株式会社东芝(以下称东芝)使用新的涂覆法,成功开发出了薄膜型钙钛矿太阳能电池*1,其能量转换效率*2可达15.1%。

 

东芝于2018年6月开发出大尺寸(703cm2)*3薄膜型钙钛矿太阳能电池模块。此次,又在大尺寸的基础上,成功提高了成膜过程的高速化和转换效率。其高达15.1%的转化率,相当于目前正在普及的多晶硅型太阳能电池的能量转化效率。另外,由于薄膜型钙钛矿太阳能电池具有轻量、灵活的特点,因此可以安装在承压强度较弱的屋顶或办公楼的窗户等各种地方。

 

 

 

 

此次新开发的涂覆法,是将以往需要两步工艺进行的钙钛矿层的成膜,优化在一步工艺中进行。两步工艺在成膜过程的高速化和钙钛矿层的均匀化方面存在问题。而一步涂覆法通过对油墨、成膜过程和设备的开发改进,使大面积均匀涂覆成为可能,从而缩短了成膜过程。另外,该技术还可以提高涂覆速度。在5cm见方的单元中,涂覆速度可达到6m/min,可满足量产需求*4,且有望在大面积成膜过程中进一步高速化。通过该技术,既能实现生产过程高速化,又能提高能量转换效率,从而有效降低发电设备的成本。

 

01、开发背景

为了实现碳中和目标,可再生能源的应用规模正在不断扩大。特别是增加光伏发电的装机容量,对于实现碳中和而言不可或缺,除提高发电效率外,还需要大幅度扩大设置场地。另一方面,目前主流的晶体硅太阳能电池的安装受到其重量和形态方面的制约,薄膜型钙钛矿太阳能电池则可很好的解决这一问题。

 

 

东芝通过独特的弯液面涂覆印刷技术,开发出了703cm2、能量转换效率达到14.1%的薄膜型钙钛矿太阳能电池模块(实际应用时还需要进一步提高转换效率和降低成本)。

 

02、一直以来的课题

东芝之前采用的钙钛矿层涂覆法,被称为两步涂覆法。先在基板上涂覆PbI2膜,再涂覆MAI油墨*5,从而形成MAPbI3膜*6。由于这种方法难以控制PbI2和MAI之间的反应(若未反应物会有残留),且工序数量多,涂覆速度慢,因此需要更适合于大批量生产。而一步涂覆法,需要事先将MAI和PbI2预先混合后的MAPbI3油墨进行涂覆,从而形成膜。但这种方法很难控制MAPbI3晶体的生长,特别是很难进行大面积均匀地涂覆,因此需要开发新的涂覆法(图1右)。

 

 

图1:采用传统两步工艺的弯液面涂覆法的课题(左)和采用旋转涂胶法的一步工艺的课题(右)

 

03、本技术特点

因此,作为崭新的钙钛矿层涂覆法,东芝开发出能够控制MAPbI3晶体生长的一步弯液面涂覆法,该方法有望提高薄膜型钙钛矿太阳能电池的能量转换效率,促进低成本化。通过开发新的MAPbI3油墨、干燥工艺和设备,成功实现了大面积的均匀涂覆。成膜工艺的工序较以往减少了一半,可实现更快的涂覆速度,在5cm见方的单元中可达到6m/min的速度,满足了量产要求。另外,这种均匀涂覆也成就了薄膜型钙钛矿太阳能电池在703cm2的模块上实现了高能量转换效率15.1%,这一惊人成果。

 

本次开发的新方法,在高效率、低成本的薄膜型钙钛矿太阳能电池的实际应用方面取得了重大进展。

图2:新开发的一步弯液面涂覆法的概略图和IV曲线

 

 

图3:使用一步弯液面涂覆法制作的大尺寸薄膜型钙钛矿太阳能电池模块


未来展望

今后,东芝将以实际应用尺寸的受光部尺寸900cm2为目标,进一步扩大面积,同时通过改良钙钛矿层材料,力争实现20%或更高的能量转换效率。