在鈣鈦礦材料中，原子可以深入太陽能電池的工作原理！
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-30 10:39
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仔細觀察構(gòu)成傳統(tǒng)太陽能電池的材料，可以發(fā)現(xiàn)幾乎剛性的原子排列，幾乎沒有運動。但是在混合鈣鈦礦，一類很有前景的太陽能電池材料中，排列更加靈活，原子在周圍瘋狂地跳舞，這種效應會影響太陽能電池的性能，但很難測量。
在美國國家科學院院刊發(fā)表的一篇論文中，由美國能源部SLAC國家加速器實驗室領導的國際研究團隊對這些野生舞蹈以及它們?nèi)绾斡绊戔}鈦礦材料的功能有了新的認識。結(jié)果可以解釋為什么鈣鈦礦太陽能電池是如此有效，有助于尋求設計熱載流子太陽能電池，一個推理技術將由轉(zhuǎn)換更多的太陽光轉(zhuǎn)換為可用電氣常規(guī)太陽能電池的幾乎兩倍的效率的限制能量。
一塊拼圖
可以在室溫下生產(chǎn)的鈣鈦礦太陽能電池提供了比諸如硅的常規(guī)太陽能電池材料更便宜且可能更好的替代品，其必須在極高溫度下制造以消除缺陷。但是，對于使鈣鈦礦材料在將太陽光轉(zhuǎn)化為電能方面如此有效的原因缺乏了解，這一直是制造更高效的鈣鈦礦太陽能電池的主要障礙。
“在過去的五六年里，人們對太陽能鈣鈦礦材料產(chǎn)生了濃厚的興趣，這真的只是在過去的五六年里，”負責這項研究的SLAC斯坦福同步輻射光源（SSRL）的杰出科學家Mike Toney說。“因此，很多關于材料工作原理的基礎知識都缺失了。在這項研究中，我們通過展示它們與更傳統(tǒng)的太陽能電池材料的區(qū)別，提供了一個重要的難題。這為我們提供了科學依據(jù)。這些基礎將使我們能夠以合理的方式開始設計這些材料。“
保持熱度
當太陽光照射太陽能電池時，一些能量可用于將材料中的電子踢到更高的能量狀態(tài)。這些高能電子從材料中漏出，產(chǎn)生電能。
但在此之前，太陽能的大部分能量會因熱量而損失，在提取可用能量或光能收集效率低的同時也會損失一部分能量。在許多傳統(tǒng)的太陽能電池中，例如用硅制成的太陽能電池，聲學聲子 - 一種通過材料傳播的聲波 - 是這種熱量通過材料傳播的主要方式。電子作為熱量損失的能量限制了太陽能電池的效率。
在這項研究中，由帝國理工學院教授Aron Walsh和電子結(jié)構(gòu)理論家Jonathan Skelton和Jarvist Frost領導的英國理論家為解釋實驗結(jié)果提供了理論框架。他們預測，由于材料中跳舞原子和分子的靈活排列，穿過鈣鈦礦的聲學聲子壽命很短。
斯坦福大學的化學家Hema Karunadasa和Ian Smith能夠種植對這項工作至關重要的大型專用單晶。在NIST中子研究中心的物理學家Peter Gehring的幫助下，該團隊將這些鈣鈦礦單晶中的中子散射出來，使其能夠回溯材料中原子和分子的運動。這使他們能夠精確測量聲學聲子的壽命。
研究小組發(fā)現(xiàn)，在鈣鈦礦中，聲學聲子非常短暫，只能存活10到20萬億分之一秒。如果沒有這些聲子通過材料傳遞熱量，電子可能會保持熱，并在它們被拉出材料時保持其能量。利用這種效應可能會導致熱載體太陽能電池的效率幾乎是傳統(tǒng)太陽能電池的兩倍。
此外，這種現(xiàn)象可以解釋鈣鈦礦太陽能電池如何工作得很好，盡管材料上充滿了能夠捕獲電子并抑制其他材料性能的缺陷。
“由于鈣鈦礦中的聲子不會移動很遠，它們最終會加熱電子周圍的區(qū)域，這可能提供電子逃離陷阱所需的增強并繼續(xù)它們的快樂方式，”托尼說。
改變能源生產(chǎn)
為了跟進這項研究，美國能源部國家可再生能源實驗室領導的能源混合有機 - 無機半導體能源中心（CHOISE）能源前沿研究中心的研究人員將研究更復雜的鈣鈦礦材料中的這種現(xiàn)象。能源設備。他們想弄清楚如何改變材料的化學組成會影響聲學聲子的壽命。
