钙钛矿型太阳能光伏电池简介

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光伏是新能源一个主要的领域，尤其以分布式光伏发电前景最为诱人。先不说太阳能发电清洁、潜力巨大，单单是我国3亿个家庭有独立住房、几万所学校、旅馆、酒店的屋顶和外立面，几十亿平方米的工业厂房及仓储屋顶，如果都进行分布式光伏发电改造的话，可以想象为中国能源结构优化作出多大贡献。同时，光伏产业也是技术壁垒、资金壁垒都很高的产业，随着行业的不断发展，随着光伏的产业化程度提高以及广阔应用前景，具备着数十倍甚至上百倍的市场空间，在巨大的前景及目前大量产业化应用的情况下，光伏技术飞速发展。

钙钛矿技术已成为全世界最受瞩目的新兴光伏技术，业界期待钙钛矿技术在进一步提高光电转化效率的同时，能够大幅度降低光伏组件的制造成本，钙钛矿光伏组件的成熟应用可以实现光伏平价上网，在电力生产方面将引起一场革命。今年2月份，协鑫纳米发布了其在钙钛矿光伏组件技术方面的突破性进展，已经率先建成10MW级别大面积钙钛矿组件中试生产线，完成了相关材料合成及制造工艺的开发，并已开始100MW量产生产线的建设工作，计划于2020年实现钙钛矿光伏组件的商业化生产。目前全球范围内多家公司都不约而同提速了钙钛矿电池商业化量产的步伐。

一、什么是钙钛矿型太阳能光伏电池

钙钛矿是以俄罗斯矿物学家Perovski的名字命名的，最初单指钛酸钙（CaTIO3）这种矿物，也就是是指含钙、钛和氧的矿物，于1839年首次被发现。此后，钙钛矿指代一大类具有与此类矿物相同晶体结构的化合物，把结构与之类似的晶体统称为钙钛矿物质。其化学成分简写为AMX3，其中A通常代表有机分子，M代表金属（如铅或锡），X代表卤素（如碘或氯）。

钙钛矿型太阳能电池（perovskite solar cells），是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池，属于第三代太阳能电池，也称作新概念太阳能电池。钙钛矿太阳能电池，采用具有钙钛矿晶体结构的有机无机杂化的金属卤化物作为吸光层，自2009年以来，因制备方式简单、生产成本低廉和光电性能优异而备受关注，光电转换效率由3.8%迅速升至23.7%，成为当前发展最快的光伏技术，是全世界最受瞩目的新兴光伏技术，业界期待钙钛矿技术在进一步提高光电转化效率的同时，能够大幅度降低光伏组件的制造成本。

有趣的是，目前钙钛矿太阳能电池中并没有钙元素，也没有钛元素。其实，它得名于其中的吸光层材料：一种钙钛矿型物质。钙钛矿太阳能电池中常用的光吸收层物质是甲氨铅碘（CH3NH3PbI3），由于CH3NH3PbI3这种材料中既含有无机的成分，又含有有机分子基团，所以人们也将这类太阳能电池称作杂化钙钛矿太阳能电池。

钙钛矿物质的原子结构

（a）钛酸钙（GaTIO3）晶体的原子结构；（b）钙钛矿太阳能中吸光层物质甲氨铅碘（CH3NH3PbI3）晶体的原子结构。

钙钛矿ABX3 结构示意图

钙钛矿太阳能电池的基本构造通常为衬底材料/导电玻璃（镀有氧化物层的基片玻璃）/电子传输层（二氧化钛）/钙钛矿吸收层（空穴传输层）/金属阴极（下图）。

（网络版彩色）两种典型的钙钛矿太阳能电池的结构示意图

（a） 介观结构钙钛矿太阳能电池;（b） 平面异质结结构钙钛矿太阳能电池

由于物质整体上必须保持电中性，电子（带负电）被激发后就会同时产生一个额外的带正电的对应物，物理学上将其叫做空穴（带正电）。这样的一个“电子--空穴对”就是科学家们常说的“激子”。

