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关于钙钛矿太阳能电池的最新研究进展

发布时间：

2024-11-11 16:42

何为钙钛矿太阳能电池？

卤化物钙钛矿作为一类材料，在太阳能电池领域展现出了高性能与低生产成本的巨大潜力。尽管其他类型的非卤化物钙钛矿（如氧化物和氮化物）也被应用于燃料电池和催化剂等能源技术中，但“钙钛矿”这一名称还是源于其晶体结构的昵称。

近年来，钙钛矿太阳能电池的效率迅速提升，从2009年的约3%跃升至如今的超过25%，取得了显著进展。然而，尽管钙钛矿太阳能电池在极短时间内实现了高效率，但要成为具有竞争力的商业技术，仍需克服一系列挑战。

研究方向

SETO已确定钙钛矿技术要实现商业化成功必须同时解决的四大挑战。每个挑战都代表着一组独特的障碍，并需要实现特定的技术和商业目标。为此，该办公室通过多个资助项目，如SETO 2021财年太阳能小型创新项目（SIPS）、SETO 2020光伏项目、SETO 2020财年钙钛矿资助项目以及钙钛矿初创企业奖，来支持应对这些挑战的研究工作。

稳定性与耐久性

钙钛矿太阳能电池已展现出具有竞争力的功率转换效率（PCE），且具备更高性能的潜力，但其稳定性相较于领先的光伏（PV）技术仍有所不足。钙钛矿在与水分、氧气反应或长时间暴露于光照、高温或施加电压下会发生分解。为了提高稳定性，研究人员正在研究钙钛矿材料本身以及周围器件层的降解情况。对于商业钙钛矿太阳能产品的开发而言，提高电池的耐久性至关重要。

尽管在理解钙钛矿太阳能电池的稳定性与降解方面取得了显著进展，但由于其有限的使用寿命，目前它们尚不具备商业可行性。电力部门以外的商业应用可能容忍较短的使用寿命，但即便如此，也需要在存储期间的设备稳定性等方面进行改进。对于主流的太阳能发电而言，无论其他优势如何，无法运行超过二十年的技术都不太可能取得成功。

早期的钙钛矿器件降解迅速，几分钟或几小时内便失去功能。现在，多个研究团队已经实现了数月的运行寿命。对于商业化的电网级电力生产，SETO的目标是至少20年的使用寿命，更理想的是超过30年。

钙钛矿光伏研发界高度关注使用寿命问题，并正在考虑多种方法来理解和提高稳定性与耐久性。相关努力包括改进处理工艺以降低钙钛矿表面的反应性、研发钙钛矿材料的替代材料和配方、替代周围器件层和电气触点、采用先进封装材料以及在制造和运行过程中减轻降解源的方法。

评估钙钛矿降解的一个问题在于开发一致的测试和验证方法。各研究团队基于差异极大的测试条件报告性能结果，包括不同的封装方法、大气组成、光照、电偏置和其他参数。虽然这种多样化的测试条件可以提供见解和有价值的数据，但缺乏标准化使得直接比较结果变得困难，且难以从测试结果预测实际性能。

规模化下的功率转换效率

在小面积实验室器件中，钙钛矿光伏电池在功率转换效率方面已超越几乎所有薄膜技术（III-V技术除外），并在过去五年中实现了快速提升。然而，高效率器件并不一定稳定或能够大规模生产。对于钙钛矿的广泛应用而言，在保持这些高效率的同时，实现大面积模块的稳定性将是必要的。对于移动、应急响应或运营能源市场等需要轻便、高功率器件的领域而言，中面积模块效率的持续提升将具有重要价值。

下图表展示了钙钛矿光伏器件随时间推移的记录效率与其他光伏技术的对比。

截至2022年1月26日，钙钛矿光伏电池与其他光伏技术的效率记录对比，其中单结钙钛矿器件的当前记录为25.7%，钙钛矿-硅叠层器件为29.8%。
（图表由国家可再生能源实验室提供）

