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第IV部分稀土在新能源電池市場(chǎng)的介紹
第二十九章稀土元素在太陽能電池中的應(yīng)用

稀土元素在太陽能電池中的應(yīng)用是一個(gè)活躍且充滿潛力的研究領(lǐng)域。這些元素以其獨(dú)特的光電特性、電子傳導(dǎo)能力和穩(wěn)定性，在提升太陽能電池的效率、穩(wěn)定性和壽命方面發(fā)揮著重要作用。

稀土元素（Rare Earth Elements, REEs）是一組具有相似化學(xué)性質(zhì)的元素，包括鑭系元素（從鑭到镥的15個(gè)元素）以及鈧和釔。這些元素在自然界中通常以礦物形式存在，并因其獨(dú)特的電子排布而展現(xiàn)出多種物理和化學(xué)性質(zhì)。在太陽能電池領(lǐng)域，稀土元素主要通過摻雜、涂層或作為功能性材料等方式發(fā)揮作用。

太陽能電池圖片

光電轉(zhuǎn)換效率是太陽能電池性能的關(guān)鍵指針之一。稀土元素具有較高的光吸收能力和寬帶隙特性，能有效促進(jìn)光的吸收和電子的遷移，從而提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。例如，氧化鈰（CeO?）、釔鐵石榴石（YIG）等稀土材料的摻雜可顯著提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。研究表明，適量的稀土摻雜可優(yōu)化太陽能電池的光學(xué)性能和電學(xué)性能，使得光生載流子的分離和傳輸更加高效（參考文獻(xiàn)：稀土材料在太陽能電池中的應(yīng)用與發(fā)展）。某些實(shí)驗(yàn)表明，通過稀土摻雜，太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率可以提升數(shù)個(gè)百分點(diǎn)。雖然具體提升幅度因稀土元素種類、摻雜濃度和太陽能電池結(jié)構(gòu)等因素而異，但這一趨勢(shì)是明確的。

能帶結(jié)構(gòu)是影響太陽能電池性能的重要因素。稀土元素的引入可以調(diào)整太陽能電池的能帶結(jié)構(gòu)，使得其更加有利于光生載流子的分離和傳輸。例如，在鈣鈦礦太陽能電池中，稀土元素的摻雜可以調(diào)控其價(jià)帶和導(dǎo)帶的位置和寬度，從而優(yōu)化其光電性能。此外，稀土元素還可以作為敏化劑或啟動(dòng)劑，在太陽能電池中引入新的能級(jí)或光學(xué)躍遷過程，提高其對(duì)光的吸收和利用效率（參考文獻(xiàn)：稀土摻雜在鈣鈦礦太陽能電池中的應(yīng)用研究）。在鈣鈦礦太陽能電池中，稀土摻雜已成為提高光電轉(zhuǎn)換效率的重要手段之一。通過優(yōu)化稀土元素的種類和摻雜濃度，研究人員已經(jīng)成功制備出光電轉(zhuǎn)換效率超過25%的鈣鈦礦太陽能電池（參考文獻(xiàn)：鈣鈦礦太陽能電池研究進(jìn)展及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景）。

太陽能電池在運(yùn)行過程中常會(huì)受到環(huán)境因素的影響，如溫度、濕度、紫外線輻射等。這些因素可能導(dǎo)致太陽能電池材料的性能退化甚至失效。稀土元素的添加可以增強(qiáng)太陽能電池的耐腐蝕性和穩(wěn)定性，提高其抗老化能力。例如，稀土氧化物可以作為保護(hù)涂層或緩沖層，有效隔絕環(huán)境因素對(duì)太陽能電池材料的侵蝕。此外，稀土元素還可以通過調(diào)控其電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，改善太陽能電池材料與電極或基底的界面結(jié)合力，從而提高其整體穩(wěn)定性（參考文獻(xiàn)：稀土材料在光伏領(lǐng)域的應(yīng)用前景與挑戰(zhàn)）。有研究表明，通過稀土元素的添加，太陽能電池在紫外線輻射下的穩(wěn)定性顯著提高。在連續(xù)光照下工作數(shù)百小時(shí)后，其光電轉(zhuǎn)換效率僅略有下降。這表明稀土元素在提高太陽能電池穩(wěn)定性方面具有顯著效果。

稀土礦山圖片

除了上述直接應(yīng)用于太陽能電池材料的稀土元素外，還有一些稀土元素在太陽能電池的其他組成部分中發(fā)揮著重要作用。例如，稀土元素可以用于制備高效的電極材料、集流體或反光鏡等組件，以進(jìn)一步提高太陽能電池的性能。此外，稀土元素還可以作為催化劑或添加劑，在太陽能電池的制備過程中改善材料的加工性能和微觀結(jié)構(gòu)（參考文獻(xiàn)：稀土元素有哪些神奇應(yīng)用）。

