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成本仅传统晶硅材料1/20！“材料新星”钙钛矿为光伏电池带来重大变革

文章来源：贤集网更新时间：2022-02-18 15:00:19

随着全球绿色经济热度上升，如何获得更多绿色能源成为众人关注的核心问题。带着这个问题，光伏产业将目光投向晶硅电池，尽全力提升其发电能力，榨出更多能量。

然而硅的能量转化效率（PCE，power conversion efficiency）是有极限的。光伏产业越是提高晶硅电池的发电能力，就越能感受到客观规律的无情与发展空间的日益局促。

除非超越硅。

近年来，为了替代晶硅电池或填补其无法触达的应用场景，各类非硅电池应运而生。然而在这些路线中，有的便宜却效率低（大多数成熟薄膜电池），有的效率高却极贵（如砷化镓），有的甚至又贵效率又低（各种前沿早期技术）。

那么有没有一种（可能）便宜，（确实）效率高且还（预计）易于生产的新型光伏电池？

这可就说到本文的主角了：它用10年走完晶硅电池50年的路；它上Nature与Science如探囊取物，5年发了119篇正刊；它在报道标题中，最常与“破纪录”和感叹号一同出现。

它就是近年材料学当之无愧的大明星，钙钛矿（perovskite）。

01

其实不是矿

事实上，钙钛矿和钙、钛、矿三个字都没什么关系。

光伏领域的所谓“钙钛矿”，指的是一类与钙钛矿（CaTiO3）晶体结构类似的“ABX3”化合物，在钙钛矿光伏研究早期，科学家们瞄准的主要是碘化铅甲胺（CH3NH3PbI3）。

这种结构长成下面这个样子：

图源丨Christopher Eames et al.

钙钛矿结构可以用ABX3表示，在钙钛矿光伏中，A位通常为有机阳离子所占据（近年全无机也成为了研究热点），B位为铅离子Pb2+或亚锡离子Sn2+，而X位为卤素阴离子。若A位由两种阳离子混合，或X位由两种卤素阴离子占据时，则特称为混合型钙钛矿。

简而言之，钙钛矿材料不是指用狭义的“钙钛矿”做的材料，而是具有某种特定结构的材料之总称。为防止歧义，下文所述“钙钛矿”，如无特殊说明，均指代这种类钙钛矿结构的光伏材料，而非字面意义的钙钛矿（CaTiO3）。

当前的钙钛矿电池主要走柔性器件路线，也可以归类为一种薄膜电池，兼具半透明、色彩可调节的特点。这赋予了其远比晶硅电池广阔的应用空间。钙钛矿电池可以部署在那些无法承受或不能安装晶硅电池的地方，这使得其特别适合用于光伏建筑一体。而又由于其高水平的转化效率，理想化情况下被认为有望实现车载，甚至是用于移动设备的表面或是直接穿戴。

现阶段的钙钛矿电池有三种典型结构，分别为：

（a）正式介孔结构：即采用一层介孔状的物质（最常见的是二氧化钛）作为骨架并承担电子转移输运的功能。此种结构的钙钛矿电池成膜光滑、均匀，效率表现好，但该路线的制备工艺更为复杂，且需要高温烧结；

（b）正式（n-i-p）平面结构：此种电池结构更为简单，因此制备工艺更加简单且不需要高温加工，效率略低一些但差距不太明显；

（c）反式（p-i-n）平面结构：制备工艺最为简单，可低温成膜且更加适合与传统太阳能电池叠加（关于这一点将在后文详述），三种结构里效率最低但差距也不大，是最适合用于工业生产的结构；

钙钛矿电池的制备工艺目前非常多样化，但规模化水平均不高，尚无主导路线出现。

一般情况下，学术研究的设备主要由旋涂法生产，但这种方法产能低，对材料的浪费比较严重，且不能用于生产大尺寸设备，用于工业生产可能性不高。

从工业生产看，“卷对卷”（roll to roll）通常被认为是低成本制备薄膜最好的方式，最为匹配此种生产模式的工艺可能会在未来有较大工业化前景。

名词解释：卷对卷（roll to roll），或称R2R是一种连续性的生产方式，用于加工柔性材料。材料从原筒状的料卷卷出后，再在软板上加入特定用途的功能，或在软板的表面加工，然后再卷成圆筒状或进行裁切。在制造过程中，由于不使用真空无尘环境、复杂腐蚀过程与废液处理工程，降本增效效果好，广泛用于液晶显示屏、薄膜太阳能电池等设备的生产。

