第Ⅲ部分 鉬在新能源電池市場的介紹
第二十一章 鉬在太陽能電池中的應用
鉬（Mo）作為一種重要的金屬材料，在太陽能電池中發(fā)揮著至關重要的作用。它不僅可以作為電極材料，還可以作為太陽能電池中的關鍵組成元素，通過與其他材料的複合，提高太陽能電池的光電轉換效率和穩(wěn)定性。
鉬是製作太陽能電池電極的重要材料之一。在太陽能電池中，鉬電極通常用於收集電流，其高電導率和良好的熱穩(wěn)定性使得太陽能電池能夠高效、穩(wěn)定地運行。
鉬元素圖片
作為一種二維材料，二硫化鉬（MoS2）具有優(yōu)異的光電性能。它不僅可以作為太陽能電池中的光吸收層，提高光吸收效率，還可以與其他材料形成異質(zhì)結，提高光電轉換效率。二硒化鉬（MoSe2）同樣是一種具有潛力的太陽能電池材料。其獨特的電子結構和光學性質(zhì)使得MoSe2在太陽能電池領域有著廣泛的應用前景。鉬酸鋅（ZnMoO4）作為一種新型的光電材料，也受到了太陽能電池研究者的關注。它可以通過與其他材料的複合，提高太陽能電池的光電性能和穩(wěn)定性。
太陽能電池產(chǎn)業(yè)是近年來發(fā)展迅速的產(chǎn)業(yè)之一，其發(fā)展現(xiàn)狀主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
（1）市場規(guī)模：隨著全球對可再生能源需求的增長，太陽能電池市場規(guī)模不斷擴大。據(jù)統(tǒng)計，2023年全年全國太陽能電池產(chǎn)量預計將超過477GW，同比增長50%左右。其中，單晶矽電池片占比將達到95%以上，N型電池片占比將達到20%左右。
（2）技術進步：太陽能電池技術不斷進步，光電轉換效率逐年提高。目前，晶體矽太陽能電池的光電轉換效率已經(jīng)達到了較高的水準，而新型太陽能電池如鈣鈦礦太陽能電池、有機太陽能電池等也在不斷湧現(xiàn)。
（3）政策支持：各國政府紛紛出臺政策，支持太陽能電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。例如，中國已將太陽能電池行業(yè)列為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，並出臺了一系列政策措施促進其發(fā)展。
（4）產(chǎn)業(yè)鏈完善：太陽能電池產(chǎn)業(yè)鏈不斷完善，上下游企業(yè)協(xié)同發(fā)展。目前，太陽能電池產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)涵蓋了矽材料、矽片、電池片、元件、系統(tǒng)等各個環(huán)節(jié)，形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈體系。
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太陽能電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景廣闊，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
（1）市場需求持續(xù)增長：隨著全球對可再生能源需求的不斷增長，太陽能電池的市場需求將持續(xù)增長。特別是在新興市場和發(fā)展中國家，太陽能電池的應用前景更加廣闊。
（2）技術創(chuàng)新推動產(chǎn)業(yè)升級：技術創(chuàng)新是推動太陽能電池產(chǎn)業(yè)升級的關鍵因素。未來，隨著新型太陽能電池材料的研發(fā)和應用，太陽能電池的光電轉換效率和穩(wěn)定性將得到進一步提升。
（3）成本下降：隨著太陽能電池技術的不斷進步和產(chǎn)業(yè)鏈的不斷完善，太陽能電池的成本將不斷下降。這將使得太陽能電池在能源市場中的競爭力進一步提升，加速其在全球範圍內(nèi)的普及和應用。
（4）政策推動：各國政府將繼續(xù)出臺政策，支持太陽能電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。政策推動將為太陽能電池產(chǎn)業(yè)提供更加良好的發(fā)展環(huán)境和市場機遇。
綜上所述，鉬在太陽能電池中發(fā)揮著重要作用，太陽能電池產(chǎn)業(yè)也面臨著廣闊的發(fā)展前景。未來，隨著技術的不斷進步和政策的支持，太陽能電池將在全球範圍內(nèi)得到更廣泛的應用和推廣。
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21.1 硫化鉬在太陽能電池中的應用
硫化鉬（MoSx）作為一種具有優(yōu)異性能的二維層狀過渡金屬硫化物（TMD）材料，在太陽能電池領域展現(xiàn)出了巨大的應用潛力。硫化鉬具有類似於石墨烯的同功結構，這意味著它能夠提供更多的催化活性位點，為太陽能電池的對電極材料提供了新的選擇。
