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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(yīng)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(guān)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(guān)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(zhuǎn)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(dǎo)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(yùn)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(jié)，提高光電轉(zhuǎn)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(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)使得MoSe2在太陽能電池領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)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(guān)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(gè)方面：

（1）市場規(guī)模：隨著全球?qū)稍偕茉葱枨蟮脑鲩L，太陽能電池市場規(guī)模不斷擴(kuò)大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2023年全年全國太陽能電池產(chǎn)量預(yù)計(jì)將超過477GW，同比增長50%左右。其中，單晶矽電池片占比將達(dá)到95%以上，N型電池片占比將達(dá)到20%左右。

（2）技術(shù)進(jìn)步：太陽能電池技術(shù)不斷進(jìn)步，光電轉(zhuǎn)換效率逐年提高。目前，晶體矽太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到了較高的水準(zhǔn)，而新型太陽能電池如鈣鈦礦太陽能電池、有機(jī)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(tái)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(tái)了一系列政策措施促進(jìn)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(gè)環(huán)節(jié)，形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈體系。

太陽能電池圖片

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(gè)方面：

（1）市場需求持續(xù)增長：隨著全球?qū)稍偕茉葱枨蟮牟粩嘣鲩L，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(yīng)用前景更加廣闊。

（2）技術(shù)創(chuàng)新推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)：技術(shù)創(chuàng)新是推動(dòng)太陽能電池產(chǎn)業(yè)升級(jí)的關(guān)鍵因素。未來，隨著新型太陽能電池材料的研發(fā)和應(yīng)用，太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性將得到進(jìn)一步提升。

（3）成本下降：隨著太陽能電池技術(shù)的不斷進(jìn)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(jìn)一步提升，加速其在全球範(fàn)圍內(nèi)的普及和應(yīng)用。

（4）政策推動(dòng)：各國政府將繼續(xù)出臺(tái)政策，支持太陽能電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。政策推動(dòng)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(jī)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(shù)的不斷進(jìn)步和政策的支持，太陽能電池將在全球範(fàn)圍內(nèi)得到更廣泛的應(yīng)用和推廣。

太陽能電池圖片

21.1 硫化鉬在太陽能電池中的應(yīng)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(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。硫化鉬具有類似於石墨烯的同功結(jié)構(gòu)，這意味著它能夠提供更多的催化活性位點(diǎn)，為太陽能電池的對(duì)電極材料提供了新的選擇。

硫化鉬是一種無機(jī)化合物，為黑色固體粉末，具有金屬光澤。它的晶體結(jié)構(gòu)是由外側(cè)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(qiáng)的共價(jià)鍵，而在該單層MoSx與附近側(cè)MoSx的層間則是通過弱的范德華力結(jié)合而成。這種獨(dú)特的層間結(jié)構(gòu)使得硫化鉬在光氧化和電化學(xué)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(lǐng)域。

硫化鉬還具有一系列優(yōu)異的物理和化學(xué)特性，如高硬度、低摩擦係數(shù)、良好的化學(xué)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(yīng)用，例如作為固體潤滑劑、摩擦材料和潤滑材料等。

硫化鉬圖片

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(yīng)生成硫化鉬。反應(yīng)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(yīng)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(yīng)生成硫化鉬。反應(yīng)方程式為：6MoCl5+16H2O+14H2S→6MoS2+16HCl+35H2O。

硫化鉬圖片

在太陽能電池領(lǐng)域，硫化鉬主要用於第三代太陽能電池的對(duì)電極材料。由於其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)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(bào)導(dǎo)指出，硫化鉬對(duì)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(jié)合使用，如與石墨烯結(jié)合形成範(fàn)德瓦耳斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)，以提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。

除了在太陽能電池領(lǐng)域的應(yīng)用外，硫化鉬還廣泛用於其他領(lǐng)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(yīng)用於汽車、航空航太、電子產(chǎn)業(yè)和重工機(jī)械等領(lǐng)域。催化劑：硫化鉬可以作為氫化反應(yīng)催化劑，用於鉬化合物的製備等。其他應(yīng)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(dǎo)體材料用於電子器件的製造等。

汽車圖片

21.1.1 硫化鉬薄膜異質(zhì)結(jié)太陽能電池

21.1.2 硫化鉬薄膜異質(zhì)結(jié)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(yīng)用

21.2.1 什麼是硒化鉬/矽異質(zhì)結(jié)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(guān)鍵吸光材料——鈣鈦礦型有機(jī)金屬鹵化物半導(dǎo)體。這種材料具有特殊的晶體結(jié)構(gòu)（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(shè)計(jì)原理主要基於以下幾個(gè)關(guān)鍵部分：透明導(dǎo)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(dāng)太陽光照射到鈣鈦礦層時(shí)，光子被吸收並激發(fā)材料內(nèi)的電子，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。這些電子-空穴對(duì)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。

太陽能電池圖片

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(zhuǎn)化為電能。這一過程中，鈣鈦礦材料的特殊結(jié)構(gòu)和性能發(fā)揮了關(guān)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(diǎn)。

（1）光吸收：當(dāng)太陽光照射到鈣鈦礦太陽能電池的表面時(shí)，首先會(huì)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(huì)激發(fā)鈣鈦礦材料內(nèi)的電子，使其從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)。這個(gè)過程中，電子獲得了足夠的能量，變得足夠活躍，能夠流動(dòng)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(kuò)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(jié)構(gòu)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(huì)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(chǔ)。

（4）電流傳輸：分離後的自由載流子（電子和空穴）會(huì)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(dǎo)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(shè)計(jì)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(dǎo)電基底（如FTO）和金屬電極的電路，形成電流。這個(gè)電流可以被匯出到外部設(shè)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(shè)備，完成整個(gè)光電轉(zhuǎn)換的過程。同時(shí)，電子和空穴會(huì)返回鈣鈦礦材料，準(zhǔn)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(zhuǎn)換效率、低成本和易製備等優(yōu)點(diǎn)在光伏領(lǐng)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(yīng)用時(shí)的效率損失仍是制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素。

硒化鉬圖片

二、鈣鈦礦太陽能電池的優(yōu)點(diǎn)

（1）高轉(zhuǎn)換效率：鈣鈦礦太陽能電池以其高轉(zhuǎn)換效率而備受矚目。理論上，其轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到30%以上，這意味著它能夠更有效地將太陽光轉(zhuǎn)化為電能。事實(shí)上，隨著研究的深入和技術(shù)的進(jìn)步，鈣鈦礦太陽能電池的實(shí)際轉(zhuǎn)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(duì)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(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。

太陽能電池圖片

三、鈣鈦礦太陽能電池的缺點(diǎn)

（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(dǎo)致鈣鈦礦太陽能電池在實(shí)際應(yīng)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(shí)，遠(yuǎn)低於傳統(tǒng)矽基太陽能電池的使用壽命。

（2）大面積應(yīng)用時(shí)的效率損失：儘管在小面積下鈣鈦礦太陽能電池可以實(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換效率，但在大面積應(yīng)用時(shí)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(dǎo)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(duì)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(xué)和光學(xué)性能。它的獨(dú)特結(jié)構(gòu)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。