钙钛矿太阳能电池解析

太阳的光线出现在生活中的每一个地方，人们的生活已经离不开太阳，太阳能不仅为植物生长提供光源，而且也能为人类提供能源，现在的光伏发电就是很大程度上利用了太阳能。近十多年来是光伏行业飞速发展的时代，新技术不断涌现推动着行业的不断发展。近十年来是国内光伏行业基本每半年会有一次明显的进步突破，中国光伏产业用十几年的时间实现了从培育期、成长期到成熟期的追赶和超越，直至领先全球，堪称弯道超车的典范，目前中国拥有全球最大光伏发电全产业链集群、最大应用市场、最大投资国、最多发明和应用专利和最大产品出口国等一系列桂冠，光伏发电已经成为中国的“国家名片”之一。光伏产业的快速发展，得益于技术创新与进步。目前，中国拥有全球最强大的光伏研发力量，在可再生能源领域的专利申请数量居全球首位。

国内部分光伏企业还在单多晶性价比之争，推动光伏平价上网之际，近期在钙钛矿光伏领域又有国内企业获得了突破，并离应用更进一步。国内光伏科学家们对钙钛矿材料和结构进行改善在短短10年内，钙钛矿太阳电池的光电转换效率获得飞速提升，目前已达到25.2%以上，2019年钙钛矿电池也即将要走向商业化生产。

在今年11月，协鑫纳米钙钛矿组件通过TUVRheinland的新一轮产品测试：在1241.16平方厘米的有效面积上，协鑫纳米的实用化钙钛矿组件效率达到了15.31%，取得钙钛矿组件实用化产品商业测试。根据TUV Rheinland的测试结果，协鑫纳米的钙钛矿组件温度系数低至-0.001%，而晶硅组件的温度系数通常为-0.3%至-0.4%。也就是说，钙钛矿组件在25摄氏度下的效率和在50摄氏度下的效率是一样的，而晶硅组件的效率从25摄氏度到50摄氏度会下降10%。因此，同样标称功率的钙钛矿组件，在实际工况之下工作，至少将比晶硅组件多发10%的电。

今年2月，协鑫集团旗下苏州协鑫纳米科技有限公司发布了其在钙钛矿光伏组件技术方面的突破性进展，在业界率先建成10兆瓦级别大面积钙钛矿组件中试生产线，完成了相关材料合成及制造工艺的开发，协鑫纳米的10MW中试生产线所制造的钙钛矿光伏组件尺寸为45cm*65cm，光电转化效率达到15.3%。这是全世界范围内最大面积的钙钛矿光伏组件，也是大面积钙钛矿组件效率的最高数值。且协鑫纳米已经开始100MW量产生产线的建设工作，计划于2020年实现钙钛矿光伏组件的商业化生产。正在建设中的100MW量产生产线，将把组件面积扩大至1m*2m，组件光电转化效率将提高至18%以上。在现有的工艺条件下，100MW量产线制造的钙钛矿光伏组件的制造成本预计将低于1元/W，量产组件的工作寿命将达到25年以上。当产能扩大到1GW以上时，钙钛矿组件的制造成本还将进一步下降到每瓦0.7元左右。如此低的组件成本，意味着光伏系统造价将低于3元/瓦，光伏电力的成本即便在中国东部地区都将显著低于火电。

并且，国内在钙钛矿光伏领域获得重大突破的不仅是协鑫纳米一家。在本月，长江三峡集团旗下三峡资本联合中国三峡新能源注资的杭州纤纳光电科技有限公司钙钛矿组件获得全球首次IEC稳定性测试报告。在2019年12月杭州纤纳光电科技有限公司与国际权威检测认证机构T?V北德集团及旗下T?V北德光伏实验室联合宣布，纤纳光电的钙钛矿电池组件成功通过了国际电工委员会(IEC)相关标准的稳定性测试，所有测试前后功率衰减均不超过5%。这是全球首例通过第三方独立检测的钙钛矿电池组件稳定性测试。

