光伏下一个明星材料——钙钛矿背后的现实
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Henn-na正在测试另一项引人注目的创新：自12月以来，其酒店LOGO一直由安装在酒店场地上的太阳能电池弧形墙供电。这些太阳能电池由波兰初创公司Saule Technologies制造，电池利用的是钙钛矿材料制成的微米薄膜，这种材料在短短十年间就从实验室项目发展成为太阳能发电的新亮点。
在过去的18个月里，日本并不是唯一一个在实验室之外试用钙钛矿太阳能电池的地方。Saule公司的华沙总部附近的公楼里也有; 作为该领域的领先英国公司，Oxford PV正在德国哈弗尔河畔勃兰登堡的一个试生产基地进行现场测试。 中国公司杭州纤纳光电公司和湖北万度光能也已经进行了现场测试。 全球十几家公司，成熟的电子巨头和初创企业的混合体，都希望很快能够销售钙钛矿电池。
几十年来，晶体硅片一直占据着太阳能行业的主导地位。 其他可以分层薄膜的材料，如铜铟镓硒（CIGS）和碲化镉（CdTe），因为很难使它们像传统太阳能电池板一样高效或便宜，只占据了不到5％的市场份额。 但钙钛矿可能是一个不同的故事。 它们可以更便宜，并且在将太阳光转化为电能方面看起来更有效，至少在实验室中是如此。
Oxford PV位于德国哈弗尔河畔勃兰登堡的试生产工厂的一名研究人员测试了一种商业尺寸的太阳能电池，它是通过在硅上层压钙钛矿制成的。
图片来源：Oxford PV
效率提升
在距离牛津大学北部15分钟车程，Oxford PV的研究实验室里，研究人员在测试1平方厘米的闪亮的黑色电池。他们正在探索在将光转换为电能方面更有效的新材料组合。他们瞄准的成品类型就在附近的工作台上：一块大的钙钛矿涂层太阳能组件，尺寸为标准硅电池，尺寸为243平方厘米，层压在两片玻璃之间。
研究人员有很多选择，因为“钙钛矿”的结构为大量的晶体结构。该术语最初指的是矿物质钙钛氧化物（CaTiO3），它于1839年在俄罗斯乌拉尔山脉中被发现，并以俄罗斯矿物学家Lev Perovski的名字命名。但太阳能电池中的钙钛矿与该矿物几乎没有共同点，些许的共同点是只有它们的ABX3结构。
从太阳能的角度来看，这些材料的重要优势是入射光使其带负电的电子进入较高能量状态，留下空位或“空穴”，其作用就像带正电的粒子。如果这些带电荷的电子和空穴可以在湮灭前到达钙钛矿膜上方和下方的电极，则可以产生电流。
2009年报道的第一个钙钛矿光伏器件其光电转化效率仅为3.8％。但由于晶体在实验室中很容易制作，并通过将低成本的盐溶液混合在一起形成薄膜，研究人员迅速设法改善其性能。到2018年，由美国和韩国的研究人员得出的效率飙升至24.2％，接近硅的实验室记录26.7％。两种材料的理论极限都不到30％，但典型的商用硅面板徘徊在18%-20％，最好的约为22％。不幸的是，钙钛矿效率记录一直限于小于1平方厘米的微小样品上，并且性能不会扩大。相比之下，目前硅电池的记录是实验室在硅电池面积大小为79平方厘米时测得的，并在180平方厘米时效率仍为26.6％。
Kurtz说到：“人们尚未证明有能力以大面积形式制造高效电池”。一个问题是，在大面积区域，生产均匀涂层更难。另一个原因是，当在实验室中使用微小电池时，科学家们使用TCO薄膜收集电流，这些TCO薄膜可以通过大量光线，但具有微小电阻，这意味着它们会使电流变小。在较大的面积上，这种电阻率的问题将变得更加的明显。例如，在跨国电子公司松下，研究人员报道了一块6.25平方厘米的钙钛矿电池，效率为20.6％。但当35个电池片组合成412平方厘米的组件时，这一比例降至12.6％。纤纳公司拥有钙钛矿“迷你组件”的认证世界纪录，七个电池片，大约17.3平方厘米，效率达到17.3％。