钙钛矿太阳能电池构造与运行机理示意图

二、前景

一项新技术的推广，首先要有一个成熟产业的技术作为支撑，钙钛矿电池的制造产完全可以采用液晶面板行业的设备和技术，而且对技术和工艺的要求要更低一些。钙钛矿电池也只需要“降维”的液晶面板生产设备和工艺即可。

其次，钙钛矿是一类材料，而不是一种材料，且原料来源广、需求少。钙钛矿是一种化合物电池，其原材料来源于基础化工材料，有多达几万种原材料可供选择，不会出现短缺问题。而相比晶硅电池对硅料的需求，钙钛矿电池对于原材料的需求要少得多。钙钛矿材料的吸光能力远远超过晶硅材料。晶硅太阳能电池中硅片的厚度通常为160至180微米，而钙钛矿太阳能电池中钙钛矿层的厚度仅为0.3微米。一个由60片硅片构成的晶硅组件消耗硅材料约1公斤，而相同尺寸的钙钛矿组件仅消耗2克左右钙钛矿材料。

再次，材料纯度要求相对较低。钙钛矿的激发肽是三线肽，基肽是单线肽，其载流子在激发之后掉不回来，因为载流子在三线肽和单线肽之间跃迁很困难。而晶硅的激发肽和基肽都是单线肽，载流子激发出去之后很容易掉回来，这导致晶硅对于杂质非常敏感，也正是为什么晶硅电池所用硅料纯度要到六个9以上的原因。而钙钛矿对杂质并不敏感，纯度只需要做到90%就足够了，甚至为了增加材料之间的强度，还可以在涂布时主动添加粘合剂、增强剂一类的‘杂质’。

第四，成本低。在成本方面，按照业内估计，如果量产的钙钛矿组件效率达到18%，其制造成本将只有单晶的一半甚至更低，而由于无光衰等优势，其单瓦实际发电量很可能会多出20%左右，竞争优势十分明显。当产能扩大到1GW以上时，钙钛矿组件的制造成本将进一步下降到每瓦0．7元左右。如此低的组件成本，意味着光伏系统造价将低于3元／瓦，光伏电力的成本即便在中国东部地区都将显著低于火电。在平价上网成为行业最重点工作的当下，这项技术的意义不言而喻，可以说钙钛矿技术的成功之日，就是光伏产业实现全面平价之时。

三、须解决或正在解决的问题

不少人认为，稳定性是钙钛矿技术商业化量产将要面临的最大问题。其实，从2019年开始，稳定性就已经不是问题了。近两年学术界提出了很多钙钛矿材料的新配方，在实验室条件下，多数配方都能实现连续工作1000小时而衰减低于1%，差一点的也能达到连续工作1000小时衰减低于5%，这已经达到了晶硅电池的技术指标。

在热稳定性方面，按照国际通行的“双85”检测标准，他们的钙钛矿组件经过连续1000小时的测试，衰减明显低于5%，符合现行国际标准。

就稳定性的其他方面来看，其实是晶硅组件和钙钛矿组件的共性问题。比如封装，技术是通用的，只要晶硅能做好，钙钛矿一样能做好，钙钛矿并不比晶硅更怕水。

其实最值得关注的指标是电池的光稳定性问题，因为这直接影响光伏发电项目的长期收益。“早期的钙钛矿电池配方的光衰确实很严重，电池不封装的话一两个月就完蛋了。这个问题后来在材料上得到解决，从2016年开始我们就随时能做到连续工作1000小时而衰减在1%以内，下一步则是在组件上验证这个结果。”业内正在通过权威第三方机构对上述结果进行验证。

钙钛矿技术面世之初，由于材料设计尚不成熟，其稳定性受到了很多质疑。2016年以来，随着新型多离子混合型钙钛矿材料的应用，以及缓冲层材料逐渐无机化，钙钛矿太阳能电池的工作寿命稳步提高，在实验室中已可实现连续1000小时工作衰减低于5％。经过业内针对钙钛矿光伏组件研究，不断对材料和封装工艺的完善，目前技术可以保证钙钛矿组件25年以上的稳定工作寿命，相信今后将进一步发展。

来源：恒益新能源

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