硫化鉬是一種無機化合物，為黑色固體粉末，具有金屬光澤。它的晶體結構是由外側兩層S原子夾住中間的一層Mo原子所組成，Mo-S夾層內(nèi)是強的共價鍵，而在該單層MoSx與附近側MoSx的層間則是通過弱的范德華力結合而成。這種獨特的層間結構使得硫化鉬在光氧化和電化學還原條件下都表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性，特別適用於光伏器件和光催化領域。
硫化鉬還具有一系列優(yōu)異的物理和化學特性，如高硬度、低摩擦係數(shù)、良好的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性等。這些特性使得硫化鉬在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應用，例如作為固體潤滑劑、摩擦材料和潤滑材料等。
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硫化鉬的製備方法主要有以下幾種：
（1）直接還原法：將氧化鉬（MoO3）和硫化氫（H2S）反應生成硫化鉬。反應方程式為：2MoO3+3H2S→Mo2S3+3H2O。這種方法可用于製備高純度的硫化鉬。
（2）水熱合成法：將氧化鉬和硫化物在高溫高壓水溶液中反應合成硫化鉬。這種方法可以控制硫化鉬的形貌和晶相。
（3）水解法：將氯化鉬（MoCl5）溶解在過量的水中，然後加入硫化氫反應生成硫化鉬。反應方程式為：6MoCl5+16H2O+14H2S→6MoS2+16HCl+35H2O。
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在太陽能電池領域，硫化鉬主要用於第三代太陽能電池的對電極材料。由於其獨特的電子結構和穩(wěn)定性，MoSx在這些太陽能電池中展現(xiàn)出了優(yōu)異的電催化活性。許多研究報導指出，硫化鉬對第三代太陽能電池中的的還原表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化活性，為太陽能電池的性能提升提供了有力的支援。此外，硫化鉬還可以與其他材料結合使用，如與石墨烯結合形成範德瓦耳斯異質(zhì)結構，以提高太陽能電池的光電轉換效率和穩(wěn)定性。
除了在太陽能電池領域的應用外，硫化鉬還廣泛用於其他領域。例如，潤滑材料：硫化鉬具有優(yōu)異的潤滑性能，可以作為固體潤滑劑、摩擦材料和潤滑材料等，廣泛應用於汽車、航空航太、電子產(chǎn)業(yè)和重工機械等領域。催化劑：硫化鉬可以作為氫化反應催化劑，用於鉬化合物的製備等。其他應用：硫化鉬還可以用於製備塗料、油墨、橡膠等材料的添加劑，以及作為半導體材料用於電子器件的製造等。
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21.1.1 硫化鉬薄膜異質(zhì)結太陽能電池
21.1.2 硫化鉬薄膜異質(zhì)結太陽能電池的創(chuàng)新研究
21.1.3 太陽能電池用硫化鉬的挑戰(zhàn)
21.2 硒化鉬在太陽能電池中的應用
21.2.1 什麼是硒化鉬/矽異質(zhì)結太陽能電池
21.2.2 鈦礦太陽能電池用二硒化鉬
鈣鈦礦太陽能電池，也被稱為新概念太陽能電池，屬於第三代太陽能電池。其名稱來源於其關鍵吸光材料——鈣鈦礦型有機金屬鹵化物半導體。這種材料具有特殊的晶體結構（ABX3型）和優(yōu)異的光電性能，使得鈣鈦礦太陽能電池在光吸收、電子激發(fā)、電荷分離等方面表現(xiàn)出色。
鈣鈦礦太陽能電池的設計原理主要基於以下幾個關鍵部分：透明導電基底、載流子傳輸層、鈣鈦礦層以及金屬電極。其中，鈣鈦礦層作為吸光層，直接決定了器件的性能。當太陽光照射到鈣鈦礦層時，光子被吸收並激發(fā)材料內(nèi)的電子，產(chǎn)生電子-空穴對。這些電子-空穴對在電場的作用下分離，並通過載流子傳輸層被電極收集，最終在外電路中形成電流。
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一、鈣鈦礦太陽能電池的工作原理
鈣鈦礦太陽能電池的工作原理是通過光吸收、電子激發(fā)、電荷分離、電流傳輸和電流輸出等步驟，將太陽能轉化為電能。這一過程中，鈣鈦礦材料的特殊結構和性能發(fā)揮了關鍵作用，使得鈣鈦礦太陽能電池具有高效、環(huán)保和低成本等優(yōu)點。
（1）光吸收：當太陽光照射到鈣鈦礦太陽能電池的表面時，首先會被鈣鈦礦層所吸收。鈣鈦礦層作為吸光層，具有高效的光吸收能力，能夠吸收太陽光中的光子。鈣鈦礦材料的光吸收係數(shù)很高，通常大約300nm厚的鈣鈦礦層材料即能充分吸收入射光子，這大大降低了電池的成本和厚度。
（2）電子激發(fā)：吸收的光子會激發(fā)鈣鈦礦材料內(nèi)的電子，使其從低能級躍遷到高能級。這個過程中，電子獲得了足夠的能量，變得足夠活躍，能夠流動並產(chǎn)生電流。鈣鈦礦材料往往具有較低的載流子複合幾率和較高的載流子遷移率，這使得電子和空穴的擴散距離和壽命較長，有利於電流的生成和傳輸。
