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澳门新葡8455最新网站本科生李宗麒在叠层钙钛矿太阳能电池生产成本方面的研究取得新进展

  近日,澳门新葡8455最新网站本科生李宗麒,在陈棋教授的引导下,详细地分析了两种叠层钙钛矿太阳能电池的生产成本,通过预测平准化度电成本(Levelized cost of electricity, LCOE),详细探讨了叠层太阳能电池技术路线对于钙钛矿光伏产业化的重要意义,并预言了钙钛矿太阳能电池未来发展的可能技术走向。相关研究成果以题为,“Cost Analysis of Perovskite Tandem Photovolatcs”发表于能源领域知名期刊“Joule”。文章第一编辑为本科生李宗麒,陈棋教授为首要通讯编辑。

 

  随着光伏技术的迅速发展,杂化卤化物钙钛矿成为最有希翼的新一代光伏材料。在不到八年的时间里,钙钛矿太阳能电池获得了22.7%的光电转换效率,因此受到学术界和工业界的广泛关注。单节钙钛矿光伏电池技术得到了迅猛发展的同时,学术界和业界也在热烈探讨钙钛矿叠层技术。钙钛矿材料由于其带隙可调,能够和不同吸光材料的电池配合,取得具有优异光电性能的叠层电池。迄今为止,钙钛矿材料已与晶硅、CIGS结合,构建了具备高性能的各类叠层太阳能电池。研究表明,通过调节钙钛矿吸光层的带隙,钙钛矿/晶硅硅太阳能电池和钙钛矿/钙钛矿太阳能电池的理论光电转换效率分别可达到39%和34%。然而,叠层器件的发展依然面临着诸如稳定性、大面积制备和可重复性等技术问题。但是叠层钙钛矿太阳能电池可通过利用现有成熟的晶硅光伏产业而迅速进入市场。

 

  成本是任何产品实现产业化必须考虑的因素。平准化度电成本( LCOE )代表了发电实体在系统寿命周期内单位发电量所消耗的成本,是决定发电技术能否商业化的成本估算标准。针对单结钙钛矿电池,不同研究者们基于不同假设,得到了不同的LCOE预测,而LCOE预测中的较大差异。而钙钛矿叠层技术,尽管存在商业化的可能性,但是目前尚未有相关的LCOE测算。

 

  李宗麒以及其合编辑,采用“自下而上的成本模型”,估算钙钛矿光伏组件的制备成本,并进一步计算光伏系统的LCOE。团队比较了四个有代表性的光伏组件,分别为PERC多晶硅光伏组件(A)、单结钙钛矿光伏组件(B)、钙钛矿/晶硅叠层光伏组件(C)、钙钛矿/钙钛矿叠层光伏组件(D)。在特定的假设下,研究发现后三者均具备商业化的潜能和成本竞争力。计算发现,钙钛矿光伏组件的材料成本要低于多晶硅光伏组件,使得单结和多结钙钛矿光伏组件的整体成本得以降低。除此之外,团队也对组件效率和寿命进行了讨论,并在此基础上首次提出了LCOE下降率(LCOE decrease rate )的概念来引导和规划钙钛矿光伏和叠层钙钛矿太阳能电池的技术发展路线。本文从商业化的角度为钙钛矿太阳能电池领域的发展方向提供了参考。

 

  

  图1.(A)为PERC多晶硅电池材料组成;(B)为单结钙钛矿电池材料组成;(C)为钙钛矿/晶硅叠层电池材料组成;(D)为钙钛矿/钙钛矿叠层电池材料组成。

 

  在假设前提下,团队利用LCOE计算的数学模型(详见paper)和真实全面的数据计算了四个模型光伏组件的LCOE分别为:5.50美分/千瓦时、4.34美分/千瓦时、5.22美分/千瓦时、4.22美分/千瓦时。除此之外,团队讨论了LCOE和材料成本、设备成本、光伏组件效率和光伏组件寿命等因素的关系,并通过对针对不同因素的LCOE下降率的讨论,说明从成本的观点出发,致力于何种因素的发展对钙钛矿光伏组件的商业化推进更为有效。

 

  

  图2.(A)为四种器件的LCOE(美分/千瓦时);(B-E)为四种器件的LCOE组成细分。

 

 

  【编辑及课题组概况】

  李宗麒,2015级澳门新葡8455最新网站材料物理与化学专业本科生,曾多次获得校级奖学金,于2017年4月加入澳门新葡8455最新网站“青年千人”陈棋教授课题组。在陈棋教授的引导下,经历一年时间在“Cell”的姊妹刊“Joule”上发表第一篇学术文章。

  陈棋教授课题组,主要从事有机无机杂化及复合材料的开发与应用研究,材料广泛应用于能源、光电等领域,具体包括太阳能电池、储能电池、传感器、探测器等各类新型光电功能化器件,尤其是新型纳米复合结构构筑、纳米结构加工、光电转化及催化等相关工艺开发和交叉前沿项目。承担并承担国家级项目3项,包括科技部重点研发计划专项和自然科学基金面上项目等。迄今发表论文50余篇,引用超过10000次。包括Science、Nature Communications、Journal of American Chemical Society、Joule、Advanced Materials等。单篇最高他引超过2000次。

  该项工作是在科技部、自然科学基金委等部门的资助下完成。

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