2021全球工程前沿-钙钛矿太阳能电池
2.2 Top3工程研究前沿重点解读
2.2.1 低成本高效率钙钛矿太阳能电池的产业化
2.2.2 工业废气的深度净化与资源利用
光伏发电是目前应用最广泛的太阳能利用技术之一。中国拥有全球最大的光伏产业，是世界上最大的伏组件生产国，同时也拥有全球最高的光伏系统装机容量。目前的光伏产品仍然以晶硅为主流，晶硅生产过程中较高的能耗成为了进一步减少碳排放的障碍，因此发展新型低能光伏技术具有重要意义。
钙钛矿太阳能电池是利用具备钙钛矿晶体结构的有机金属卤化物半导体作为吸光结构的太阳能电池技术。钙钛矿太阳能电池作为第三代光伏技术中的佼佼者，具有明显的优势：钙钛矿太阳能电池单结理论效率可以超过30%，目前的实验室效率已经超过了25%，达到了与硅电池相媲美的水平，是第三代光伏中效率最高的技术；钙钛矿太阳能电池的原料廉价易得，组件成本有望比硅组件更低；更重要的是，钙钛矿组件可以通过低温溶液法制备，相比于硅电池所需的高温工艺有效降低了生产能耗与碳排放。
在钙钛矿产业化的早期尝试中，效率是最受关注的研究重点，随着目前小面积组件效率逐渐超过20%，稳定性研究也日益受到学术界和产业界的关注，目前报道的组件稳定性最长已经超过了1万小时。此外，钙钛矿与硅电池结合构造双叠层电池可以大幅度提高硅电池效率，如德国亥姆霍兹研究所开发的约30%的钙钛矿-硅双节叠层电池。叠层电池体系对现有硅光伏设备相容性较好，对于传统硅光伏的升级具备巨大的吸引力。总体而言，目前钙钛矿产业化的重点趋势仍然是单结电池体系与叠层系统全面发展。对于单结电池体系，目前的研究趋势在于通过组分与结构调控进一步提升器件效率与稳定性以及器件的封装工艺；对于叠层电池系统，除上述研究要点外，还需要关注钙钛矿层与硅电池的光谱匹配以及界面处的电荷抽取效率。无论是单结还是叠层，如何在保证高效率的同时提高组件的稳定性仍然是目前的研究重点和难点。
在钙钛矿太阳能电池产业化开发方面，中国学者和研究机构占据领先地位（表2.2.1），国内致力于钙钛矿太阳能电池产业化的机构数目与受关注度（被引数）同样占据全球首位，而且呈现高校和企业齐头并进的态势（表2.2.2）。除中国外，日本与美国虽然专利数目相对少但是关注度较高；在国际协作开发方面，中国-德国、美国-韩国合作较多，中国和德国作为光伏技术、设备的重要消费和输出国，双方在钙钛矿光伏的产业化合作较多，美国和韩国同样合作密切（图2.2.1）。此外，目前机构之间没有明显的合作关系，相信随着钙钛矿产业化的加速推进，钙钛矿产业化的技术路径会愈发清晰，届时会出现强强联合协作的局面。
表1.2.1 专利主要产出国家
表1.2.1 专利主要产出机构
图1.2.1 “ 低成本高效率钙钛矿太阳能电池的产业化”工程研究前沿主要国家间的合作网络
采用低成本原料的铅卤钙钛矿太阳能电池的发展迅速，其光电转换效率认证记录已经提升至25.5%，可以和商业化的晶体硅媲美，并且凭借低成本优势有望实现商业化生产。除了稳定性，钙钛矿太阳能电池商业化的主要挑战是大面积钙钛矿太阳能电池组件制备，主要的技术挑战包括开发可扩展的钙钛矿吸光层的沉积技术以及相配套的钙钛矿器件中的电子传输层、空穴传输层和接触电极的制备。此外，需要研究钙钛矿太阳能电池模组的器件构型及制备工艺，探究集成程序对模块互连性能和模块运行的可靠性与稳定性的影响。研发密封剂和密封方法对于确保钙钛矿太阳能电池在工作条件下的耐用性也非常关键，不仅可以提高电池稳定性，还可以防止潜在的铅泄露。虽然目前大面积钙钛矿太阳能电池组件的制备技术研究的进展令人鼓舞，但在提高效率、提升稳定性和降低成本方面还需要进行更多的研究。在钙钛矿吸光层之外，高效稳定的空穴传输层及接触电极对于器件的效率和稳定性影响极大，是大面积钙钛矿太阳能电池组件制备的关键瓶颈。总之，大面积钙钛矿太阳能电池组件制备技术是实现低成本、高效钙钛矿太阳能发电的工程开发前沿。
全球工程前沿2021中文版 (Engineering Fronts 2021 Chinese Version)
http://devp-service.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/9047b66293bc4326b15ca9145477fd18/file_1639123755899.pdf
全球工程前沿2021英文版 (Engineering Fronts 2021 English Version)
http://devp-service.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/9047b66293bc4326b15ca9145477fd18/file_1639123738574.pdf
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