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让光伏电池变得更“柔软”，钙钛矿薄膜电池离商业化更进一步！技术进展大盘点

发布时间：2022-6-14 13:27:04 被阅览数： 1117 次

太阳能作为清洁能源，近几年快速发展。国家发改委、国家能源局5月30日发布了《关于促进新时代新能源高质量发展的实施方案》，提出到2030年，我国风电、太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上。

目前，硅基太阳能电池光电转换效率达到转化极限，大量的单晶硅生产过程复杂，需要高温烧结，能耗高、污染大，降低成本的空间越来越小。而且硅板只能是刚性，不能卷曲、弯折，影响了其应用范围。

一种新型太阳能柔性光伏膜材料正在悄悄改变光伏产业，它就是钙钛矿薄膜电池。

钙钛矿薄膜电池是将溶液通过蒸镀或卷对卷印刷在基材上，可连续规模化制备大面积钙钛矿薄膜电池。更为重要的是钙钛矿可以满足制备柔性薄膜太阳能电池的要求，由于整个生产过程不需加热，因此可以印刷在塑料膜基材上得到柔性光伏膜，使生产能耗大幅降低，钙钛矿薄膜电池比传统多晶硅板的用途更广。可以应用在建筑物表面、汽车、智能穿戴、无人机、飞行器等

由比利时、德国和荷兰的研究机构、大学实验室组成的联盟Solliance正在与积极与汽车和建筑行业合作，开发不透明和半透明的钙钛矿太阳能电池，准备使钙钛矿电池集成在建筑和汽车上。如应用于汽车的玻璃、引擎盖、车顶和侧面板，如此以来，可以实现新能源汽车边走边充电，解决目前电池充电时间长的问题，完全实现清洁供电。

尤其是卷对卷印刷工艺在钙钛矿薄膜电池的应用，使低成本、规模化制备钙钛矿薄膜电池变得更容易。

根据目前的研究进展，钙钛矿薄膜电池的转换效率已经达到20.1%，接近硅基太阳能电池，而且钙钛矿薄膜太阳能电池具有良好的吸光性和电荷传输速率，具有进一步提升转化效率的潜力。

钙钛矿薄膜电池相比于其他光伏电池，发展速度极快，在最近3-5年内，转化效率不断提升，其潜在的高效率、低成本、制备简单等优势，成为最具竞争力的优势，正在颠覆光伏产业的发展轨道。

钙钛矿的主要优势

作为晶硅电池很有希望的补充或继任者，钙钛矿最直观的优势就是其高效率与低成本。

1、性能好

2009年第一个钙钛矿电池被生产出来时，其转换效率仅有3.8%[2];十年后的2019年，这一数字就已经超过25%，至少在实验室达到了晶硅电池的水平，远胜于如碲化镉或铜铟镓硒等薄膜电池(不考虑因过于昂贵而民用化进程几乎停滞的砷化镓)。

这种发展速度的背后，得益于钙钛矿材料远强于晶硅的吸光性能，能量转换过程中的极低能量损失，也与其覆盖光谱范围宽的特征有关。

想要了解钙钛矿的效率优势，我们首先需要介绍一下带隙与肖克利-奎瑟极限(Shockley-Queisser limit)。

带隙是一个与光伏材料转换效率直接相关的概念，指的是将电子从材料中释放出来，使其成为电荷载流子(即可以自由移动的带有电荷的物质微粒，通过运动输运电流)在电路中流动所需的能量。

对于光伏来说，能量就来自于入射光子携带的能量，而不同波长的光所携带能量有所区别，单位为“电子伏特”(eV)，而可见光光子的能量就介于1.75 eV(深红色)和 3.1 eV(紫色)之间。

最理想光伏材料的带隙为1.34 eV，使用这种材料的单一连接太阳能电池(也就是俗称的单结电池)在最理想的情况下，能够将33.7%的入射光转化为能量，而这就是所谓的肖克利-奎瑟极限(Shockley-Queisser limit)。