尽管如此，钙钛矿电池比硅电池更简单，更便宜。晶硅材料生产始于1800℃条件下加热沙子。制造高纯度硅片还包括将材料溶解在300℃的盐酸中。相比之下，Saule公司的解决方案是通过使用喷墨打印机使少量材料沉积到塑料薄膜上。该公司表示，它以这种方式制造了中等大小（100平方厘米）的组件，效率为10％。一些公司使用带图案的压花辊来涂覆钙钛矿薄膜。位于加利福尼亚州圣卡洛斯的Swift Solar公司正试图将两种不同类型的钙钛矿电池结合在一起，形成一个轻质的串联组件。
但提高效率的最快途径可能是用钙钛矿叠加到硅片上。去年，Oxford PV报道了一种效率为28％的1平方厘米串联电池，它是通过在硅片表面涂覆17％的高效钙钛矿层制成的。钙钛矿可以吸收更多的短波长蓝绿光，使硅吸收更长波长的红光。到今年年底，该公司的目标是生产效率为27％的高效商用尺寸串联电池，其性能优于最佳硅片，为其合作伙伴公司组装成组件。 凯斯表示，这些组件将于2020年底公开发布。
它们足够耐久吗？
然而，钙钛矿的主要挑战是它们是否可以与具有25年的保修期硅片一样耐久。在澳大利亚悉尼新南威尔士大学研究钙钛矿和其他太阳能材料的马丁格林说，钙钛矿稳定性“需要接近晶硅组件所建立的规范，并且，现在看起来越不可能”。
钙钛矿对空气和水分敏感，但这不是最致命问题。商业太阳能电池板已经将其光伏材料封装在塑料和玻璃中以进行保护。这也可能适用于大多数钙钛矿。更重要的问题在于钙钛矿材料晶体本身。在某些情况下，随着钙钛矿的升温，结构发生变化；尽管变化是可逆的，但它会影响其以后的性能表现。
研究人员一直在努力解决这个问题：在洛桑的瑞士联邦理工学院（EPFL），由MichaelGrätzel领导的团队开发了ABX3结构中具有三个或四个不同“A”阳离子的结构。该团队将甲基铵和甲脒阳离子与少量的铯和铷结合在一起。当使用单独的阳离子时，该组合可防止由温度和湿度引起的结构变化。
另一个问题是当光线照射到钙钛矿晶体上时，小的“X”阴离子可以开始在结构内部移动。如果阴离子存在任何间隙（可能会发生这种情况），就会导致一系列连锁反应，这些连锁反应可能会改变晶体的构成和效率，或导致设备故障。大多数太阳能技术在效率方面存在一些差异 “钙钛矿在这些差异上显得更加显著。”
Grätzel说: “研究人员仍在取得进展,事情已经很好地改善了，”例如，在2017年，他的团队报告了5个0.16 平方厘米钙钛矿电池组成的迷你电池，效率超过20％，并且在1000小时或41天内在充足阳光下保持95％的性能。
现场测试
大多数钙钛矿电池研究公司尚未公布其稳定性结果。但他们都表示，他们遵循由瑞士日内瓦国际电工委员会（IEC）制定的硅太阳能电池板认证标准。该标准称为IEC 61215，涉及室内测试，其中组件在85％相对湿度下加热至85°C，持续1000小时。组件面板也在-40°C至90°C之间循环至100次，甚至用冰雹轰击。
如果在这些测试之后硅片仍然可以工作，那么在常规的天气下它应该有25年性能保证。但由于钙钛矿与硅有不同的不稳定性，它们虽然也通过这些测试，但在现实世界中可能仍然不适用。例如，纤纳光电的钙钛矿组件通过了IEC 61215，该公司副总裁颜步一表示。“杭州的现场试验表明，产品平均在1至2年内降至初始性能的80％。与晶硅电池组件的25至30年寿命相比，这是一个主要的缺点，”他的联合创始人，公司首席执行官姚冀众表示，新研发的组件性能损耗速度较慢，但分享细节还为时尚早。
凯斯表示，Oxford PV的串联组件也通过了IEC 61215级测试。 “这是否意味着这将持续25年？”，他指着附近的一个组件问道。 答案是不知道，它们都是长期耐久性的标志，这可以当作是一个很好的迹象，但还不够有说服力。
