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行业应用 | 提升钙钛矿电池的光电转换效率需要做哪些检测？

2023年08月17日

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随着全球能源需求的不断增长和环境保护意识的日益提高，光伏发电作为一种可再生、清洁的能源形式，受到了广泛关注。钙钛矿因其优异的光电转换效率、低成本等特点，被认为是光伏领域的一种潜力无限的新材料，可谓是光伏届的“新星”。那么，提升钙钛矿电池的光电转换效率需要做哪些检测呢？





光伏行业的前景



在2022年，中国新能源发电装机占总装机的49.5%，其中太阳能发电占比15.3%。相较2021年太阳能发电装机的12.9%，在一年时间里，太阳能发电装机占比增长了2.4%！可见光伏领域发电技术越来越精进，光伏发电的应用越来越广泛。


2022年中国发电装机占比层次结构图


在2020年9月，中国提出2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”目标。太阳能光伏发电因其清洁、安全、便利、高效等特点，已成为世界各国普遍关注和重点发展的新兴产业。在达到和碳中和的计划里，太阳能发电量占比约为40%。假设煤炭能源目前被新能源取代，其中光伏将占70%。

2022年全国新增并网容量87.41GW，同比增长59.3%。预计 2022 年-2025 年，国内年均新增光伏装机将达到 83～99GW。预计2030年新增光伏装机量为650GW，2060年人均光伏应该在5-10KW之间，需要约8580GW的光伏资源量。




钙钛矿和钙钛矿太阳能电池概述


钙钛矿是指一类陶瓷氧化物，其分子通式为ABX3；此类氧化物最早被发现，是存在于钙钛矿石中的钛酸钙（CaTiO3）化合物，因此而得名。应用于太阳能电池中的钙钛矿材料，A一般是有机胺离子（如 CH3NH3+，NH=CHNH3+），B一般是二价金属离子（如 Pb2+，Sn2+等），X 表示卤素离子（Cl-，Br-，I-）。
钙钛矿型太阳能电池（perovskite solar cells），是利用钙钛矿结构材料作为吸光材料的太阳能电池，属于第三代高效薄膜电池。钙钛矿的结构形似“三明治”，典型结构有5层。两个电极就像三明治的两片面包分别位于最外层，由外向内挨着电极的是空穴传输层和电子传输层，而钙钛矿层则居于最中间。

对比晶硅材料，钙钛矿拥有更优秀的光电性质，其光吸收系数更高。同时，晶硅电池已逐渐接近29.4%的理论极限，而钙钛矿也拥有更高的理论转换效率，且可进行双节、三节的叠层，最高可达到45%的转换效率！可见钙钛矿太阳能电池的未来有无限可能。




钙钛矿太阳能电池的工艺流程及检测需求


目前主流的钙钛矿电池工艺流程为：顶电极ITO/FTO玻璃入线→激光刻蚀P1→清洗→制备空穴传输层→退火/干燥→制备钙钛矿吸光层→退火烘干→制备电子传输层→ 退火/干燥→激光刻蚀P2→制备背电极层→激光刻蚀P3→激光清边P4→测试分拣→封装。
其中，①激光刻蚀的作用是对P1、P2、P3进行激光划线，阻断导通，使整个钙钛矿面板形成一道道的子电池，且子电池互相串联。激光刻蚀后可能会在材料上留下微小毛刺，这些毛刺可能会影响电池的安全问题、转化效率等，所以需要对激光刻蚀后的微观形貌进行分析；②每层涂层的厚度会影响电池的转换效率，因此也需要对每层的涂层厚度进行检测；③薄膜的粗糙度会对电池短路电流、开路电压、填充因子有影响，进而影响光电转换效率，因此还需要对薄膜的粗糙度进行检测。
若能在钙钛矿层生产时，保持平整、致密、全覆盖、大晶粒，就可以实现钙钛矿层大面积生产。其主要制备难点是：①钙钛矿层厚度仅仅只有500nm，在制备过程中玻璃基底会受温度的影响热胀冷缩和翘曲，从而影响钙钛矿层的平整性，提高了成膜的难度；②一次性成膜面积在平米级，相比于晶硅电池镀膜的面积有显著提升，从而提升了成膜的难度。



优可测在光伏钙钛矿行业的检测案例


1、光伏玻璃油墨厚度测量

在新能源TWh制造时代中，作为核心企业之一的某司需要测量光伏玻璃油墨厚度，所需精度达纳米级，以保证其导电性，优可测采用了薄膜厚度测量仪AF-3000系列进行测量：

光伏电池油墨测量结果显示




检测结果显示，油墨层厚度为1148.0nm，匹配度达0.099636！且可以看出检测过程中光波稳定，光波的稳定可以使测量结果更加精准。优可测薄膜厚度测量仪采用了“氘灯”和“钨卤素灯”，光强更加均匀，频谱更加稳定，可以测量单层膜、多层膜、液态膜、气隙层、粗糙层和光滑层，一台机器覆盖多台机器的测量范围。





2、钙钛矿电池的涂层厚度测量、粗糙度测量以及激光蚀刻后的形貌分析
某家光伏能源公司希望检测钙钛矿太阳能电池的涂层厚度、薄膜粗糙度和激光刻蚀后的形貌，以此提高太阳能电池的光电转换效率。优可测根据客户需求，选用白光干涉仪AM-7000系列进行检测：

P1层涂层厚度检测

P2层涂层厚度检测

P2层粗糙度检测

P3层激光刻蚀后的形貌分析

P3层毛刺检测

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