但问题在于，目前人类已知的任何材料，都不天然符合这一完美的带隙。而晶硅之所以得到广泛应用，是因为带隙为1.12eV，理论极限大概为32%(现实中不可能实现这一水平)，已经非常接近极限值。

钙钛矿的优势在于极高的灵活性。其作为一种化合物，配方可调，不但可以将其带隙尽可能地推向理想值，也可针对不同波长入射光设计不同钙钛矿层并彼此、或是与其他光伏材料叠加，从而捕获尽可能多的光子，实现高水平转化率。这也是有望推动钙钛矿电池突破肖克利-奎瑟极限的主要方式之一。而相比较之下，硅晶只能提纯，优化空间与手段均十分有限[5]。

2、成本低

钙钛矿的低成本主要得益于两个方面，一是其预期的成本比较低，二是整条产业链的投资需求可能不是特别高。

一方面，制作金属卤化物钙钛矿所需原材料储量丰富，价格低廉，且前驱液的配制不涉及任何复杂工艺，对纯度要求不高，后续组件对加工环境要求也不高。与晶硅相比，钙钛矿不需99.9999%(即6N)级别以上的纯度，98%左右就已经可用;组件生产过程不需要晶硅电池的千度左右的加工温度，在生产过程中的能耗比较低，多数环节也不需要真空环境。

另一方面，钙钛矿电池由于光吸收能力强，对材料的用量非常低，对降低发电成本也有着很大优势。一般来说，钙钛矿电池的钙钛矿层只需做到300~500nm厚度，与除玻璃外的其它功能层合计能够实现1μm左右的厚度，而晶硅电池的硅片厚度目前处于前沿的厚度也有120μm。根据Oxford PV的计算，35kg钙钛矿的发电量就可以与7t硅(160μm厚度硅片)相当，降本空间十分可观。

最后的降本空间则来自产业链投资。由于钙钛矿制备简单，工艺流程比较短，有望在一座工厂内就实现从钙钛矿前驱液生产到最终的组件封装，上下游整合比较简单，而相比较之下晶硅电池工艺流程非常复杂，需要针对不同环节分别建厂，前期投资需求更高。

当然，钙钛矿尚未实现规模化生产，其成本优势主要基于多种条件综合后的推测，是否能够实现仍需在验证。

在光伏行业，任何一种技术的发展都离不开“性价比”的较量，对于钙钛矿来说，高光电转换效率、优异的稳定性是产业化前提，而规模化的产能和有效降低成本、实现良好的经济效益则是推动钙钛矿技术大规模市场化的支撑。

攻克效率科学难题，平均每年稳步提升1.5%

2009年钙钛矿第一次被用于光伏发电领域，经过十余年的发展，光电转换效率从3.8%做到了实验室效率25.7%，当前全球小组件最高效率为21.4%，而实现这一新纪录的是全球知名钙钛矿领军企业及产业化先锋——纤纳光电科技，该公司至今已7次刷新钙钛矿组件光电转化效率的世界纪录。

一直以来，由于钙钛矿缺乏大面积、高性能的薄膜制备工艺，导致钙钛矿组件效率的提升受到制约。而纤纳光电在坚持不懈的努力下，以平均每年1.5%的速度提高钙钛矿组件转换效率，受到了全球业界瞩目。他们通过多年的研发创新和在小试、中试线上的技术积累，制约钙钛矿组件效率提升的科学难题已被攻克。这一连续性的跨越式突破，将钙钛矿光伏技术推向了一个全新阶段。

打破稳定性边界，商业化才有无限可能

要实现钙钛矿技术产业化，组件稳定性是非常关键的先决条件。一直以来，钙钛矿材料的稳定性就是世界级难题，存在着巨大挑战。与晶体硅组件的衰减机制不同，钙钛矿组件在高剂量光辐照和加热条件下吸光材料结构易被破坏，导致组件性能迅速衰减，因此提高钙钛矿组件的光热稳定性是近年来亟待攻克的科学难点。

