在钙钛矿材料中，原子可以深入太阳能电池的工作原理！
来源：宝鄂实业
2019-03-30 10:39
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仔细观察构成传统太阳能电池的材料，可以发现几乎刚性的原子排列，几乎没有运动。但是在混合钙钛矿，一类很有前景的太阳能电池材料中，排列更加灵活，原子在周围疯狂地跳舞，这种效应会影响太阳能电池的性能，但很难测量。
在美国国家科学院院刊发表的一篇论文中，由美国能源部SLAC国家加速器实验室领导的国际研究团队对这些野生舞蹈以及它们如何影响钙钛矿材料的功能有了新的认识。结果可以解释为什么钙钛矿太阳能电池是如此有效，有助于寻求设计热载流子太阳能电池，一个推理技术将由转换更多的太阳光转换为可用电气常规太阳能电池的几乎两倍的效率的限制能量。
一块拼图
可以在室温下生产的钙钛矿太阳能电池提供了比诸如硅的常规太阳能电池材料更便宜且可能更好的替代品，其必须在极高温度下制造以消除缺陷。但是，对于使钙钛矿材料在将太阳光转化为电能方面如此有效的原因缺乏了解，这一直是制造更高效的钙钛矿太阳能电池的主要障碍。
“在过去的五六年里，人们对太阳能钙钛矿材料产生了浓厚的兴趣，这真的只是在过去的五六年里，”负责这项研究的SLAC斯坦福同步辐射光源（SSRL）的杰出科学家Mike Toney说。“因此，很多关于材料工作原理的基础知识都缺失了。在这项研究中，我们通过展示它们与更传统的太阳能电池材料的区别，提供了一个重要的难题。这为我们提供了科学依据。这些基础将使我们能够以合理的方式开始设计这些材料。“
保持热度
当太阳光照射太阳能电池时，一些能量可用于将材料中的电子踢到更高的能量状态。这些高能电子从材料中漏出，产生电能。
但在此之前，太阳能的大部分能量会因热量而损失，在提取可用能量或光能收集效率低的同时也会损失一部分能量。在许多传统的太阳能电池中，例如用硅制成的太阳能电池，声学声子 - 一种通过材料传播的声波 - 是这种热量通过材料传播的主要方式。电子作为热量损失的能量限制了太阳能电池的效率。
在这项研究中，由帝国理工学院教授Aron Walsh和电子结构理论家Jonathan Skelton和Jarvist Frost领导的英国理论家为解释实验结果提供了理论框架。他们预测，由于材料中跳舞原子和分子的灵活排列，穿过钙钛矿的声学声子寿命很短。
斯坦福大学的化学家Hema Karunadasa和Ian Smith能够种植对这项工作至关重要的大型专用单晶。在NIST中子研究中心的物理学家Peter Gehring的帮助下，该团队将这些钙钛矿单晶中的中子散射出来，使其能够回溯材料中原子和分子的运动。这使他们能够精确测量声学声子的寿命。
研究小组发现，在钙钛矿中，声学声子非常短暂，只能存活10到20万亿分之一秒。如果没有这些声子通过材料传递热量，电子可能会保持热，并在它们被拉出材料时保持其能量。利用这种效应可能会导致热载体太阳能电池的效率几乎是传统太阳能电池的两倍。
此外，这种现象可以解释钙钛矿太阳能电池如何工作得很好，尽管材料上充满了能够捕获电子并抑制其他材料性能的缺陷。
“由于钙钛矿中的声子不会移动很远，它们最终会加热电子周围的区域，这可能提供电子逃离陷阱所需的增强并继续它们的快乐方式，”托尼说。
改变能源生产
为了跟进这项研究，美国能源部国家可再生能源实验室领导的能源混合有机 - 无机半导体能源中心（CHOISE）能源前沿研究中心的研究人员将研究更复杂的钙钛矿材料中的这种现象。能源设备。他们想弄清楚如何改变材料的化学组成会影响声学声子的寿命。
“我们需要尽快从根本上改变我们的能源系统，”Aryeh Gold-Parker说道，他以博士学位联合领导了这项研究。斯坦福大学和SLAC的学生。“随着我们走向低碳未来，一个非常重要的部分是拥有廉价和高效的太阳能电池。钙钛矿的希望在于它们将导致商用太阳能电池板比现在市场上更高效，更便宜“。
