钙钛矿太阳能电池：下一代高效、低成本新能源？

冬致夏陌

作者 编辑 | Jason

太阳能作为一种无限的、免费的能源来源，备受关注。其中，光伏技术在太阳能领域中的应用非常广泛，最早可以追溯到1839年。当时法国物理学家Edmund Bequerel在电解液中的镀银铂电极上发现光生伏特（即光伏）效应，这是人类第一次发现光伏效应。
随着20世纪70年代的第一次石油危机，促使发达国家增加了对包括太阳能在内的可再生能源的政策支持和资金投入，光伏行业也逐步从幕后走向了公众视野。我们日常所知的单晶硅、多晶硅太阳能电池也就是在那个时候开始走向市场。截至目前，晶硅占据了光伏市场95%的份额。
不过近几年，一些新型的光伏技术也在实验室中崭露头角，如染料敏化太阳能电池（DSSCs）、有机光伏（OPV）、量子点太阳能电池（QDSCs）和钙钛矿太阳能电池（PSCs）等。这些新兴技术尚未大批量进入市场，但其具有低成本、低能耗、质轻和制造灵活等优点而受到学术界和工业界的广泛关注。
其中钙钛矿太阳能电池的出现，对太阳能电池的发展和应用产生了积极的影响。这种新型太阳能电池不仅具有较高的能量转化效率和成本效益，而且还能够减少对传统能源的依赖、降低碳排放、改善环境质量，对于推进全球能源转型和可持续发展具有重要的战略意义。本文将结合钙钛矿的历史、现状、未来发展等方面，浅析钙钛矿在能源领域的应用前景。
1、钙钛矿材料历史渊源久远，近十年发展突飞猛进。

钙钛矿的主要成分是化学式为CaTiO3的钙钛矿晶体结构，其中含有钙、钛、氧三种元素。钙钛矿的发现可以追溯到19世纪初，德国化学家古斯塔夫·罗斯在俄罗斯乌拉尔山探险时发现了这种矿物，后来被俄罗斯矿物学家Lev A. Perovski表征，钙钛矿（英文Perovskite）由此得名。

早期发现的钙钛矿氧化物材料只具有优异的铁电、磁性和超导特性，并不具备优异的光电特性；直到1978年，Weber开发出了一种有机金属卤化物，这种有机金属卤化物具有与CaTiO3一样的晶体结构，因此被称为钙钛矿材料。2006年，日本科学家Miyasaka等人首次将有机金属卤化物钙钛矿作为光敏剂应用在光伏电池中，证明了钙钛矿在太阳能电池方面具备了极高的潜力。
然而由于当时技术水平的限制，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率较低，其效率仅只有可怜的2.2%，不仅如此，这些器件的寿命都很短，所以根本无法商业化生产。不过，2009年到2019年的十年时间里，钙钛矿太阳能电池的转换效率突破了25%，这是晶体硅太阳能电池花了六十年的时间才达到的，这不得不引起产业界广泛关注, 成为了新型太阳能电池技术中的一大热门研究方向。
▲钙钛矿电池结构
2020年以来，学术界继续围绕钙钛矿太阳能电池的界面修饰，材料改性展开工作，继续探索提升技术稳定性、转换效率的机理研究，多项技术的突破使得钙钛矿具备走出实验室、走向产业化的基础。据有关数据显示，经过三个阶段的技术突破，钙钛矿电池在研发效率方面已取得了长足的进步。目前单结最高转换效率已达到25.7%，钙钛矿/钙钛矿叠层最高效率为28.0%，钙钛矿/晶硅叠层效率最新实现了31.3%。
2、研发备受关注，优势与挑战并存。

钙钛矿太阳能电池是钙钛矿材料应用领域中最为热门的研究方向之一，在其研究过程中，与传统晶硅太阳能电池相比，具备了如下的优势：
01高效率
可调带隙提高钙钛矿理论效率极限，高缺陷容忍度有助于钙钛矿电池实现更高转换效率。钙钛矿更接近单结电池理想带隙，理论效率极限高。钙钛矿材料对缺陷容忍度高，减少了载流子缺陷复合导致的效率损耗，使得实验室效率更接近理论效率极限。
02低成本
优异吸光系数降低吸光层材料用量、高缺陷容忍度降低吸光层提纯成本。钙钛矿吸光层材料对杂质容忍度高，降低材料提纯要求进而降低生产成本。钙钛矿材料吸光系数高，厚度更薄，原料使用量小。
03多应用
钙钛矿材料广泛存在于自然界中，具有良好的光吸收特性，可应用于太阳能电池、光电探测器、光催化和光电存储等领域。
尽管钙钛矿太阳能电池具备着高效率、低成本和多应用等优势，但它也存在着一些不足之处。
首先，钙钛矿太阳能电池的稳定性还存在一定的问题。由于钙钛矿材料对水分和氧气等环境因素敏感，容易受到氧化、水解、分解等作用而发生破坏。这导致钙钛矿太阳能电池在长期使用过程中存在着稳定性问题，需要加强材料的稳定性研究。
其次，钙钛矿太阳能电池的生产工艺尚不成熟。与硅基太阳能电池相比，钙钛矿太阳能电池的生产工艺较为复杂，需要控制好材料的晶体生长、薄膜制备、电极材料的选择和表面处理等环节，才能获得高效的钙钛矿太阳能电池。
另外，钙钛矿太阳能电池的毒性问题也备受关注。钙钛矿材料中常常含有有毒重金属，如铅、汞、镉等，这些重金属会对人体和环境造成严重污染。因此，在研究钙钛矿太阳能电池的同时，需要考虑材料的环保性和可持续性。
3、差异化发展，未来有机会使光伏走进千家万户。
钙钛矿太阳能电池作为光伏行业的新兴技术，在规模、成本还有产业链发展等方面都不占优势，当下无法与硅基太阳能电池的市场直面竞争，因此早期开发差异化产品更为关键。
钙钛矿薄膜透明度可调、颜色可调、质轻和弱光性能优异的特性，是晶硅不具备的，因此在建筑幕墙和室内弱光电源上是较好的应用场景。相关测算表明到2025年，BIPV的安装量在10GW左右，按照碲化镉薄膜电池4.2元/W的现价来算，对应的市场空间约42亿元，而室内弱光光伏的市场空间也在几十亿元左右。钙钛矿太阳能电池低廉的成本以及优异的弱光性能，未来有机会使光伏走进千家万户，给室内电器提供能源。

另一方面的市场机会在于光伏发电站。早期的钙钛矿太阳能电池可以利用带隙可调的优势，与晶硅电池合作做成叠层光伏组件，进一步提升整个组件系统的光电转换效率，如Oxford PV制造的硅/钙钛矿光伏电池的效率高达29.8%。
长期来看，随着钙钛矿太阳能电池技术走向成熟、规模化，产业链不断完善，其作为单结电池有可能会直面晶硅光伏的竞争。
尽管钙钛矿太阳能电池仍然面临寿命和大尺寸效率的问题，但巨大的降本潜力对于传统的晶硅电池极具优势。未来10年，光伏平均每年的新增装机规模有望提升到130GW，按照单瓦1元的光伏组件价格测算，有高达1300亿的市场空间。
总的来说，随着钙钛矿太阳能电池技术的进一步发展和成熟，它有望在未来成为下一代太阳能电池的重要技术之一，并在能源转型中发挥重要作用。
资料参考：
1.东方富海：钙钛矿光伏：让光伏走进千家万户｜【富海洞察】
2.又东创投：第三代太阳能电池技术-钙钛矿
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