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高效率低成本的钙钛矿电池会是光伏领域的颠覆者吗？

2023-01-13 20:06

来源：澎湃新闻·澎湃号·媒体

原创小科中国科技信息

钙钛矿技术不仅可以打破晶硅电池技术转换效率的理论“天花板”，还可以降低光伏产业度电成本，是唯一具有商业化应用前景的新兴光伏技术。

通过钙钛矿材料涂层就可以轻松获取和转化太阳能量，绿色能源让世界清洁明亮，切片太阳能电池已成为久远的往事……国内一位光伏科学家曾这样描绘光伏电池的未来。

钙钛矿太阳能电池，这个名字在今年的光伏行业声名鹊起。高效率、低成本、易制备，它以十年的时间走完晶硅太阳能电池近半个世纪的发展之路，成为第三代光伏技术的焦点。可以说，钙钛矿技术不仅可以打破晶硅电池技术转换效率的理论“天花板”，还可以降低光伏产业度电成本，是唯一具有商业化应用前景的新兴光伏技术。

钙钛矿是晶硅太阳能电池的“颠覆者”？这样的论调是言之过早，还是大势所趋？或许行业内早已有了答案。今天，请跟随《中国科技信息》一起来聊一聊“钙钛矿电池“这个话题。

第三代高效薄膜电池的代表

在动画片《中华小当家》有一道美食“面非面”，它的意思是以不是面的食材来表现“面”，而非单纯地改变面的形状，尤其指的是用小麦粉(面粉）以外的材料做出来的面。而这道“面非面”就与今天要聊的话题“钙钛矿”有着异曲同工之妙。

光伏领域的“钙钛矿”，其实和钙、钛、矿三个字都没什么关系，指的是一类与钙钛矿（CaTiO3）晶体结构类似的“ABX3”化合物。钙钛矿电池命名取自俄罗斯矿物学家Perovski的名字，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。事实上，元素周期表中90%的金属元素都可以成为钙钛矿的A或B离子。这三种离子通过不同的排列组合可以呈现出许多物理特性，其中最值得关注的就是“超导电性”。剑桥大学物理学家山姆·斯特兰克斯曾说过，“这些钙钛矿比硅更能吸收阳光，我们可以用至少比硅薄一百倍的钙钛矿薄膜吸收几乎所有的阳光。”

而物理学家所提出的钙钛矿薄膜的特性，也决定了其在发光、光伏和光探等各个领域的广泛应用。钙钛矿太阳能电池（PSCs）是利用钙钛矿结构材料作为吸光材料的太阳能电池，属于第三代高效薄膜电池的代表。

“钙钛矿”已经来到商业化的前夜

在梳理清楚钙钛矿的基本概念之后，不妨来了解一下它的那些备受瞩目的优势：钙钛矿电池具有高效率、低成本、高柔性等优势；电池材料成本低，结构简单，制造工艺流程短，生产能耗低，是未来光伏BIPV、电动汽车移动发电电源领域的明星材料。

首先，对于光伏行业而言，无论何种技术，转化效率潜能的天花板决定了一项技术是否具有发掘潜力。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。2022年，钙钛矿光电转换效率更创下新高。暨南大学新能源技术研究院麦耀华教授团队经过独立第三方认证效率超过36%的大面积钙钛矿室内光伏组件，为当前已报道钙钛矿室内光伏组件世界最高转换效率。而这种发展速度的背后，得益于上面提到的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。

其次，钙钛矿的低成本得益于钙钛矿光伏电池原材料本身。钙钛矿使用的主要是碳、氢、氮、铅和碘等几种主流元素，本身在地球上都有大量分布，价格也很便宜。同时，由于光吸收能力强，材料的用量非常低，钙钛矿组件中钙钛矿层厚度大概是0.4um，而晶硅组件中的硅片厚度通常为180um，差了40-50倍。占比最多的是电极材料，达37%。钙钛矿材料成本占比仅为5%，玻璃、靶材等占到另外的60%以上，钙钛矿组件未来仍有较大的降本空间。

可以说，钙钛矿若能完全推广开来，将对我国光伏行业来说是一个非常重要的方向和机会。2022年8月，科技部等九部门印发《科技支撑碳达峰碳中和实施方案(2022―2030年)》，提出研发高效硅基光伏电池、高效稳定钙钛矿电池等技术，钙钛矿技术进入被国家支持的范围。良好的行业发展前景，利好政策以及资本热捧之下，兆瓦级规模的钙钛矿生产线开始投产运行，企业的纷纷入局，让钙钛矿技术已经来到商业化的前夜。

依然处于试验阶段期待爆发式增长

进入2023年，我国钙钛矿领域正迎来新一轮的机遇。在学术方面，我国钙钛矿太阳能电池研发团队齐发力，产研结合探索最具竞争力和性价比的技术路线，专利申请数占全球68%。不过，在制备工艺方面，目前空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层、电极层等薄膜仍存在干法和湿法工艺之间的竞争。

产业方面，当前钙钛矿电池已由研发阶段步入中试线投建阶段。近两年钙钛矿领域投资额已破百亿，资本注入有望加速产业技术突破，产业化进程在持续加速中。一方面，本土钙钛矿设备厂商订单先行，部分已成功交付，本土钙钛矿太阳能电池生产厂商效率不断突破，融资进展顺利，纷纷布局中试线。例如，长城旗下的极电光能宣布150MW钙钛矿光伏生产线正式投产运行，是全球目前已投产且产能最大的钙钛矿光伏生产线。协鑫光电、纤纳光电也有望在2023年各招标钙钛矿电池1GW。