钙钛矿在太阳能电池应用上的喜与忧

原标题：钙钛矿在太阳能电池应用上的喜与忧

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。

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。