除了太阳能电池外，由于其极有特点的材料性能，钙钛矿材料被认为在光电传感器、发光二极管（LED）等领域也有不小的潜力。不过此类研究大多非常早期，且考虑到现阶段钙钛矿偏高的讨论热度，不宜有不切实际的预期。毕竟科学研究，一盆冷水可能才是多数时候的最终结果。

02

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。

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%；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。

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。

03

钙钛矿电池缺陷

尽管钙钛矿电池优点颇多，但作为一种尚未脱离实验室阶段的材料，其缺陷严重限制投入工业生产的能力，自然也就不能对单晶硅电池实现有效替代。

简单来说，钙钛矿电池有四个核心问题：不耐用、不好造、不环保、不明白。

不耐用

现阶段的钙钛矿电池寿命短，稳定性差，效率衰减过快，无法满足工业化生产的需要，一直是制约推广的最大障碍。

作为一种离子晶体材料，钙钛矿材料可谓是非常脆弱，不同材料与结构可能存在不耐高温、不耐光照、易水解、易氧化、易发生二次反应等缺陷。尽管近两年伴随着钙钛矿材料相关研究的长足进步，这种情况有所缓解，但电池整体衰减率相较于成熟的晶硅组件仍然太高，而且额外的保护措施，如保护涂层或掺杂等，还存在牺牲效率的可能。

2021年12月底，德国研究机构的Forschungszentrum Jülich宣称开发了一种效率为20.9%的平面钙钛矿电池，其在超过1450小时的高温和光照测试中，仍成功保持了99%的初始效率。而其它不同研究机构给出的极为多样化的原型设备的测试数据则大多集中在“1000/2000小时，稳定在80%/90%左右”的水平。

这对于早期稳定性甚至只能维持几小时的钙钛矿电池而言当然是巨大进步，可对于太阳能产业本身而言还是不够好。一个电站不可能接受频繁修理发电设备，哪怕钙钛矿生产成本再低，这在维护成本上也不可行。

传统的硅晶电池是什么水平？我们可以看两个案例：

云南石屏县牛达林场光伏项目：安装于1995年，运行20年后，总衰减效率为7.69％，平均年衰减0.38％。

甘肃省自然科学院太阳能研究基地10kW光伏电站：安装于1983年，运行33年后，总功率为7kW，估算每年的衰减为0.9％。

而这甚至是数十年前，晶硅组件技术还不那么成熟的时代录得的数据。

根据工信部发布的《光伏制造行业规范条件（2021年本）》，现阶段的钙钛矿电池罕有能达到衰减率标准的，而即使有少数路线达到了，也往往建立在牺牲其它性能的基础之上（尤其是引以为傲的效率）。

此外，由于诸多原因，钙钛矿电池的测试往往有很多“猫腻”，测试涉及的条件参数可能没有详尽披露，所以给出的最终数据有可能不能反映真实状况，这也需要一些更进一步的共识来矫正。

以及有机-无机卤素钙钛矿的化学性质决定了其对金属存在一定的腐蚀性（还原/氧化反应），而金属是光伏组件的重要组成部分，大量辅材应用了金属材料。这显然也对未来的规模化应用存在不良影响。

不好造

虽然上文提到钙钛矿材料具有制备简单，价格低廉的优势，但目前的钙钛矿电池在大尺寸设备和批量生产的工艺上仍然存在问题。

当前的钙钛矿电池主要处于实验室阶段，而制备工艺显然和工业化生产存在很大不同。当前限制钙钛矿电池大尺寸化的因素，首先是涂覆技术的不成熟，钙钛矿层没法均匀涂抹在设备表面，对器件性能有明显负面影响，需要开发更好的喷涂工艺。

其次则是钙钛矿普遍使用TCO（透明导电氧化物）薄膜收集电流，而此类材料的一些物理性质会造成光损失，且随着面积的增大愈发明显，这导致钙钛矿组件的效率会明显低于单体电池，这也是实际应用中不能接受的，需要有进一步解决方案。