（3）電荷分離：在鈣鈦礦太陽能電池中，由於鈣鈦礦材料的特殊結構和電場的作用，被激發(fā)的電子和空穴（即失去電子的原子留下的空位）會迅速分離。激子（由電子和空穴組成的束縛態(tài)）在室溫下能夠迅速分離成自由的電子和空穴，為電流的生成提供了基礎。
（4）電流傳輸：分離後的自由載流子（電子和空穴）會在鈣鈦礦材料中傳輸。這些載流子通過電子傳輸層和空穴傳輸層被有效地收集和導向。電子傳輸層起到傳輸電子並阻擋空穴的作用，而空穴傳輸層則是起到傳輸空穴並阻擋電子的作用。這種設計確保了電子和空穴能夠分別被收集，減少了載流子的損失。
（5）電流輸出：電子和空穴分別被收集後，通過連接透明導電基底（如FTO）和金屬電極的電路，形成電流。這個電流可以被匯出到外部設備，如電池、充電器等，用於供電或充電。產(chǎn)生的電壓通過電線傳輸?shù)酵獠吭O備，完成整個光電轉換的過程。同時，電子和空穴會返回鈣鈦礦材料，準備下一次的光吸收和電流生成。
鈣鈦礦太陽能電池以其高轉換效率、低成本和易製備等優(yōu)點在光伏領域展現(xiàn)出巨大的潛力。然而，其穩(wěn)定性問題和在大面積應用時的效率損失仍是制約其發(fā)展的關鍵因素。
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二、鈣鈦礦太陽能電池的優(yōu)點
（1）高轉換效率：鈣鈦礦太陽能電池以其高轉換效率而備受矚目。理論上，其轉換效率可達到30%以上，這意味著它能夠更有效地將太陽光轉化為電能。事實上，隨著研究的深入和技術的進步，鈣鈦礦太陽能電池的實際轉換效率也在不斷提高，逐步接近理論值。
（2）低成本：鈣鈦礦材料是一種合成材料，其原料中沒有稀有金屬，這使得其製造成本相對較低。與傳統(tǒng)的矽基太陽能電池相比，鈣鈦礦太陽能電池在材料成本上具有顯著優(yōu)勢，有助於降低整個太陽能電池系統(tǒng)的成本。
（3）易製備：鈣鈦礦太陽能電池可以通過溶液法製備，這種製備方法簡單、靈活，並且易於實現(xiàn)大面積製備。與其他太陽能電池相比，鈣鈦礦太陽能電池的製備過程更加便捷，有利於實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和應用。
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三、鈣鈦礦太陽能電池的缺點
（1）穩(wěn)定性較差：鈣鈦礦材料在光照、濕度、溫度等條件下易發(fā)生分解和老化。這導致鈣鈦礦太陽能電池在實際應用中表現(xiàn)出較差的穩(wěn)定性。例如，一些研究指出鈣鈦礦電池的T80壽命（即效率下降到初始值的80%的壽命）只有數(shù)千小時，遠低於傳統(tǒng)矽基太陽能電池的使用壽命。
（2）大面積應用時的效率損失：儘管在小面積下鈣鈦礦太陽能電池可以實現(xiàn)較高的轉換效率，但在大面積應用時卻面臨效率損失的問題。這主要是由於製備工藝和材料均勻性等方面的挑戰(zhàn)導致的。在大面積製備過程中，很難保證鈣鈦礦層的均勻性和一致性，從而影響了器件的整體性能。
針對鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性較差的問題，研究人員提出了多種解決方案，其中摻雜二硒化鉬（MoSe?）是一種有效的方法。二硒化鉬是一種二維材料，具有優(yōu)異的電學和光學性能。它的獨特結構和性質(zhì)使其成為一種理想的材料，用於改善鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性。
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四、鈣鈦礦太陽能電池摻雜二硒化鉬的作用
（1）抑制離子遷移：鈣鈦礦太陽能電池在工作過程中，鈣鈦礦層中的離子（如Li離子和I離子）容易發(fā)生遷移，導致器件性能下降。二硒化鉬的摻入可以形成穩(wěn)定的介面層，有效抑制這些離子的遷移，從而提高器件的穩(wěn)定性。
（2）減少複合損失：在鈣鈦礦太陽能電池中，電子和空穴的複合是性能損失的主要原因之一。二硒化鉬的摻入能夠減少介面處的複合損失，提高電荷的收集效率，從而增強器件的光電轉換效率。
（3）提高電荷傳輸效率：二硒化鉬具有良好的電導性和載流子遷移率，其摻入鈣鈦礦太陽能電池中可以提高電荷的傳輸效率，使電流輸出更加穩(wěn)定。
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21.2.3 太陽能電池用二硒化鉬複合材料
21.2.4 太陽能電池用硒化鉬的挑戰(zhàn)
21.3 鉬酸鋅在太陽能電池中的應用
21.3.1 太陽能電池對電極用鉬酸鋅複合材料
21.3.2 太陽能電池用鉬酸鋅的挑戰(zhàn)
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