钙钛矿在太阳能电池应用上的喜与忧
◎本报记者 陈 曦
在光伏产业中，近几年钙钛矿炙手可热。其之所以能异军突起，成为太阳能电池领域的“宠儿”，离不开其得天独厚的自身条件。钙钛矿具有众多优异的光电特性、制备工艺简单、原材料来源广泛且含量丰富。除此之外，钙钛矿还可应用于地面电站、航空、建筑、可穿戴式发电器件等众多领域。
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3月21日，宁德时代申请的“钙钛矿太阳能电池及其制备方法与用电装置”专利公布。近年来，在国内相继出台的政策措施的支持下，以钙钛矿太阳能电池为代表的钙钛矿产业取得了长足的发展。那么什么是钙钛矿？钙钛矿产业化情况如何？还面临哪些挑战？科技日报记者就此采访了相关专家。
钙钛矿既不是钙也不是钛
所谓钙钛矿，既不是钙也不是钛，而是具备相同晶体结构的一类“陶瓷氧化物”的统称，分子式为ABX3。A代表“大半径阳离子”，B代表“金属阳离子”，X则代表“卤族阴离子”。这三种离子通过不同元素的排列组合，或者调整彼此之间的距离，可以呈现许多神奇的物理特性，包括但不限于绝缘、铁电、反铁磁、巨磁效应等。
“根据材料的元素组成，可以将钙钛矿大致分为三类：复合金属氧化物钙钛矿、有机杂化钙钛矿、无机卤素钙钛矿。”南开大学电子信息与光学工程学院教授罗景山介绍，现在用于光伏的钙钛矿通常是后两种。
钙钛矿可应用于地面电站、航空、建筑、可穿戴式发电器件等众多领域。其中，光伏领域是钙钛矿的主要应用领域。钙钛矿结构可设计性强，具有非常好的光伏性能，是光伏领域近年来的热门研究方向。
钙钛矿产业化进程加速，国内企业争相布局。据悉，杭州纤纳光电科技有限公司首批5000片钙钛矿组件出货；仁烁光能（苏州）有限公司也正在加速建设全球最大的150兆瓦级全钙钛矿叠层中试线；昆山协鑫光电材料有限公司2021年年中，完成100兆瓦钙钛矿量产生产线建设并进行试生产；极电光能有限公司150兆瓦的钙钛矿光伏组件生产线已于2022年12月建成投产，达产后年产值可达3亿元。
在光伏领域钙钛矿优势明显
在光伏产业中，近几年钙钛矿炙手可热。其之所以能异军突起，成为太阳能电池领域的“宠儿”，离不开其得天独厚的自身条件。
“首先，钙钛矿具有众多优异的光电特性，如可调节的带隙、高吸光系数、低激子束缚能、高载流子迁移率、高缺陷容忍度等；其次，钙钛矿制备工艺简单，可实现半透明、超轻、超薄、柔性等。最后，钙钛矿原材料来源广泛且含量丰富。”罗景山介绍。而且钙钛矿的制备对原材料纯度要求也比较低。
目前光伏领域大量使用的是硅基太阳能电池，可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池。晶硅电池理论上的光电转化极值为29.4%，目前实验室环境最高能达到26.7%，距离转化的天花板已经很近了；可以预见的是，技术改进的边际收益也会越来越小。相比之下，钙钛矿电池的光电转化效率理论极值更高，可达33%，如果把两块钙钛矿电池上下叠在一起，理论转化效率可达45%。
而“效率”之外，另一个重要因素是“成本”。比如，初代薄膜电池的成本之所以降不下来，是镉、镓这些稀有元素在地球上的储量实在太少，结果是产业越发达、需求量越大，生产成本反而越高，始终无法成为市场主流产品。而钙钛矿的原料在地球上都有大量分布，价格也很便宜。
此外，钙钛矿电池钙钛矿涂层的厚度只需几百纳米，大约是硅片的1/500，这意味着对材料的需求量非常少。比如目前全球晶硅电池每年对硅料的需求大约是50万吨，若全部替换为钙钛矿电池，则只需要约1000吨钙钛矿。
在制造成本方面，晶硅电池需要将硅提纯到99.9999%，因此必须把硅料加热到1400摄氏度，融化成液体，拉成圆棒切片，再组装成电池，中间至少要经历4家工厂和两三天时间，能源消耗也更大。而如果是生产钙钛矿电池，只需要将钙钛矿基液涂在基板上，然后等待结晶即可，整个过程只用到玻璃、胶膜、钙钛矿和化工原料，在一家工厂内即可完成，全程只需45分钟左右。
“钙钛矿制备的太阳能电池具有优异的光电转化效率，现阶段其转化效率已经达到了25.7%，未来可能会取代传统的硅基太阳能电池，成为商业主流。”罗景山表示。
推进产业化亟须解决三大问题
在推进钙钛矿产业化进程中，人们还需要解决3个问题，即钙钛矿的长期稳定性、大面积制备和铅的毒性问题。
首先，钙钛矿对环境十分敏感，温度、湿度、光照、电路负载等因素都会导致钙钛矿的分解和电池效率的降低。目前大部分实验室钙钛矿组件还达不到用于光伏产品的IEC 61215国际标准，也达不到硅太阳能电池10—20年的寿命，所以在传统光伏领域钙钛矿的成本依然不占优势。另外，钙钛矿及其器件的降解机制非常复杂，领域内对这个过程并没有非常清晰的认识，也没有统一的量化标准，这对稳定性的研究是不利的。
另一个主要问题是如何大面积制备。目前在实验室里进行器件优化研究的时候，使用的器件有效光照面积通常在1平方厘米以下，而到了大规模组件的商业化应用阶段，就需要对实验室的制备方法进行改进或替换。目前适用于大面积制备钙钛矿薄膜的方法主要是溶液法和真空蒸镀法。在溶液法中，前驱体溶液的浓度、比例、溶剂种类、存储时间等都会对钙钛矿薄膜的质量产生很大影响。真空蒸镀法制备的钙钛矿薄膜质量好、沉积量可控，但前驱体与基底之间又很难做到良好的接触。另外，因为钙钛矿器件的电荷传输层也需要大面积制备，所以在工业化生产中需要建立各层连续沉积的产线。总体来说，钙钛矿薄膜大面积制备的工艺依然需要进一步优化。
最后，铅的毒性也是需要关注的问题。目前高效的钙钛矿器件在老化过程中，钙钛矿会分解产生游离的铅离子和铅单质，这些铅一旦进入人体，将对健康造成危害。
罗景山认为，稳定性等问题，可以通过器件封装来解决。“如果在未来，这两个问题解决了，也有了成熟的制备工艺，也可以把钙钛矿器件做成半透明玻璃或者做在建筑物表面实现光伏建筑一体化，或做成柔性可折叠设备用于航空航天等领域，让钙钛矿在太空无水无氧的环境下发挥最大作用。”罗景山对于钙钛矿的未来充满信心。
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