“我們需要盡快從根本上改變我們的能源系統(tǒng)，”Aryeh Gold-Parker說道，他以博士學位聯(lián)合領導了這項研究。斯坦福大學和SLAC的學生。“隨著我們走向低碳未來，一個非常重要的部分是擁有廉價和高效的太陽能電池。鈣鈦礦的希望在于它們將導致商用太陽能電池板比現(xiàn)在市場上更高效，更便宜“。
到目前為止，中國的電動汽車產(chǎn)業(yè)在商品化、產(chǎn)業(yè)規(guī)模、全產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)建等方面已經(jīng)成為全球新興產(chǎn)業(yè)拓展的典范。無論國內(nèi)國際相關人士基于何種經(jīng)濟立場、何種思維定勢、何種學術背景進行評述，都無法撼動中國已經(jīng)在純電動汽車產(chǎn)業(yè)化領域取得先發(fā)優(yōu)勢的事實。從2000年左右進行純電動汽車試點，截至2015年底，短短十幾年時間，中國純電動汽車銷售已超過50多萬輛，汽車動力電池產(chǎn)銷量占全球的70%。這樣的成功，主要源于三個方面的原因：第一，國家對于制造業(yè)和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)有清晰的戰(zhàn)略和明確的目標；第二，中央政府針對電動汽車行業(yè)推行了體系完整的政策組合；第三，相關行業(yè)主管部門基于動力電池性能對電動汽車推廣應用政策進行不斷完善。
中國電動汽車行業(yè)國家戰(zhàn)略及目標
對于下一步的工業(yè)化升級發(fā)展，發(fā)達國家都有自己的戰(zhàn)略，德國的工業(yè)4.0就是一個例子。中國對此課題也有經(jīng)過深思熟慮的、龐大而細密的戰(zhàn)略體系來應對，并把汽車工業(yè)升級發(fā)展作為一個突破口。在過去的十幾年中，很少有一個行業(yè)像新能源汽車行業(yè)一樣，由國務院連續(xù)通過多個最高層次的行政文件，反復明確行業(yè)戰(zhàn)略定位，細化發(fā)展目標，強化配套政策落實。
新能源汽車行業(yè)被國務院確定為重點發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。2010年，國務院發(fā)布實施《關于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》，新能源汽車成為國家決定重點發(fā)展的七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。2015年，國務院發(fā)布了《中國制造2025》，明確了中國制造業(yè)中長期發(fā)展的“戰(zhàn)略任務和重點”之一是實現(xiàn)節(jié)能與新能源汽車領域的突破發(fā)展。
純電動汽車是國務院優(yōu)先發(fā)展的技術路線。2012年，國務院發(fā)布了《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020）》，把行業(yè)發(fā)展的技術路線確定為“以純電驅(qū)動為新能源汽車發(fā)展和汽車工業(yè)轉(zhuǎn)型的主要戰(zhàn)略取向”。
快速產(chǎn)業(yè)化是中國電動汽車行業(yè)發(fā)展的主要目標之一。為加快電動汽車產(chǎn)業(yè)化，國務院辦公廳于2014年發(fā)布了《關于加快新能源汽車推廣應用的指導意見》，在公交車、出租車等城市客運以及環(huán)衛(wèi)、物流、機場通勤、公安巡邏等公共服務領域率先推廣電動汽車應用。從目前產(chǎn)業(yè)發(fā)展數(shù)據(jù)來看，國內(nèi)純電動汽車累計產(chǎn)銷量已經(jīng)超過50萬輛。根據(jù)國務院2016年制定的《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，到2020年，新能源汽車、新能源和節(jié)能環(huán)保等綠色低碳產(chǎn)業(yè)成為支柱產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)值規(guī)模達到10萬億元以上，其中純電動汽車和插電式混合動力汽車生產(chǎn)能力達200萬輛、累計產(chǎn)銷量超過500萬輛。