所以近年来，纤纳将重心聚焦在钙钛矿组件的稳定性上。2019年12月通过了国际电工委员会IEC61215测试，获得了全球第一个钙钛矿组件稳定性第三方认证报告；2021年2月，他们又获得全球首个钙钛矿组件稳定性多倍加严认证，其中紫外耐老化测试等同于IEC标准的6.5倍、湿热耐老化测试等同于IEC标准的3倍。

业内曾经流传着一种说法，十年寿命是钙钛矿的一个门槛。纤纳的钙钛矿组件通过第三方检测机构的多倍加严认证，组件功率基本维持在初始值，与晶硅组件的老化衰减水平接近，实验室理论寿命可达30年。这两次稳定性认证意味着纤纳已成功跨越了钙钛矿光伏技术的“死亡之谷”，其稳定性与已经商业化的传统光伏技术基本相当。

产业融合加速

数据显示，2021年，全球已有91个国家开始钙钛矿太阳能电池的研究，涉及机构2646个，全年发表论文数量超过4600篇，以钙钛矿电池为代表的新型电池已经成为世界范围内的研究热点。

业内预计，随着钙钛矿电池转换效率提升，产业化进程提速，未来有望改变光伏应用市场的产业格局。同时，在全球碳达峰碳中和目标下，高耗能企业、大型知名企业均面临严峻的减排任务。在上述背景下，越来越多的非光伏领域企业以参股投资等形式跨界进军钙钛矿电池市场。

5月中旬，昆山协鑫光电材料有限公司（以下简称“协鑫光电”）宣布完成数亿元B轮融资，此次融资将用于进一步完善该公司10万千瓦钙钛矿生产线和工艺。商业查询平台天眼查显示，协鑫光电新增广西腾讯创业投资有限公司，公司注册资本从约6259.26万元增加至7357.68万元。宁德时代高管5月初在业绩说明会上称，钙钛矿电池研究进展顺利，正在搭建中试线。

中国光伏行业协会名誉理事长王勃华在研判今年行业发展形势时指出，光伏与其他产业融合助力行业碳达峰碳中和的案例将越来越多，工业、建筑、交通、通信等领域企业和光伏之间的联系也将愈发紧密。

钙钛矿太阳能电池技术进展

1、大面积全钙钛矿叠层光伏组件效率可达21.7%

研究人员运用涂布印刷、真空沉积等技术，在国际上首次实现了大面积全钙钛矿叠层光伏组件的制备，开辟了大面积钙钛矿叠层电池的量产化、商业化的全新路径。经国际权威第三方测试机构认证，该组件稳定的光电转换效率高达21.7%，是目前已知的钙钛矿光伏组件的世界最高效率。

太阳能电池可将太阳能直接转变为电能，是一种获取清洁能源的重要途径。

光伏发电成本依赖于太阳能电池的光电转换效率。有研究显示，转换效率每提升1%，发电成本可降低7%，但目前晶硅太阳能电池光电转换效率遭遇发展瓶颈，因此，研发制备更低成本、更高效率的太阳能电池是实现光伏发电平价上网的关键，也将为实现“双碳”目标提供重要科技支撑。

近日，南京大学现代工程与应用科学学院谭海仁教授课题组和英国牛津大学学者，运用涂布印刷、真空沉积等技术，在国际上首次实现了大面积全钙钛矿叠层光伏组件的制备，开辟了大面积钙钛矿叠层电池的量产化、商业化的全新路径。

经国际权威第三方测试机构认证，该组件稳定的光电转换效率高达21.7%，是目前已知的钙钛矿光伏组件的世界最高效率。该成绩被最新一期的《太阳电池世界纪录表》收录，相关成果近日刊发于国际权威学术期刊《科学》。

2、为钙钛矿光伏电池“量身定制”薄膜可避免超99.9%铅泄漏

众所周知，尽管钙钛矿太阳能电池在将太阳光转化为电能方面已表现出了颇有希望的前景，但它仍存在一些缺陷，必须解决这些缺陷才能广泛推广使用。其中一个问题是电池中含有有毒的铅，以及当电池受损时存在铅渗出的危险。