测试选取了钙钛矿组件核心材料稳定性的四个项目，具体包括：

(1)、湿热测试(dampheat test)规定组件需在85°C温度以及85%相对湿度的环境下持续静置1000小时;(2)温度循环测试(thermalcycling test)测试规定组件需在?40°C ~ +85°C之间连续循环200次;(3)UV老化测试(UVpreconditioning test)规定组件需置于60°C以及高强紫外光照下，并接受总计15kWh每平米辐照量的连续紫外光照射;(4)光老化测试(lightsoaking)规定组件需接受总计86kWh每平米的连续标准太阳光辐照;

上述测试模拟组件长期在户外使用受到的水、氧、光、热等全方位环境老化因素冲击，对组件材料长期的稳定性进行综合考量。纤纳光电的钙钛矿组件通过了严格测试，在材料工艺与组件工艺的可靠性方面已能满足应用场景需求。此次稳定性测试的成功意味着钙钛矿这项光伏新技术跨越“死亡之谷”，是一次振奋人心的质的飞跃，具有里程碑意义。T?V北德集团全球可再生能源高级副总裁、全球光伏运营中心总裁兼大中华区副总裁须婷婷女士表示，此次全球首例钙钛矿组件通过商业化光伏组件环境可靠性测试，标志着钙钛矿这一新兴技术正式走出实验室，迈向市场，同时标志着钙钛矿光伏技术开启了新的征程。

国内在钙钛矿光伏上有较大行动的单位还有：

(1)3月15日，中国第一大风机制造商金风科技宣布，以战略投资者身份领投英国钙钛矿太阳能发电公司牛津光伏有限公司(Oxford PVTM)D轮融资，投资金额2100万英镑。

(2)武汉理工大学程一兵专家团队、上海交通大学韩礼元团队、中科院物理研究所孟庆波团队、西安交通大学电信学院吴朝新教授团队、华中科技大学武汉光电研究中心唐江教授团队、电子科技大学的李世彬教授团队、北京交通大学张福俊课题组、湖南大学物理与微电子科学学院潘安练教授团队、北京大学物理学院朱瑞团队、西安电子科技大学微电子学院郝跃院士团队、上海科技大学物质学院系统材料学研究部宁志军教授课题组、合肥工业大学、哈工大、天津理工大学等都在钙钛矿光伏技术上有较大突破。

据统计2017全球钙钛矿光伏15大技术研究新动向中国占了8个，这方面中国也是有较大优势。

钙钛矿光伏技术的优势

1、与传统晶硅技术相比，钙钛矿技术具备若干显著的优势。首先钙钛矿材料是一种人工合成的晶体材料，材料的配方可以不断地调整、迭代，在提高材料性能的同时降低制造成本。2、钙钛矿材料对杂质不敏感，通常90%左右纯度的钙钛矿材料就可以用于制造效率达到20%以上的太阳能电池。晶硅材料则对杂质非常敏感，纯度必须达到99.9999%以上才能用于制造太阳能电池。

3、钙钛矿材料的吸光能力也远远超过晶硅材料，可以用料更少。晶硅太阳能电池中硅片的厚度通常为160至180微米，而钙钛矿太阳能电池中钙钛矿层的厚度仅为0.3微米。一个由60片硅片构成的晶硅组件消耗硅材料约1公斤，而相同尺寸的钙钛矿组件仅消耗2克钙钛矿材料。4、生产更节能。钙钛矿材料可以溶解在普通溶剂之中，钙钛矿组件可以通过溶液涂布工艺生产，整个生产工艺流程温度不超过150度。而晶硅材料的铸锭和提拉都需要在1500度以上高温，生产能耗的差别可想而知。

5、还有前面提到的发电效率受温度影响更小等方面。

钙钛矿光伏进一步发展主要需要解决的问题主要有：实现转换效率的理论极限值、大面积涂层溶液的研究、长期稳定性的研究、回收技术(部分技术电池材料含铅为避免铅浪费与环境污染回收技术是十分重要的)、将实验室产品与技术产业化等方面。钙钛矿光伏的应用一开始就面向平价甚至底价光伏发电，必将引起光伏产业巨大变化。如果某一天人们能高效利用太阳能，相信能解决很大的能源问题，毕竟太阳能是符合可持续发展战略的，能保证人类的永续发展，需要我们科研人员更加努力。