與此同時，國家積極推進動力電池規(guī)?；a(chǎn)，加快培育和發(fā)展一批具有持續(xù)創(chuàng)新能力的動力電池生產(chǎn)企業(yè)，到2020年，動力電池行業(yè)總產(chǎn)能超過1000億瓦時，形成產(chǎn)銷規(guī)模在400億瓦時以上、具有國際競爭力的龍頭企業(yè)，并在正負極、隔膜、電解質(zhì)等關鍵材料領域分別形成2~3家骨干生產(chǎn)企業(yè)。
中國電動汽車行業(yè)發(fā)展政策組合
為了促進中國新能源汽車行業(yè)的健康發(fā)展，國務院指定工信部牽頭，于2013年11月建立了節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展部際聯(lián)席會議制度，對行業(yè)發(fā)展進行宏觀指導，協(xié)調(diào)推動重大政策措施落實等。該聯(lián)席會議由工信部、國家發(fā)改委、科技部、財政部等18個部門組成，從行業(yè)準入、產(chǎn)品質(zhì)量、安全標準、財政補貼、稅收減免、環(huán)境保護等方面構(gòu)建了完整的政策組合。這個政策組合，可以梳理成三大類。
一是培育和規(guī)范電動汽車行業(yè)發(fā)展。工信部通過《新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品準入管理規(guī)定》和《汽車動力電池行業(yè)規(guī)范條件》，提高市場準入門檻，規(guī)范電動汽車和動力電池行業(yè)有序發(fā)展。未納入推薦車型公告目錄的整車產(chǎn)品、未進入達標名單的動力電池生產(chǎn)企業(yè)，不能享受國家在政府采購、技術研發(fā)、用戶購車方面的優(yōu)惠政策或補貼。
二是直接補貼消費者以促進產(chǎn)品導入期的市場接受度。個人購買電動汽車試點工作首先在群眾購買能力較強、消費需求旺盛、環(huán)保壓力重的大城市開展，然后推向全國。中央財政和地方財政對消費者購買純電動汽車，除了車輛購置稅和車船使用稅的減免，還有大量的購車補貼。
三是提高環(huán)保和安全標準以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。環(huán)保部制定了《電池工業(yè)污染物排放標準》和《電動汽車動力蓄電池回收利用技術政策》，對于汽車動力電池行業(yè)的污染物排放和廢舊動力電池回購、梯次利用、循環(huán)利用做出了規(guī)定。質(zhì)檢總局制定了《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)：第3部分安全性要求與測試方法》以加強動力電池安全管理。
基于動力電池性能對政策進行不斷完善
中國對電動汽車行業(yè)的激勵政策，一直遵循一個基本的原則，就是把政策激勵力度與動力電池的性能直接綁定，歷史上的初始補貼政策是如此，目前的退坡補貼政策也是如此，未來的雙積分補貼政策更是如此。這樣的政策基點，推動了以高鎳三元鋰電池為代表的動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2017年，工信部等四部委發(fā)布了《促進汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動方案》，要求實施動力電池提升工程，通過國家科技計劃（專項、基金）等統(tǒng)籌支持動力電池研發(fā)，實現(xiàn)2020年單體比能量超過300瓦時/公斤。
2010年，財政部牽頭頒布了《關于開展私人購買新能源汽車補貼試點的通知》，規(guī)定根據(jù)動力電池組能量確定補助標準，純電動乘用車最高補助6萬元/輛。2013年，財政部等四部委發(fā)布《關于繼續(xù)開展新能源汽車推廣應用工作的通知》，把純電動汽車的補助標準基于續(xù)駛里程（R）細化為：80≤R＜150，3.5萬元/輛；150≤R＜250，5萬元/輛；R≥250，6萬元/輛。