为了使钙钛矿太阳能电池更具有商业可行性，北伊利诺伊大学（NIU）和美国国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory）的科学家共同研发了一种薄膜，以吸收这些泄漏的铅。他们称其为“透明胶带”。

科学家们表示，虽然它们的效率现在可以与传统的硅基光伏电池相匹敌，但事实上它们含有铅，这意味着如果面板损坏，元素泄漏，它们就有对环境和人类健康的毒性风险。上述研究成果已于近期发表在了《自然-可持续发展》杂志上。因此，找到铅替代品是科学家解决这一问题的一种方法，2018年的一个有趣例子是用钛代替铅。然而，上述新研究的作者提出的解决方案集中在这样一个想法上：保留原有的铅元素，但在它进入土壤或食物链之前捕获它，例如如果面板受到损坏之后。

据了解，这种透明胶带由太阳能乙烯醋酸乙烯（EVA）薄膜和吸铅材料的预层组成，可以应用于钙钛矿太阳能电池的两侧，将其封装起来，作为标准制造过程的一部分。随后，科学家们对其性能进行了测试。他们将“包裹好的”电池置于室外和屋顶条件下三个月，用剃须刀片和锤子损坏它们，然后将它们浸泡在水中一周。这些测试旨在观察电池如何经受恶劣的天气条件，科学家们报告说，这些薄膜可以防止超过99.9%的铅泄漏到水中。

3、中科院研发高效稳定的钙钛矿太阳能电池

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心孟庆波团队是国内最早开展钙钛矿电池研究的团队，在高质量钙钛矿薄膜的制备、电池效率和稳定性提升方面开展了系统研究，发展了一系列体相、界面调控方法及相关稳定性研究。

例如，首次提出界面钝化作用的稳定性对于器件整体稳定性至关重要，利用三苄基氧化膦（TBPO）分子间π-π共轭诱导形成表面分子超结构，获得高稳定TBPO-钙钛矿配位和钝化作用，显著提升了电池效率、界面稳定性和电池器件稳定性（Adv. Mater., 2020, 20,1907356）；发展了一种量化钙钛矿电池界面缺陷的方法，将疏水聚苯乙烯材料分别引入钙钛矿薄膜和前界面，前者可以有效抑制钙钛矿薄膜组分挥发及相分离，后者能够释放界面应力，还可以作为内封装材料进一步提高器件稳定性（Adv. Energy Mater., 2019, 9, 1901352；Nano Energy, 2018, 43, 383; Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1905336）。目前该团队已经在钙钛矿太阳能电池关键材料与技术领域获得国家授权发明专利18项，实用新型专利5项。

最近，针对FA-Cs钙钛矿体系中，由于FA和Cs离子尺寸失配而造成结晶过程易产生晶格畸变、相分离和缺陷中心而不利于获得大面积均匀钙钛矿薄膜的问题，清洁能源实验室太阳能材料与技术团队/怀柔研究部清洁能源材料测试诊断与研发平台李一明博士与石将建副研究员、李冬梅研究员和孟庆波研究员合作，设计了一种双功能材料异丁基二硫代氨基甲酸异丁胺(iBA-iBDTC)。将其直接引入钙钛矿前驱溶液中，在钙钛矿晶体生长过程中iBA-iBDTC中的CSS-阴离子基团与Pb配位来改善Pb-I成核及FA-Cs钙钛矿结晶，同时长链iBA+阳离子分布在钙钛矿薄膜表面和晶界，能够钝化缺陷、降低表面能并稳定表界面结构。

小面积钙钛矿太阳能电池实现了24.25%光电转换效率，>10 cm电池模块上实现了20.5%认证效率，是目前报道的钙钛矿模块高效率之一。这种结晶调控和表界面钝化的协同作用为促进钙钛矿光伏发展和产业化提供了更可行的技术路线。

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