通过改变材料组成，钙钛矿可以调整以响应太阳光谱中的不同颜色，并且多种配方已展现出高性能。这种灵活性使得钙钛矿可以与其他不同调整的吸收材料相结合，从而从同一器件中输出更多电力。这被称为叠层器件结构。使用多种光伏材料使叠层器件具有超过33%的潜在功率转换效率，这是单结光伏电池的理论极限。钙钛矿材料可以调整以利用硅光伏材料无法高效利用的太阳光谱部分，这意味着它们是出色的混合叠层搭档。还可以将两种不同组成的钙钛矿太阳能电池相结合，制成钙钛矿-钙钛矿叠层。钙钛矿-钙钛矿叠层在移动、应急响应和防御行动领域可能特别具有竞争力，因为它们可以制成柔性、轻便且功率重量比高的器件。

可制造性

为了实现钙钛矿太阳能电池的商业生产，必须扩大钙钛矿的制造规模。使工艺具有可扩展性和可重复性可以提高制造效率，并使钙钛矿光伏模块达到或超过SETO为光伏设定的平准化度电成本目标。

钙钛矿太阳能电池是由多层材料构成的薄膜器件，这些材料要么是通过液体油墨印刷或涂覆，要么是通过真空沉积而成。在大规模制造环境中生产均匀、高性能的钙钛矿材料很困难，小面积电池效率与大面积模块效率之间存在显著差异。钙钛矿制造的未来将取决于解决这一挑战，而这仍然是光伏研究领域的一个活跃方向。

用于生产实验室规模钙钛矿器件的许多方法并不容易扩大规模，但人们正在为钙钛矿制造应用可扩展的方法付出巨大努力。对于薄膜技术而言，这些可以分为两大类生产方式：

片对片：器件层沉积在刚性基底上，该基底通常作为完成后的太阳能模块的前表面。这种方法在碲化镉（CdTe）薄膜行业中很常见。

卷对卷：器件层沉积在柔性基底上，该基底然后可以用作完成后的模块的内部或外部部分。研究人员已尝试将这种方法应用于其他光伏技术，但由于这些技术的性能限制，卷对卷处理并未获得商业牵引力。然而，它在生产照相和化学胶片以及纸张产品（如报纸）方面得到了广泛应用。

如果能够通过这些可扩展的制造方法可靠地生产钙钛矿，那么它们有可能比硅光伏更快地实现产能扩张。这两种工艺在其他行业中都已成熟，因此可以利用现有的知识和供应链来进一步降低扩张成本和风险。

商业化面临的额外障碍是钙钛矿材料（主要是铅基）可能对环境造成的影响。因此，正在研究替代材料以评估、减少、缓解并最终消除毒性和环境问题。

技术验证与可融资性

验证、性能验证以及可融资性——确保金融机构愿意以合理的利率为项目或提案提供融资——对于钙钛矿技术的商业化至关重要。测试协议的差异性和现场数据的不足限制了跨钙钛矿器件比较性能的能力，也限制了人们对长期运行行为的信心。

当前的太阳能光伏器件测试协议是为现有的主流光伏技术开发的。这些协议涉及室内测试，使用也可以准确预测硅和碲化镉太阳能电池室外性能的协议，而这两种电池的降解方式与钙钛矿技术截然不同。要使用能够充分筛选出现实世界故障模式的测试协议进行客观、可信的验证，对于增强对钙钛矿技术的信心至关重要，而这是实现生产规模扩大和部署投资所必需的。钙钛矿太阳能电池的材料和器件组成快速变化，这使得这种标准化验证尤其具有挑战性和重要性。

为应对这些挑战，SETO资助了钙钛矿光伏技术商业化加速器（PACT）验证与可融资性中心。PACT将进行现场和实验室测试，开发和验证加速测试协议以及能源产量模型，并进行技术和商业可融资性研究，以提高我们对钙钛矿光伏技术现实世界耐久性的理解和信心。

SETO还基于《钙钛矿光伏研究、开发与示范项目性能目标信息征询》（RFI）制定了性能目标，以支持钙钛矿光伏的商业化途径。这些关于钙钛矿光伏器件效率、稳定性和可复制性的目标可以协调研究方向和目标，确保未来的资助项目具有相关性，并加速钙钛矿技术的技术和商业发展以及降低风险。

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