2015年，財政部發(fā)布了《關于2016-2020年新能源汽車推廣應用財政支持政策的通知》，明確了純電動汽車的補貼標準：100≤R＜150，2.5萬元/輛；150≤R＜250，4.5萬元/輛；R≥250，4.5萬元/輛。鑒于新能源汽車產(chǎn)業(yè)，尤其是電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展逐步走上正軌，該《通知》規(guī)定，2017~2020年除燃料電池汽車外，其他車型補助標準適當退坡。其中，2017~2018年補助標準在2016年基礎上下降20%，2019~2020年補助標準在2016年基礎上下降40%。2016年財政部發(fā)布《關于調(diào)整新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》，提高推薦車型目錄門檻并動態(tài)調(diào)整。一是增加整車能耗要求；二是提高整車續(xù)駛里程門檻要求；三是引入動力電池新國標，提高動力電池的安全性、循環(huán)壽命、充放電性能等指標要求，設置動力電池能量密度門檻。該《通知》把純電動乘用車補貼進一步降低為：100≤R＜150，2萬元/輛；150≤R＜250，3.6萬元/輛；R≥250，4.4萬元/輛。同時，分別設置中央和地方補貼上限，其中地方財政補貼（地方各級財政補貼總和）不得超過中央財政單車補貼額的50%。
為建立新能源汽車發(fā)展的長效機制，工信部等五部委于2017年9月發(fā)布了《乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》，自2018年4月1日起實施，對乘用車生產(chǎn)企業(yè)實行“雙積分”制度。該政策意味著國家對電動汽車推廣政策由以補助購車用戶為主，轉(zhuǎn)到以強制汽車生產(chǎn)企業(yè)推廣電動汽車獲取新能源汽車積分為主。根據(jù)這項最新政策，傳統(tǒng)能源乘用車年度生產(chǎn)量或者進口量達到3萬輛以上的，從2019年度開始設定新能源汽車積分比例要求。2019年度、2020年度，新能源汽車積分比例要求分別為10%、12%。同時，由于新能源汽車積分計算采用“0.012×續(xù)駛里程+0.8”的公式，提高動力電池能量密度成為汽車企業(yè)的內(nèi)在要求。由于新能源汽車積分是可以用來交易的現(xiàn)實資產(chǎn)，刺激了新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)不斷合理提高續(xù)駛里程，也驅(qū)動出傳統(tǒng)燃料汽車制造商通過合資和獨資方式參與新能源汽車生產(chǎn)。
綜合來看，中國的新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策，在制定、實施、完善的過程中，用科學數(shù)據(jù)駁斥了純電動汽車減排效果不明顯的輿論，尊重了動力電池技術發(fā)展的趨勢，滿足了消費者對較高續(xù)駛里程的期待，利用市場手段遴選純電動汽車成為發(fā)展重點，通過有效的政策杠桿，促進了高鎳三元鋰電池成為行業(yè)發(fā)展主流。中國新能源汽車發(fā)展政策，立足科學，適應發(fā)展趨勢，服務行業(yè)，把短期補貼與長效激勵機制相結(jié)合，一方面促進了中國純電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，另一方面又促進了節(jié)能減排，是全球范圍內(nèi)以政策引導、培育、發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的典范。未來，中國政府應當支持行業(yè)組織和企業(yè)積極參與純電動汽車和動力電池國際標準和技術法規(guī)的制定，不斷提升在國際標準和技術法規(guī)領域的話語權。
