钙钛矿，光伏行业新生力量
作为一种新型光伏材料，钙钛矿太阳能电池近年来快速成为材料界研究热点之一。根据Web of Science统计数据，钙钛矿太阳能电池的研究论文从2016年的8713篇发展到2020年的17756篇，仅4年时间论文数量就翻了一番。不少学者认为，钙钛矿由于其成本性能优势，若能克服产业化技术难点，或将替代单晶硅，成为下一代主流光伏材料。那么钙钛矿究竟是什么物质，为什么能有如此优良的光伏性能？且看下文详解。
钙钛矿太阳能电池简介
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，后来把结构与之类似的晶体统称为钙钛矿物质。钙钛矿材料的结构通式为ABX3，其中A位点为有机阳离子（例如铵离子），B位点为金属离子（例如铅离子），X位点为卤素基团（例如氯离子或溴离子）。相比共棱、共面形式连接的结构，钙钛矿结构更加稳定，有利于缺陷的扩散迁移。
图1 钙钛矿晶体结构
（宋灵婷等，2022）
钙钛矿电池吸光原理
有机阳离子、金属阳离子、卤素基团形成立方排布，而金属离子与卤素离子需要形成八面体，进而形成三维框架，所以合适的离子尺寸非常重要。相关文献指出（Advanced Materials. 2019），铅离子离子6s轨道存在孤对电子并且6p轨道无活性，加上立方相钙钛矿呈高对称性，导致电子的维度高，因此钙钛矿载流子寿命长，扩散长度长，适合应用在光伏领域。有机金属卤化物钙钛矿结构太阳能电池能隙约为1.5eV，消光系数高，几百纳米厚的薄膜即可充分吸收800nm以下的太阳光，在光电转换领域具有重要的应用前景。
图2 钙钛矿太阳能电池发光机理
（Nature nanotechnology, 2020）
在接受太阳光照射时，钙钛矿层首先吸收光子产生电子-空穴对。由于钙钛矿材激子束缚能的差异，这些载流子或者成为自由载流子，或者形成激子。因为这些钙钛矿材料往往具有较低的载流子复合几率和较高的载流子迁移率，所以载流子的扩散距离和寿命较长。硅太阳能电池的理论带隙约为1.2eV，这意味着它们的最大效率约为32%。最好的钙钛矿材料可以达到31%左右。
钙钛矿太阳能电池结构
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。钙钛矿有两类结构：介观结构和平面异质结结构。介观结构钙钛矿结构纳米晶附着在介孔结构的氧化物（如TiO2）骨架材料上，空穴传输材料沉积在其表面。平面异质结结构将钙钛矿结构材料分离出来，夹在空穴传输材料和电子传输材料中间。根据层次顺序，结构大致可以分为正置(n-i-p)结构和倒置(p-i-n)结构两大类，电池结构简单。以反型平面钙钛矿电池为例，自下往上依次为：玻璃、透明电极（ITO或FTO）、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层、金属电极。
图3 钙钛矿太阳能电池结构
产业化核心问题
（一）稳定性问题
与晶硅组件的衰减机制不同，传统钙钛矿吸光材料在长期光照加热条件下结构极易被破坏，导致电池性能迅速衰减，所以稳定性也成为钙钛矿技术研发与量产过程中亟待解决难题。钙钛矿容易在水氧作用下分解，在光作用下分离卤素，在热作用下损失组分，在电场作用下产生离子移动。
图4 1sun AM 1.5G条件下、55℃稳定温度和短路条件下的典型模块稳定性测试2D/3D太阳能电池稳定性
（Nature Communications, 2017）
（二）大面积制备问题
目前由于受到制备工艺的限制，实验室制备出来的钙钛矿太阳能电池器件面积都比较小，大部分集中在0.09cm2-1cm2。市场应用则需要面积更大的器件（100cm2-1m*2m），但是目前还难以制作出尺寸较大的、连续且高效的钙钛矿膜。狭缝涂布、印刷工艺具有制作面积大且均匀可控的特点，或可成为产业化主流制备模式。
图5 狭缝涂布工艺流程
（International Journal of Extreme Manufacturing, 2020）
五、产业化进程
钙钛矿太阳能电池虽然从实验室到产业化存在一定的困难，但随着制备技术的飞速发展，钙钛矿太阳能电池已逐渐开启产业化进程。当前致力于钙钛矿太阳能电池研发的企业主要有纤纳光电（成立于2015年）、牛津光伏（成立于2016年）、协鑫光电（成立于2019年）、大正微纳（成立于2018年）等。纤纳光电和协鑫光电主要致力于刚性钙钛矿太阳能电池研发，目前纤纳光电的19.32cm2的钙钛矿太阳能电池转换效率已达21.4%（该面积效率最高产品），同时其全球首个钙钛矿光伏地面电站在衢江区开工。协鑫光电45cm*65cm产品转换效率可达15%（面积最大产品），正在建设100MW大面积钙钛矿太阳能电池生产线。牛津光伏致力于叠层钙钛矿太阳能电池研发，目前其产品效率达到29.52%，其百兆瓦产线将在2022年投入使用。大正微纳致力于柔性钙钛矿太阳能电池研发，其当前产品效率为21.10%，正在建设百兆瓦产线。
图6 大面积钙钛矿太阳能电池
（来源：https://www.sohu.com/a/361294025_120214179）
六、钙钛矿太阳能电池应用
（一）光伏幕墙
（二）光伏屋顶
（三）可穿戴设备
作者简介
王嘉清
清华大学水利水电工程系20级博士研究生，研究方向为水资源管理。
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文稿 | 王嘉清
编辑 | 任万洲
审核 | 陈星安 李 波 蔡世杰
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