第IV部分 稀土在新能源电池市场的介绍
第二十九章 稀土元素在太阳能电池中的应用
稀土元素在太阳能电池中的应用是一个活跃且充满潜力的研究领域。这些元素以其独特的光电特性、电子传导能力和稳定性，在提升太阳能电池的效率、稳定性和寿命方面发挥着重要作用。
稀土元素（Rare Earth Elements, REEs）是一组具有相似化学性质的元素，包括镧系元素（从镧到镥的15个元素）以及钪和钇。这些元素在自然界中通常以矿物形式存在，并因其独特的电子排布而展现出多种物理和化学性质。在太阳能电池领域，稀土元素主要通过掺杂、涂层或作为功能性材料等方式发挥作用。
太阳能电池图片
光电转换效率是太阳能电池性能的关键指针之一。稀土元素具有较高的光吸收能力和宽带隙特性，能有效促进光的吸收和电子的迁移，从而提高太阳能电池的光电转换效率。例如，氧化铈（CeO₂）、钇铁石榴石（YIG）等稀土材料的掺杂可显著提高太阳能电池的光电转换效率。研究表明，适量的稀土掺杂可优化太阳能电池的光学性能和电学性能，使得光生载流子的分离和传输更加高效（参考文献：稀土材料在太阳能电池中的应用与发展）。某些实验表明，通过稀土掺杂，太阳能电池的光电转换效率可以提升数个百分点。虽然具体提升幅度因稀土元素种类、掺杂浓度和太阳能电池结构等因素而异，但这一趋势是明确的。
能带结构是影响太阳能电池性能的重要因素。稀土元素的引入可以调整太阳能电池的能带结构，使得其更加有利于光生载流子的分离和传输。例如，在钙钛矿太阳能电池中，稀土元素的掺杂可以调控其价带和导带的位置和宽度，从而优化其光电性能。此外，稀土元素还可以作为敏化剂或启动剂，在太阳能电池中引入新的能级或光学跃迁过程，提高其对光的吸收和利用效率（参考文献：稀土掺杂在钙钛矿太阳能电池中的应用研究）。在钙钛矿太阳能电池中，稀土掺杂已成为提高光电转换效率的重要手段之一。通过优化稀土元素的种类和掺杂浓度，研究人员已经成功制备出光电转换效率超过25%的钙钛矿太阳能电池（参考文献：钙钛矿太阳能电池研究进展及产业化应用前景）。
太阳能电池在运行过程中常会受到环境因素的影响，如温度、湿度、紫外线辐射等。这些因素可能导致太阳能电池材料的性能退化甚至失效。稀土元素的添加可以增强太阳能电池的耐腐蚀性和稳定性，提高其抗老化能力。例如，稀土氧化物可以作为保护涂层或缓冲层，有效隔绝环境因素对太阳能电池材料的侵蚀。此外，稀土元素还可以通过调控其电子结构和化学性质，改善太阳能电池材料与电极或基底的界面结合力，从而提高其整体稳定性（参考文献：稀土材料在光伏领域的应用前景与挑战）。有研究表明，通过稀土元素的添加，太阳能电池在紫外线辐射下的稳定性显著提高。在连续光照下工作数百小时后，其光电转换效率仅略有下降。这表明稀土元素在提高太阳能电池稳定性方面具有显著效果。
稀土矿山图片
除了上述直接应用于太阳能电池材料的稀土元素外，还有一些稀土元素在太阳能电池的其他组成部分中发挥着重要作用。例如，稀土元素可以用于制备高效的电极材料、集流体或反光镜等组件，以进一步提高太阳能电池的性能。此外，稀土元素还可以作为催化剂或添加剂，在太阳能电池的制备过程中改善材料的加工性能和微观结构（参考文献：稀土元素有哪些神奇应用）。
尽管稀土元素在太阳能电池中的应用展现出巨大的潜力，但仍面临一些挑战。首先，稀土元素的资源有限且分布不均，这限制了其在太阳能电池中的大规模应用。其次，稀土元素的提取和加工成本较高，且部分稀土元素具有毒性或放射性，这对其在太阳能电池中的广泛应用提出了更高要求。
为了克服这些挑战并推动稀土元素在太阳能电池中的广泛应用，未来的研究将重点集中在以下几个方面：一是开发新型稀土材料和技术以降低其成本并提高资源利用率；二是研究稀土元素在太阳能电池中的作用机制以优化其性能；三是探索稀土元素与其他材料的复合或协同作用以制备高性能的太阳能电池；四是加强环保意识和监管力度以确保稀土元素的可持续利用和安全性。
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29.1 镧元素在太阳能电池中的应用
镧元素（La），作为稀土元素的一种，在太阳能电池领域的应用日益广泛且重要。其独特的物理化学性质，使得镧在提升太阳能电池效率、稳定性和降低成本方面发挥着关键作用。
镧是一种银白色的金属元素，位于元素周期表的第六周期、第IIIB族，原子序数为57，是稀土元素中最轻的成员之一。镧具有良好的延展性和可塑性，能与其他金属形成合金，同时其化合物在光学、电学、磁学等领域展现出优异的性能。
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一、镧元素在太阳能电池中的作用
（1）提高发电效率
掺杂效应：在太阳能电池中，镧常被用作掺杂元素。例如，在有机太阳能电池（OSCs）中，北京化工大学李韦伟课题组的研究表明，通过低温溶液加工钴-镧空穴传输层（HTL），可以显著提升OSCs的光电转换效率（PCE）。该研究指出，基于Co-La50% HTL的OSCs器件获得了18.82%的最佳PCE，远高于基于传统PEDOT:PSS的器件（18.03%）。这一成果不仅展示了镧在提高OSCs效率方面的潜力，还为未来大规模商业化应用提供了可能（数据源于《有机光电材料，OPV,OLED,OFET南京知研科技有限公司》）。