马丁格林表示，如果在挪威专业测试公司DNV发布的行业名单的上游部分出现钙钛矿组件，他将认同钙钛矿稳定性问题得到解决。测试公司DNV从每个制造商处拿到几个组件电池板，通过它自己的电气，光学和温度测试，并比较结果。这些测试类似于IEC 61215，但旨在更好地捕获长期退化。不过尚未有钙钛矿公司出现在名单上。
铅的毒性
钙钛矿电池的另一个潜在隐患是它们中含有铅，铅是一种有毒金属。研究人员尝试过使用替代品，如锡，但性能下降。但这并不意味着电池不能使用。Oxford PV的串联电池的生命周期分析表明，如果它泄漏，它们含有的少量铅对环境毒性没有太大影响。该分析还认为，在电池生产过程中使用的资源，硅电池对整体环境的影响更大。
但一些研究人员表示，铅的含量排除了在一次性电池产品中使用钙钛矿的想法。 Grätzel认为他们可能会在人们很少去的大型太阳能农场中使用。Grätzel说： “如果有人想不计后果的出售设备，他们的想法就是错误和危险的，如果一个孩子刺穿塑料盖怎么办？铅中毒没有妥协。”
Saule公司反对这种观点。该公司的首席科学官Konrad Wojciechowski表示，其印刷的轻质组件含有极少的铅。他说，即使封装的组件在水中浸泡一年后，留下的铅含量水平“仍然低于世界卫生组织对饮用水的铅含量限制”。而Saule的首席技术官Olga Malinkiewicz，她在2014年创立了该公司，她强调产品将是足够牢固的。 “孩子不可能意外地损坏了钙钛矿电池板，”她说。
更便宜的太阳能？
对于希望其产品能够降低太阳能发电成本的钙钛矿公司来说，还存在另一个问题：硅电池已经很便宜，而且价格正在下降。 瑞士苏黎世BloombergNEF太阳能分析主管Jenny Chase说：“我发现当前太阳能行业比以往任何时候都更令人兴奋，它并不需要技术上的突破。它已经是许多国家最便宜的电力来源之一。晶硅电池技术已经足够好了，它很难被击败。钙钛矿可能最终每瓦减少几美分，但它们不是我们需要等待的东西。”
凯斯不同意。他认为，他公司的串联组件的成本虽然超过硅片，但更高的效率将在几年内将太阳能发电成本降低17%-23％。这种前景引起了一些大公司的兴趣， 3月份，Oxford PV从包括中国风力涡轮机制造巨头金风科技在内的公司获得了3100万英镑（3900万美元）的投资；它总共获得了7600万英镑的投资。
与此同时，大多数生产钙钛矿组件的公司表示，他们不希望进入主流太阳能电池板市场 ，至少不是立即，这是他们能专注于轻质薄膜电池的原因。 Saule希望在2021年销售柔性单钙钛矿层太阳能薄膜电池，而位于东京的Sekisui Chemical，继Oxford PV之后的第二大钙钛矿专利持有者，计划在2020年销售柔性薄膜电池。
一些公司已经退出了钙钛矿市场。跨国摄影公司富士胶片是钙钛矿太阳能专利的第三大持有者。但是，在对钙钛矿太阳能电池进行基础研究后，它不再开发用于制造它们的电池或材料，发言人Shohei Kawasaki说。澳大利亚钙钛矿开发商GreatCell Solar于12月投入运营；虽然它与世界上最大的太阳能电池板制造商之——中国上海的晶科能源公司（JinkoSolar）建立了合作伙伴关系，但未能吸引足够的投资来建造设施。
这些挫折暗示钙钛矿的优势并不像倡导者所想象的那样显而易见。钙钛矿太阳能电池是否真的能兼顾各方面的要求，还是得经过户外实证的检验。
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编译：nature
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