Nat. Energy.：世界上第一个独立的钙钛矿太阳能发电场

编审：Thor，Dysonian

在过去的十年中，钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 已成为一种有前途的光伏 (PV) 技术。研究人员在学术和工业上对其进行了深入的探索。PSCs的功率转换效率 (PCE) 迅速提高，现在接近晶体硅 PV 获得的最先进的 26.1% 的 PCE。基于溶液处理的高性能和简单制造的工艺的结合使钙钛矿技术成为大规模生产太阳能组件和面板的理想选择。在这种情况下，当前的研究工作集中在提高该技术在制造方面的应用准备程度。这种从实验室的转变可以通过将小面积电池的 PCE 和稳定性方面获得的令人印象深刻的结果扩展到大面积模块和面板来实现，更重要的是，评估钙钛矿太阳能电池在室外条件下的发电能力。

近日，权威期刊Nat. Energy上发表了一篇题为“Integration of two-dimensional materials-based perovskite solar panels into a stand-alone solar farm”的文章。罗马第二大学Aldo Di Carlo、希腊地中海大学Emmanuel Kymakis和意大利技术研究所Francesco Bonaccorso等人首次制造了九块大面积（0.5 m²）的PSCs太阳能电池板，同时实现了世界上第一个独立的PSCs太阳能发电场，总面板面积为 4.5 m²。该太阳能发电场的峰值功率超过 250 W，证明了该技术的可扩展性。

（1）使用二维（2D）材料进行界面工程和放大PSCs中开发的专有技术实现了基于2D材料的钙钛矿太阳能电池板（称为GRAPE面板）;

（2）这项工作弥合PSCs在实验室场景和户外运营太阳能发电场之间的差距，推动PSCs的工业化进程。

图1 GRAPE 模块和面板。a–c 模块。 d-f 太阳能电池板。a 组成模块的 GRAPE 太阳能电池的结构。石墨烯和 fMoS₂ 层使用它们的化学结构表示。b I-V 曲线（正向（Forw.）扫描/空点曲线和反向（Rev.）扫描/全点曲线，如蓝色箭头方向所示），用于在 1 个太阳照射下测量的最有效 PSM。c 从反向扫描 I-V 测量中提取的超过 360 个 PSM 的模块 PCE 统计。d 代表 0.5 m² GRAPE 面板的照片。e 九个 GRAPE 面板 (PSP) 在 1,000 W m^-2 左右的全局倾斜辐照度下测量的 I-V 曲线。 f 从九个 GRAPE 面板的 I-V 曲线计算的标称功率 (P_n)。@ Springer Nature

作者制造了 360 个钙钛矿太阳能电池模块（PSMs），每个PSMs的衬底面积为11 × 11 cm²，由 9 个串联的 PSCs 组成，活性面积为 9.1 cm²，总有源面积为 81.9 cm²（孔径面积 = 101 cm²）。电池模块构成如图1a所示。集成到介孔TiO₂（mTiO₂）电子传输层（ETL）中的石墨烯薄片促进了包裹在 ETL 内的钙钛矿的结晶，与原始 mTiO₂ 相比，导致电子陷阱密度降低了一个数量级。同时，石墨烯薄片在 cTiO₂ 层中的加入降低了器件的暗电流并提高了所得 PSCs 的 FF。在钙钛矿-空穴传输层（HTL）界面，与没有功能化MoS₂（fMoS₂）的参比器件相比，fMoS₂ 薄片的缓冲层促进了空穴从吸收层到 HTL 的转移。此外，石墨烯和 fMoS₂ 的使用分别稳定了钙钛矿/ETL和钙钛矿/HTL界面。最后，选择 PTAA 作为 HTL 的动机是其高达 85°C 的固有热稳定性。

图 1b 和补充图 2 分别报告了最有效 PSMs 测量的电流-电压（I-V）曲线和稳定输出功率（有效面积上的最大 PCE 等于 16.4%），而图 1c 显示了为 PSM 记录的 PCE 数据的统计分布。在 1 个太阳照射下测量的 360 个 PSMs 的平均 PCE 为 12.5% ± 1.6（图 1c）。生产出来的 PSMs 根据其最大功率点 (MPP) 性能进行分类，同时在通过混合串联/并联连接将它们组装成几个 GRAPE 面板时特别注意（图 1d），旨在适当平衡其 PV 指标分布。图 1e 显示了使用太阳跟踪器（全局倾斜辐照度）在户外测量的 I-V 曲线，用于九个 GRAPE 面板中的每一个，辐照度值约为 1,000 W m^-2。 图 1f 显示了通过将最大输出功率 (P_m) 缩放到相应的实验辐照度来估计 1,000 W m^-2 辐照度的九个 GRAPE 面板的标称功率 (P_n)。测试面板的平均 P_n 为 30 W ± 3 W。其中，表现最好的一个（即 9 号面板）实现了 35.5 W 的 P_n。根据面板有效面积（0.32 m²）计算的最大标称 PCE 约为 11%（平均 PCE 为 9.2%）。

图2 将 GRAPE 面板集成到独立的太阳能发电场中。a 九个 GRAPE 面板集成在安装在 HMU 校园克里特岛的独立太阳能农场供电的基础设施中。b 太阳能发电场的典型 I-V 和 P-V 特性，最大输出功率 (P_m) 约为 261 W_p。c 太阳能发电场配置的单线电力图。@ Springer Nature