钙钛矿太阳能电池：此外，镧系稀土离子（包括La3+）也被用于掺杂全无机钙钛矿太阳能电池中的CsPbBr3材料。研究表明，镧系稀土离子的掺杂可以在钙钛矿结构中引入中间能级，优化光生电子的传输路径，延长光生电子寿命，从而减少电子复合反应，提高光电转换效率。通过多步液相旋涂技术，基于镧系稀土离子掺杂的CsPbBr3全无机钙钛矿太阳能电池的光电转换效率可达10%以上，且在不同湿度和温度条件下表现出良好的稳定性（数据源于《江都区全球专利搜索平台》）。
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（2）改善稳定性
除了提高效率外，镧元素还有助于改善太阳能电池的稳定性。以有机太阳能电池为例，基于Co-La50% HTL的OSCs器件在不同条件下（如充满氮气的手套箱中储存、环境湿度和连续照明）均表现出优异的长期稳定性。这种稳定性的提升对于太阳能电池的商业化应用具有重要意义，因为稳定性是影响太阳能电池使用寿命和性能的关键因素之一。
（3）降低成本
在太阳能电池的生产过程中，降低成本是提高其竞争力的关键。镧元素的应用可以在一定程度上帮助降低生产成本。例如，在全无机钙钛矿太阳能电池中，采用碳作为背电极材料，避免了昂贵的空穴传输材料以及贵金属背电极的使用，从而降低了生产成本。此外，镧系稀土离子通过简单的多步液相旋涂法进行掺杂，制备方式简单，也为降低成本提供了可能。
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二、镧元素在太阳能电池中的应用实例
实例一：有机太阳能电池
材料：钴-镧空穴传输层（Co-La HTL）
效率：基于Co-La50% HTL的OSCs器件获得了18.82%的最佳PCE，远高于基于PEDOT:PSS的器件（18.03%）。
稳定性：在不同条件下均表现出优异的长期稳定性。
实例二：全无机钙钛矿太阳能电池
材料：CsPbBr3掺杂La3+
效率：光电转换效率可达10%以上。
稳定性：在湿度为60~90%的环境下连续测试110天，在湿度为0%的80度环境下连续测试60天，电池效率无明显衰减。
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29.2 铈元素在太阳能电池中的应用
29.3 镨元素在太阳能电池中的应用
29.4 钕元素在太阳能电池中的应用
29.5 铕元素在太阳能电池中的应用
29.6 钆元素在太阳能电池中的应用
钆（Gd）是一种银白色的金属元素，原子序数为64，原子量为157.25。它在地壳中的含量相对较少，约为0.000636%，主要存在于独居石和氟碳铈矿等稀土矿物中。钆具有良好的物理和化学性质，如高熔点（1313°C）、高沸点（3266°C）、良好的延展性和磁性等。此外，钆还具有较高的热中子俘获截面，这一特性使其在核反应堆控制材料、防护材料以及磁制冷等领域具有广泛应用。
钆的提取通常涉及从稀土矿藏中综合回收伴生的钆。采集到的矿石经过破碎、磨矿、浸出、沉淀与分离、纯化和提纯等步骤后，得到高纯度的钆物质。
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一、钆元素在太阳能电池中的基本应用
（1）减反射层
在太阳能电池中，减反射层是一个重要的组成部分，它能够减少光线在电池表面的反射损失，提高光的吸收效率。研究表明，氧化钆（Gd2O3）作为一种优良的减反射材料，具有与硅晶格失配率低、禁带宽度大、折射率高以及稳定性好等优点。通过有机化学气相沉积等方法在太阳能电池表面沉积一层氧化钆减反射层，并进行适当的退火处理，可以在减反射层与电池层之间形成SiO2缓冲层，从而有效减少光线的反射损失。这种方法不仅能够提高太阳能电池的光电转换效率，还能增强其稳定性和耐久性。
氧化钆图片
（2）电子传输层优化
在钙钛矿太阳能电池（PSC）中，电子传输层的质量对电池的性能具有重要影响。二氧化锡（SnO2）作为常用的电子传输层材料，具有低迟滞、低温制备和高紫外稳定性等优点。然而，SnO22表面存在大量的锡悬挂键和氧空位缺陷，这些缺陷会导致严重的电荷复合并加剧接口的不稳定性。
为了优化SnO2与钙钛矿层之间的接口，研究人员将钆元素引入到基于SnO2的平面PSC中。实验结果显示，钆元素的引入有利于SnO2与钙钛矿层之间形成更好的能带匹配，促进电子的传输和收集。同时，钆元素还能够有效钝化SnO2的接口缺陷，减少电荷复合，并降低表面能，进一步提高钙钛矿薄膜的质量和PSC的光电转换效率（PCE）。据报导，基于钆掺杂的PSC呈现出高达22.40%的最优PCE和21.95%的认证效率，显示出稀土元素钆掺杂在提高PSC光伏性能方面的巨大潜力。
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（3）其他潜在应用
虽然目前钆元素在太阳能电池中的直接应用主要集中在减反射层和电子传输层优化方面，但随着研究的深入和技术的进步，钆元素在太阳能电池领域的应用前景将更加广阔。例如，钆元素及其化合物可能在太阳能电池的新型光电材料、电池结构设计以及能量转换效率提升等方面发挥重要作用。此外，钆元素在太阳能电池的稳定性和耐久性提升方面也具有潜在的应用价值。
钆元素图片
29.7 铽元素在太阳能电池中的应用
29.8 镝元素在太阳能电池中的应用
29.9 钇元素在太阳能电池中的应用
29.10 钪元素在太阳能电池中的应用
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