说的更直接一点，受限于多方面原因，现阶段的钙钛矿电池根本造不大，造大了的性能也不好。2月5日发表在ADVANCED ENERGY MATERIALS的一篇文章中，罗马第二大学的团队开发的192cm2 有效面积的小型光伏面板，实现了11.9%的转化效率，是迄今为止文献报道的该尺寸设备的新纪录，然而这一数据无论是面积还是效率都远不及硅晶组件。

不环保

现阶段，工业化生产希望最大、性能最好的钙钛矿材料是铅卤钙钛矿，主要得益于其光吸收能力强、光电流传输速度快、缺陷容忍度高等一系列优异综合性能。

但问题在于，铅是一种广为人知的有毒重金属，无论是对环境还是人体都有着毋庸置疑的危害。尽管有些观点称，钙钛矿材料的生产流程只要设计得当就不会产生过多污染，但这也意味着更为复杂的生产工艺与副产物处理流程，在成本上是否足够经济还不太确定。

如何用更为环境友好的配方替代铅卤钙钛矿是一个比较主要的研究方向。当前锡基材料进展相对不错，但其在各方面性能，特别是效率和铅基电池差距很大（最高纪录也仅有14%）。此外，相较于铅，组分中的二价锡更为敏感，很容易被氧化为四价锡导致性能急剧恶化，这还会进一步缩减钙钛矿电池本就不太行的设备寿命。

不明白

除了上述的问题外，钙钛矿太阳能电池存在一种特定缺陷，导致发电能力存在性能损失与稳定性欠佳。

简单来说，钙钛矿材料存在一种被称为“深阱态”（deep trap state）的缺陷，顾名思义，它会像陷阱一样困住载流子，导致光能无法转化为电能，而以热量的形式损失，影响钙钛矿电池的效率，尽管有大量研究在尝试分析，这种现象的具体成因仍然不明。

这提醒我们，想要将一种仍在实验室阶段的技术大规模投入工业生产，还有多少困难要克服。

04

风口上的钙钛矿

一直以来，光伏技术的更新迭代决定着太阳能电池行业的发展。从第一代晶硅电池到第二代非晶硅、铜铟镓硒、碲化镉薄膜电池，再到当下热门的钙钛矿、量子点、HJT等第三代电池技术的竞相盛开，太阳能电池技术的持续创新和产业化探索始终是新技术的核心难点。

行业对太阳能电池效率的降本增效要求越来越高。站在N型技术的分岔路口，当你还在纠结是Topcon还是HJT更具优势之时，作为理论转换效率高、经济性好的钙钛矿光伏电池脱颖而出，成为第三代光伏技术中最受瞩目和最受期待的技术之一。钙钛矿太阳能技术发展至今已不仅仅局限于实验室研发，而是逐步在组件转换效率、稳定性和量产规模等多个维度齐头并进，近两年获得了巨大发展。

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。在这三大要素中，纤纳光电是最接近目标的一家钙钛矿商业化公司。

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。

高效+稳定性+产能是钙钛矿商业化的门槛

推动钙钛矿实现产业化的支撑因素——产能与成本必不可少。钙钛矿电池技术的原材料成本仅为传统晶硅材料的1/20，大规模应用后，发电价格可降低至目前传统晶硅电池的一半左右。同时，钙钛矿还可以与晶硅电池、HJT等电池进行叠加，进一步提高存量电池的转换效率。不需要替换掉原有的产线，减轻企业前期投入压力，从而做到最大幅度的降本增效。当前全球最高的四端子叠层组件效率为26.63.%，也是由纤纳创造的。

2020年纤纳在浙江衢州率先建成了国内首个钙钛矿生产基地，首批20MW中试线产品已在小型电站上示范应用，100MW规模化产线即将投产，钙钛矿光伏技术的商业化进程正在被稳步快速的推进。

在太阳能电池技术迭代更新的当下，钙钛矿成为一颗冉冉升起的“新星”。作为该技术的领航者，纤纳将全面展现科创实力，结合他们在小试、中试线上所积累的量产经验，为钙钛矿光伏新技术的发展与产业化落地提供更强劲动能，服务国家“双碳”目标，助力传统能源的绿色升级。

不过，现阶段的钙钛矿企业仍主要集中在一级市场，尚未实现规模化，要走的路还很长。

也许……十年？

原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_505702.html
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