使用制造的 GRAPE 面板作为构建模块，设计和建造了一个独立的太阳能发电场基础设施（图 2a）。图 2b 显示了太阳能发电场在运行第一天的典型 I-V（正向 I-V 扫描）和功率-电压 (P-V) 曲线。独立系统的电力单线图和框图分别如图 2c 和补充图 7c 所示。在太阳能农场中，GRAPE 面板收集的电能并未直接用于为交流电源供电，而是存储在四个串联的 6 V 通风管状电池中，容量为 260 Ah。太阳能发电场的 I-V 特性和功率性能（P_m 约为 261 瓦特峰值（W_p））表现出与单个面板相似的特征（即 I-V 形状和 FF）（图 1e，f ）。这些数据表明，无论是在集成到太阳能发电场期间，还是在电池板制造和太阳能发电场运行之间的时间间隔内，都没有累积进一步的电力损失。

图3 太阳能发电场电力特性对辐照度的依赖性。a I_SC 与辐照度。b V_OC 与辐照度。 c FF 与辐照度。d 最大功率 (P_MAX) 与辐照度的关系。蓝色和红色圆圈分别表示上午和下午的测量值，而蓝色和红色箭头表示上午/下午辐照度的增加/减少。@ Springer Nature

为了评估不同光照条件下的性能，已将太阳能发电场的光伏特性绘制为平面内辐照度的函数（图 3）。总 I_SC 几乎随辐照度水平线性增加（图 3a），而 V_OC 数据表明对数依赖性（图 3b），这对于在光强度 >10 W m^-2 下运行的 PSCs 所期望的。不同的是，太阳能发电场 FF 几乎不受辐照度的影响（图 3c）。由于其他 PV 指标观察到的趋势，最大功率（P_MAX）几乎与辐照度呈线性关系（图 3d）。

图4 GRAPE 面板的温度相关系数和户外寿命稳定性。a,b 代表 GRAPE 面板的 I_SC（a，红点）和 V_OC（b，绿点）的温度依赖性，辐照度为 500 m^-2。电流温度系数（βI_sc = +0.03% °C⁻¹）和电压温度系数（βV_oc = −0.17 °C−1）也从数据的线性拟合中提取。c 该图显示了 2020 年 6 月 10 日至 2021 年 3 月 10 日期间的 P_n。灰色区域表示初始功率的 100-80% 的范围。@ Springer Nature

为了估计该光伏技术的温度系数，在光照 45 min 后，作者在不同温度下测量太阳能发电板，辐照度为 500 W m^-2（图 4 和补充图 19）。I_SC 和 FF 都具有略为正的温度系数（图 4a 和补充图 19b），面板最大功率的负温度系数（-0.21% °C^-1，补充图 19c）主要由 V_OC 的温度依赖性决定，它几乎是 c-Si 电池相应系数的一半。由于 PV 参数的温度行为（图 4a，b 和补充图 19），并且考虑到下午面板的温度高于早上（补充图 17），作者可以断言早上/下午观察到的太阳能发电场的光伏特性（图 3）主要由 GRAPE 面板 V_OC 的温度依赖性决定。此外，在九个月的运行期间观察到太阳能发电场 P_n 几乎单调减少（图 4c）。尽管如此，太阳能发电场还是通过了 ISOS O-3 测试（室外条件为 1,000 h），达到了 5,832 h 的显著T₈₀。

图5 GRAPE 模块和太阳能发电场的 LCA。a 基于 GRAPE 技术的 PSM 制造和面板组装的工作流程。b PSM 制造环境概况的表征结果。x 轴中断 (b,c) 用于增加对贡献百分比的检查。d 使用金基（左）和石墨烯基（右）背电极的两种 GRAPE PSM 制造工艺的环境特征比较。@ Springer Nature

图 5 显示了 PSM 制造过程（图 5a）及其生态特征的表征（图 5b）。 对所有 EF 类别影响最大的是第 15 步“黄金蒸发”。如图 5c 所示，由于黄金消耗的高影响，室外试验装置的生态概况基本上由 PSM 制造过程决定（补充图 27 和 28 以及补充信息中的相关部分提供了更多细节） 与文献中的其他发现一致。展望未来，现实的 GRAPE 技术规模扩大及其可持续的大规模生产将考虑用替代材料替代金作为背电极，例如石墨烯或其他碳材料或廉价金属。图 5d 报告了使用 PSM 的基于石墨烯的背电极的假设 GRAPE 模块的 LCA 结果，显示了与金替代相关的环境效益。

图6 发电的生态概况。@Nature

图 6 显示本研究结果是有希望的，因为即使在乐观 (OPT) 未来情景的情况下，系统的生态特征也可能与为 2050 年欧洲电力组合计算的生态特征相竞争。位于南欧的未来户外安装影响最小。同时，为所有地理位置计算的环境足迹低于当前的欧洲电力组合，并且已经与一切照旧 (BAU) 和现实 (REAL) 的未来情景具有竞争力。考虑到 GRAPE 技术的制造和层压工艺仍未完全针对工业生产进行优化，太阳能发电场的环境和能源性能更加有希望。

作者首次制造了九块大面积（0.5 m²）的PSCs太阳能电池板，同时实现了世界上第一个独立的PSCs太阳能发电场。太阳能发电场收集的数据将有助于评估钙钛矿技术在实际条件下的稳定性，达到更高的技术和材料准备水平，并为商业化目标奠定基础。

Pescetelli, S., Agresti, A., Viskadouros, G. et al. Integration of two-dimensional materials-based perovskite solar panels into a stand-alone solar farm. Nat Energy (2022).
https://doi.org/10.1038/s41560-022-01035-4

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