盡管稀土元素在太陽能電池中的應(yīng)用展現(xiàn)出巨大的潛力，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。首先，稀土元素的資源有限且分布不均，這限制了其在太陽能電池中的大規(guī)模應(yīng)用。其次，稀土元素的提取和加工成本較高，且部分稀土元素具有毒性或放射性，這對(duì)其在太陽能電池中的廣泛應(yīng)用提出了更高要求。

為了克服這些挑戰(zhàn)并推動(dòng)稀土元素在太陽能電池中的廣泛應(yīng)用，未來的研究將重點(diǎn)集中在以下幾個(gè)方面：一是開發(fā)新型稀土材料和技術(shù)以降低其成本并提高資源利用率；二是研究稀土元素在太陽能電池中的作用機(jī)制以優(yōu)化其性能；三是探索稀土元素與其他材料的復(fù)合或協(xié)同作用以制備高性能的太陽能電池；四是加強(qiáng)環(huán)保意識(shí)和監(jiān)管力度以確保稀土元素的可持續(xù)利用和安全性。

太陽能電池圖片

29.1 鑭元素在太陽能電池中的應(yīng)用

鑭元素（La），作為稀土元素的一種，在太陽能電池領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛且重要。其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，使得鑭在提升太陽能電池效率、穩(wěn)定性和降低成本方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

鑭是一種銀白色的金屬元素，位于元素周期表的第六周期、第IIIB族，原子序數(shù)為57，是稀土元素中最輕的成員之一。鑭具有良好的延展性和可塑性，能與其他金屬形成合金，同時(shí)其化合物在光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

鑭元素圖片

一、鑭元素在太陽能電池中的作用

（1）提高發(fā)電效率

摻雜效應(yīng)：在太陽能電池中，鑭常被用作摻雜元素。例如，在有機(jī)太陽能電池（OSCs）中，北京化工大學(xué)李韋偉課題組的研究表明，通過低溫溶液加工鈷-鑭空穴傳輸層（HTL），可以顯著提升OSCs的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）。該研究指出，基于Co-La50% HTL的OSCs器件獲得了18.82%的最佳PCE，遠(yuǎn)高于基于傳統(tǒng)PEDOT:PSS的器件（18.03%）。這一成果不僅展示了鑭在提高OSCs效率方面的潛力，還為未來大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用提供了可能（數(shù)據(jù)源于《有機(jī)光電材料，OPV,OLED,OFET南京知研科技有限公司》）。

鈣鈦礦太陽能電池：此外，鑭系稀土離子（包括La3+）也被用于摻雜全無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池中的CsPbBr3材料。研究表明，鑭系稀土離子的摻雜可以在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中引入中間能級(jí)，優(yōu)化光生電子的傳輸路徑，延長(zhǎng)光生電子壽命，從而減少電子復(fù)合反應(yīng)，提高光電轉(zhuǎn)換效率。通過多步液相旋涂技術(shù)，基于鑭系稀土離子摻雜的CsPbBr3全無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)10%以上，且在不同濕度和溫度條件下表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性（數(shù)據(jù)源于《江都區(qū)全球?qū)＠阉髌脚_(tái)》）。

鑭元素圖片

（2）改善穩(wěn)定性

除了提高效率外，鑭元素還有助于改善太陽能電池的穩(wěn)定性。以有機(jī)太陽能電池為例，基于Co-La50% HTL的OSCs器件在不同條件下（如充滿氮?dú)獾氖痔紫渲袃?chǔ)存、環(huán)境濕度和連續(xù)照明）均表現(xiàn)出優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。這種穩(wěn)定性的提升對(duì)于太陽能電池的商業(yè)化應(yīng)用具有重要意義，因?yàn)榉€(wěn)定性是影響太陽能電池使用壽命和性能的關(guān)鍵因素之一。

（3）降低成本

在太陽能電池的生產(chǎn)過程中，降低成本是提高其競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。鑭元素的應(yīng)用可以在一定程度上幫助降低生產(chǎn)成本。例如，在全無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池中，采用碳作為背電極材料，避免了昂貴的空穴傳輸材料以及貴金屬背電極的使用，從而降低了生產(chǎn)成本。此外，鑭系稀土離子通過簡(jiǎn)單的多步液相旋涂法進(jìn)行摻雜，制備方式簡(jiǎn)單，也為降低成本提供了可能。

