研究人员为新型太阳能电池的发展制定了路线图

被称为钙钛矿的材料显示出新一代太阳能电池的巨大潜力,但在一个以硅为基础的太阳能电池占主导地位的市场上,钙钛矿很难获得吸引力。现在,麻省理工学院和其他地方的研究人员进行了一项研究,为这项有前途的技术如何从实验室走向全球太阳能市场的重要位置绘制了路线图。

“技术经济”分析显示,通过从价值更高的利基市场开始,并逐步扩大规模,太阳能电池板制造商可以避免非常高昂的初始资本成本,而这些成本将使基于钙钛矿的电池板在一开始就能在大规模公用事业规模的安装中与硅直接竞争。该团队发现,与其进行昂贵得令人望而却步的数亿甚至数十亿美元的初始投资,来建造一个用于大规模生产的工厂,还不如从更专业的应用程序开始,为更现实的初始资本投资(大约4000万美元)。

麻省理工学院博士后Ian Mathews、研究科学家Marius Peters、机械工程教授Tonio Buonassisi,以及麻省理工学院、Wellesley学院和Swift Solar公司的其他五位教授在《焦耳》杂志上发表了一篇论文,描述了这些结果。

以钙钛矿为基础的太阳能电池——钙钛矿是一大类化合物,其分子结构具有一定的排列方式——可以极大地改善太阳能装置。它们的组成材料很便宜,可以像打印报纸一样采用卷到卷的方式生产,并打印在轻巧灵活的基材上。这将大大降低与运输和安装相关的成本,尽管它们仍然需要进一步的工作来提高耐久性。世界各地的实验室也在开发其他有前途的新型太阳能电池材料,但还没有一种材料进入市场。

马修斯说:“近年来,出现了许多新的太阳能电池材料和公司。然而,尽管如此,硅仍然是该行业的主导材料,几十年来一直如此。”

为什么会这样呢?“人们总是说,阻碍新技术发展的因素之一是,建造大型工厂来大规模生产这些系统的成本实在太高了,”他说。“对一家初创公司来说,要跨越所谓的‘死亡之谷’,筹集到所需的数千万美元,以达到这项技术在更广泛的太阳能行业可能有利可图的规模,是很困难的。”

但是,在许多更加专业化的太阳能电池应用中,钙钛矿基太阳能电池的特殊品质,如重量轻、灵活性和透明性,将提供一个显著的优势,Mathews说。通过最初关注这些市场,一家初创的太阳能公司可以逐步扩大规模,随着时间的推移,利用来自优质产品的利润来扩大其生产能力。

在描述各个实验室正在开发的基于钙钛矿的太阳能电池的文献时,他说,“他们声称成本非常低。但是一旦你的工厂达到一定规模,他们就会提出索赔。我想,我们以前见过这种情况——人们声称一种新的光电材料将比其他所有材料更便宜,而且比其他所有材料更好。这很好,除了我们需要一个计划,关于我们如何实际获得材料和技术的规模。”

他说,作为一个起点,“我们采用了一种我从未见过其他人采用的方法:让我们把制造这些模块的成本作为规模函数来建模。”如果一个小工厂只有10个人,你需要卖多少才能盈利?一旦达到规模,你的产品会变得多便宜?”

他说,分析证实,试图直接进入屋顶太阳能或公用事业规模的太阳能装置市场,将需要非常大的前期资本投资。但是“我们研究了人们在物联网或建筑一体化光伏市场上可能获得的价格。人们通常在这些市场上支付更高的价格,因为它们是更专业化的产品。如果你的产品是灵活的,或者模块适合一个建筑围护结构,他们会多付一些钱。其他潜在的利基市场包括自供电微电子设备。

这样的申请将使进入市场成为可能,而不需要大量的资本投资。他表示:“如果你这样做,你需要投资于公司的资金就会少得多,只有几百万美元,而不是几千万或几亿美元,这就能让你更快地发展成一家盈利的公司。”

马修斯说:“这是他们证明自己技术的一种方式,既可以是技术上的,也可以是通过实际生产和销售一种产品,并确保它能在该领域生存下来。而且,这只是为了证明你可以在一定的价格水平上进行生产。”

他指出,已经有几家初创公司在努力将钙钛矿太阳能电池推向市场,尽管它们还没有真正的产品可供销售。他说,这两家公司采取了不同的方法,其中一些似乎正在采取本研究中概述的那种按部就班的增长方法。“可能筹集到最多资金的公司是一家名为Oxford PV的公司,他们正在研究串联电池,”这种电池结合了硅和钙钛矿电池,以提高整体效率。另一家公司是由Joel Jean PhD ‘ 17(他也是这篇论文的合著者)和其他公司,叫做Swift Solar,他们正在研究柔性钙钛矿。有一家名为Saule Technologies的公司,致力于可打印的钙钛矿。

马修斯说,研究小组在研究中使用的技术经济分析方法可以广泛应用于其他与能源相关的新技术,包括可充电电池和其他存储系统,或其他类型的新型太阳能电池材料。

他表示:“许多科学论文和学术研究关注的是,一旦一项技术达到规模,制造它的成本是多少。”“但很少有人真正关注在非常小的规模下成本是多少,以及影响规模经济的因素是什么?”我认为很多技术都可以做到这一点,这将帮助我们加速创新从实验室到市场的过程。”

研究团队还包括麻省理工学院校友Sarah Sofia PhD ‘ 19和Sin Cheng Siah PhD ‘ 15、韦尔斯利学院学生Erica Ma和前麻省理工学院博士后Hannu Laine。这项工作得到了欧盟的“地平线2020”研究与创新项目、马丁家族可持续发展学会、美国能源部、壳牌公司、麻省理工学院能源计划以及新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟的支持。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2020/roadmap-scaling-perovskites-solar-0206

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