五個月,仍能以15.5%的效率運行。
傳統的晶硅光伏發電的成本約為每千瓦時5美分。為了與晶硅競爭,鈣鈦礦電池必須封裝在防潮層中,至少要防潮十年。研究團隊現在正在探索新的封裝技術和其他方法來顯著提高耐用性。
參加全球鈣鈦礦產業化論壇的專家普遍認為:鈣鈦礦太陽能技術正處于商業化與燒錢的十字路口,巨資風投給到了創業公司,接下來的三年中,如果不能取得電池壽命的突破,不能快速實現產業化,資本將開始枯竭。如果能制造出一種能持續30年的鈣鈦礦組件,鈣鈦礦技術能將電力成本降低到每千瓦時2美分以下,從而滿足公用事業規模的能源生產需要。