太陽能電池圖片

二、鑭元素在太陽能電池中的應(yīng)用實(shí)例

實(shí)例一：有機(jī)太陽能電池
材料：鈷-鑭空穴傳輸層（Co-La HTL）
效率：基于Co-La50% HTL的OSCs器件獲得了18.82%的最佳PCE，遠(yuǎn)高于基于PEDOT:PSS的器件（18.03%）。
穩(wěn)定性：在不同條件下均表現(xiàn)出優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

實(shí)例二：全無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池
材料：CsPbBr3摻雜La3+
效率：光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)10%以上。
穩(wěn)定性：在濕度為60~90%的環(huán)境下連續(xù)測(cè)試110天，在濕度為0%的80度環(huán)境下連續(xù)測(cè)試60天，電池效率無明顯衰減。

鑭元素圖片

29.2 鈰元素在太陽能電池中的應(yīng)用

29.3 鐠元素在太陽能電池中的應(yīng)用

29.4 釹元素在太陽能電池中的應(yīng)用

29.5 銪元素在太陽能電池中的應(yīng)用

29.6 釓元素在太陽能電池中的應(yīng)用

釓（Gd）是一種銀白色的金屬元素，原子序數(shù)為64，原子量為157.25。它在地殼中的含量相對(duì)較少，約為0.000636%，主要存在于獨(dú)居石和氟碳鈰礦等稀土礦物中。釓具有良好的物理和化學(xué)性質(zhì)，如高熔點(diǎn)（1313°C）、高沸點(diǎn)（3266°C）、良好的延展性和磁性等。此外，釓還具有較高的熱中子俘獲截面，這一特性使其在核反應(yīng)堆控制材料、防護(hù)材料以及磁制冷等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

釓的提取通常涉及從稀土礦藏中綜合回收伴生的釓。采集到的礦石經(jīng)過破碎、磨礦、浸出、沉淀與分離、純化和提純等步驟后，得到高純度的釓物質(zhì)。

稀土礦山圖片

一、釓元素在太陽能電池中的基本應(yīng)用

（1）減反射層

在太陽能電池中，減反射層是一個(gè)重要的組成部分，它能夠減少光線在電池表面的反射損失，提高光的吸收效率。研究表明，氧化釓（Gd2O3）作為一種優(yōu)良的減反射材料，具有與硅晶格失配率低、禁帶寬度大、折射率高以及穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。通過有機(jī)化學(xué)氣相沉積等方法在太陽能電池表面沉積一層氧化釓減反射層，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚恚梢栽跍p反射層與電池層之間形成SiO2緩沖層，從而有效減少光線的反射損失。這種方法不僅能夠提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，還能增強(qiáng)其穩(wěn)定性和耐久性。

氧化釓圖片

（2）電子傳輸層優(yōu)化

在鈣鈦礦太陽能電池（PSC）中，電子傳輸層的質(zhì)量對(duì)電池的性能具有重要影響。二氧化錫（SnO2）作為常用的電子傳輸層材料，具有低遲滯、低溫制備和高紫外穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。然而，SnO22表面存在大量的錫懸掛鍵和氧空位缺陷，這些缺陷會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的電荷復(fù)合并加劇接口的不穩(wěn)定性。

為了優(yōu)化SnO2與鈣鈦礦層之間的接口，研究人員將釓元素引入到基于SnO2的平面PSC中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，釓元素的引入有利于SnO2與鈣鈦礦層之間形成更好的能帶匹配，促進(jìn)電子的傳輸和收集。同時(shí)，釓元素還能夠有效鈍化SnO2的接口缺陷，減少電荷復(fù)合，并降低表面能，進(jìn)一步提高鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量和PSC的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）。據(jù)報(bào)導(dǎo)，基于釓摻雜的PSC呈現(xiàn)出高達(dá)22.40%的最優(yōu)PCE和21.95%的認(rèn)證效率，顯示出稀土元素釓摻雜在提高PSC光伏性能方面的巨大潛力。

太陽能電池圖片

（3）其他潛在應(yīng)用

雖然目前釓元素在太陽能電池中的直接應(yīng)用主要集中在減反射層和電子傳輸層優(yōu)化方面，但隨著研究的深入和技術(shù)的進(jìn)步，釓元素在太陽能電池領(lǐng)域的應(yīng)用前景將更加廣闊。例如，釓元素及其化合物可能在太陽能電池的新型光電材料、電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及能量轉(zhuǎn)換效率提升等方面發(fā)揮重要作用。此外，釓元素在太陽能電池的穩(wěn)定性和耐久性提升方面也具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。