到目前为止，中国的电动汽车产业在商品化、产业规模、全产业链构建等方面已经成为全球新兴产业拓展的典范。无论国内国际相关人士基于何种经济立场、何种思维定势、何种学术背景进行评述，都无法撼动中国已经在纯电动汽车产业化领域取得先发优势的事实。从2000年左右进行纯电动汽车试点，截至2015年底，短短十几年时间，中国纯电动汽车销售已超过50多万辆，汽车动力电池产销量占全球的70%。这样的成功，主要源于三个方面的原因：第一，国家对于制造业和战略性新兴产业有清晰的战略和明确的目标；第二，中央政府针对电动汽车行业推行了体系完整的政策组合；第三，相关行业主管部门基于动力电池性能对电动汽车推广应用政策进行不断完善。
中国电动汽车行业国家战略及目标
对于下一步的工业化升级发展，发达国家都有自己的战略，德国的工业4.0就是一个例子。中国对此课题也有经过深思熟虑的、庞大而细密的战略体系来应对，并把汽车工业升级发展作为一个突破口。在过去的十几年中，很少有一个行业像新能源汽车行业一样，由国务院连续通过多个最高层次的行政文件，反复明确行业战略定位，细化发展目标，强化配套政策落实。
新能源汽车行业被国务院确定为重点发展的战略性新兴产业。2010年，国务院发布实施《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》，新能源汽车成为国家决定重点发展的七大战略性新兴产业之一。2015年，国务院发布了《中国制造2025》，明确了中国制造业中长期发展的“战略任务和重点”之一是实现节能与新能源汽车领域的突破发展。
纯电动汽车是国务院优先发展的技术路线。2012年，国务院发布了《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020）》，把行业发展的技术路线确定为“以纯电驱动为新能源汽车发展和汽车工业转型的主要战略取向”。
快速产业化是中国电动汽车行业发展的主要目标之一。为加快电动汽车产业化，国务院办公厅于2014年发布了《关于加快新能源汽车推广应用的指导意见》，在公交车、出租车等城市客运以及环卫、物流、机场通勤、公安巡逻等公共服务领域率先推广电动汽车应用。从目前产业发展数据来看，国内纯电动汽车累计产销量已经超过50万辆。根据国务院2016年制定的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》，到2020年，新能源汽车、新能源和节能环保等绿色低碳产业成为支柱产业，产值规模达到10万亿元以上，其中纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力达200万辆、累计产销量超过500万辆。与此同时，国家积极推进动力电池规模化生产，加快培育和发展一批具有持续创新能力的动力电池生产企业，到2020年，动力电池行业总产能超过1000亿瓦时，形成产销规模在400亿瓦时以上、具有国际竞争力的龙头企业，并在正负极、隔膜、电解质等关键材料领域分别形成2~3家骨干生产企业。
中国电动汽车行业发展政策组合
为了促进中国新能源汽车行业的健康发展，国务院指定工信部牵头，于2013年11月建立了节能与新能源汽车产业发展部际联席会议制度，对行业发展进行宏观指导，协调推动重大政策措施落实等。该联席会议由工信部、国家发改委、科技部、财政部等18个部门组成，从行业准入、产品质量、安全标准、财政补贴、税收减免、环境保护等方面构建了完整的政策组合。这个政策组合，可以梳理成三大类。
一是培育和规范电动汽车行业发展。工信部通过《新能源汽车生产企业及产品准入管理规定》和《汽车动力电池行业规范条件》，提高市场准入门槛，规范电动汽车和动力电池行业有序发展。未纳入推荐车型公告目录的整车产品、未进入达标名单的动力电池生产企业，不能享受国家在政府采购、技术研发、用户购车方面的优惠政策或补贴。
二是直接补贴消费者以促进产品导入期的市场接受度。个人购买电动汽车试点工作首先在群众购买能力较强、消费需求旺盛、环保压力重的大城市开展，然后推向全国。中央财政和地方财政对消费者购买纯电动汽车，除了车辆购置税和车船使用税的减免，还有大量的购车补贴。
三是提高环保和安全标准以实现可持续发展。环保部制定了《电池工业污染物排放标准》和《电动汽车动力蓄电池回收利用技术政策》，对于汽车动力电池行业的污染物排放和废旧动力电池回购、梯次利用、循环利用做出了规定。质检总局制定了《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统：第3部分安全性要求与测试方法》以加强动力电池安全管理。
基于动力电池性能对政策进行不断完善
中国对电动汽车行业的激励政策，一直遵循一个基本的原则，就是把政策激励力度与动力电池的性能直接绑定，历史上的初始补贴政策是如此，目前的退坡补贴政策也是如此，未来的双积分补贴政策更是如此。这样的政策基点，推动了以高镍三元锂电池为代表的动力电池产业发展。2017年，工信部等四部委发布了《促进汽车动力电池产业发展行动方案》，要求实施动力电池提升工程，通过国家科技计划（专项、基金）等统筹支持动力电池研发，实现2020年单体比能量超过300瓦时/公斤。
2010年，财政部牵头颁布了《关于开展私人购买新能源汽车补贴试点的通知》，规定根据动力电池组能量确定补助标准，纯电动乘用车最高补助6万元/辆。2013年，财政部等四部委发布《关于继续开展新能源汽车推广应用工作的通知》，把纯电动汽车的补助标准基于续驶里程（R）细化为：80≤R＜150，3.5万元/辆；150≤R＜250，5万元/辆；R≥250，6万元/辆。
2015年，财政部发布了《关于2016-2020年新能源汽车推广应用财政支持政策的通知》，明确了纯电动汽车的补贴标准：100≤R＜150，2.5万元/辆；150≤R＜250，4.5万元/辆；R≥250，4.5万元/辆。鉴于新能源汽车产业，尤其是电动汽车产业发展逐步走上正轨，该《通知》规定，2017~2020年除燃料电池汽车外，其他车型补助标准适当退坡。其中，2017~2018年补助标准在2016年基础上下降20%，2019~2020年补助标准在2016年基础上下降40%。2016年财政部发布《关于调整新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》，提高推荐车型目录门槛并动态调整。一是增加整车能耗要求；二是提高整车续驶里程门槛要求；三是引入动力电池新国标，提高动力电池的安全性、循环寿命、充放电性能等指标要求，设置动力电池能量密度门槛。该《通知》把纯电动乘用车补贴进一步降低为：100≤R＜150，2万元/辆；150≤R＜250，3.6万元/辆；R≥250，4.4万元/辆。同时，分别设置中央和地方补贴上限，其中地方财政补贴（地方各级财政补贴总和）不得超过中央财政单车补贴额的50%。
为建立新能源汽车发展的长效机制，工信部等五部委于2017年9月发布了《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》，自2018年4月1日起实施，对乘用车生产企业实行“双积分”制度。该政策意味着国家对电动汽车推广政策由以补助购车用户为主，转到以强制汽车生产企业推广电动汽车获取新能源汽车积分为主。根据这项最新政策，传统能源乘用车年度生产量或者进口量达到3万辆以上的，从2019年度开始设定新能源汽车积分比例要求。2019年度、2020年度，新能源汽车积分比例要求分别为10%、12%。同时，由于新能源汽车积分计算采用“0.012×续驶里程+0.8”的公式，提高动力电池能量密度成为汽车企业的内在要求。由于新能源汽车积分是可以用来交易的现实资产，刺激了新能源汽车生产企业不断合理提高续驶里程，也驱动出传统燃料汽车制造商通过合资和独资方式参与新能源汽车生产。
综合来看，中国的新能源汽车产业发展政策，在制定、实施、完善的过程中，用科学数据驳斥了纯电动汽车减排效果不明显的舆论，尊重了动力电池技术发展的趋势，满足了消费者对较高续驶里程的期待，利用市场手段遴选纯电动汽车成为发展重点，通过有效的政策杠杆，促进了高镍三元锂电池成为行业发展主流。中国新能源汽车发展政策，立足科学，适应发展趋势，服务行业，把短期补贴与长效激励机制相结合，一方面促进了中国纯电动汽车产业的发展，另一方面又促进了节能减排，是全球范围内以政策引导、培育、发展战略性新兴产业的典范。未来，中国政府应当支持行业组织和企业积极参与纯电动汽车和动力电池国际标准和技术法规的制定，不断提升在国际标准和技术法规领域的话语权。
