钙钛矿光伏技术的研究进展与产业化趋势.pdf

太阳能第 09 期总第 353 期2023 年 09 月No.09Total No.353Sep.,2023SOLAR ENERGY50 引言随着国家碳达峰、碳中和(下文简称为“双碳”)战略启动，为了实现“双碳”战略目标，构建清洁、低碳、安全、高效的能源体系，控制化石能源消耗总量，构建以新能源为主体能源的新型电力系统成为重要的发展路径。而在各类新能源中，太阳能资源潜力巨大且适合规模化发展；此外，中国的光伏技术也得到了不断地研发与迭代。在各类光伏技术中，钙钛矿光伏技术作为一种新型光伏技术，因光电转换效率高、材料供应充足、成本较低等优势，成为学术界的研究热点，也愈发受到产业界的关注，成为最具潜力的下一代光伏技术之一。近些年，钙钛矿光伏技术得到了快速发展，钙钛矿太阳电池的实验室光电转换效率已突破 29%1；随着钙钛矿太阳电池技术进步，其产业化进程也进入探索阶段。本文基于“双碳”战略下的光伏产业分析，通过梳理国内外钙钛矿光伏技术的最新研究进展，综合阐述钙钛矿材料在光伏发电领域的应用，并结合企业在钙钛矿太阳电池产业化方面的典型实践情况，对钙钛矿太阳电池的产业化趋势与面临的挑战进行归纳，期望该研究可对中国钙钛矿光伏技术的研究和产业化发展有所裨益。1 “双碳”战略下的光伏产业1.1 “双碳”政策及光伏产业的发展机遇分析国家“双碳”战略目标提出后，在实现能源系统绿色低碳转型的进程中，以光伏发电为代表的可再生能源应用成为国家发展的重点。近些年，中国光伏产业得到了长足发展，国内光伏组件的产量持续上升，光伏发电装机容量也不断攀升2。2021 年，中国光伏发电新增装机容量达到 54.88 GW，光伏产品出口额超过 280亿美元。按照全球光伏发电装机容量平均复合增长率为 17%进行预测，到 2024 年，全球光伏发电累计装机容量将达到 11781678 GW。中国DOI:10.19911/j.1003-0417.tyn20220617.03 文章编号：1003-0417(2023)09-05-12钙钛矿光伏技术的研究进展与产业化趋势张敏1，郭晟2，王楠1,3，刘明阳1,4，杨少丹1，李培旭1*(1.清华大学天津高端装备研究院洛阳先进制造产业研发基地，洛阳 471000；2.中国商飞上海飞机制造有限公司，上海 201324；3.沈阳师范大学国际商学院，沈阳 110000；4.青岛工程职业学院机电工程学院，青岛 250200)摘要：随着国家碳达峰、碳中和战略启动，光伏技术在中国能源体系转型中将发挥更加重要的战略价值。围绕在光伏技术中极有潜力的新型钙钛矿光伏技术，综合阐述了钙钛矿材料在光伏发电领域的应用，梳理了国内外钙钛矿光伏技术的最新研究进展，并结合企业在钙钛矿太阳电池产业化方面的典型实践情况，对钙钛矿太阳电池的产业化趋势与面临的挑战进行了归纳和分析。期望该研究可对中国钙钛矿光伏技术的研究和产业化发展有所裨益。关键词：钙钛矿材料；钙钛矿太阳电池；光伏技术；研究进展；产业化中图分类号：TM615 文献标志码：A收稿日期：2022-06-17基金项目：国家自然科学基金资助项目(51902177)通信作者：李培旭(1986)，男，博士、高级工程师，主要从事新材料及新能源技术方面的研究。2023-09杂志.indd 52023-09杂志.indd 52023/9/26 10:12:592023/9/26 10:12:592023 年太阳能6光伏市场是全球第一大光伏市场，按照在全球光伏发电累计装机容量的占比为 35%进行估算，2024 年中国光伏发电累计装机容量将达到 418586 GW，发展潜力巨大。1.2 光伏发电领域的新星钙钛矿太阳电池随着中国能源结构的调整及对太阳能的开发利用，研究人员不断将研究重点投入到新型光伏材料的研发中。光伏材料的发展经历了 3 代：1)第 1 代光伏材料以硅基材料为代表，包括单晶硅、多晶硅，以及非晶硅。此类光伏材料制备太阳电池的工艺成熟，性能稳定性高，最终得到的光伏组件的光电转换效率在 20 年后仍能保持初始值的 80%，是目前光伏市场的主流产品。2)第 2 代光伏材料主要以铜铟镓硒(CIGS)、碲化镉(CdTe)和砷化镓(GaAs)等材料为代表。与晶体硅太阳电池相比，第 2 代光伏材料的吸光薄膜较薄，使太阳电池的制备成本大幅降低。3)随着染料敏化太阳电池被发现，作为理论光电转换效率高、经济性好的钙钛矿材料脱颖而出，成为第 3 代光伏材料中最受瞩目和期待的材料之一。随着光伏材料的发展，太阳电池技术的发展也在不断更新迭代。从最早的发射极钝化和背面接触(PERC)太阳电池，到隧穿氧化层钝化接触(TOPCon)太阳电池、异质结(HJT)太阳电池、异质结背接触(HBC)太阳电池，再到目前备受瞩目的钙钛矿太阳电池，太阳电池技术发展的核心路径是“降本+增效”及降低光伏发电的平准化度电成本。相比于其他太阳电池技术，钙钛矿太阳电池具有理论光电转换效率高的优势，其极限理论光电转换效率可达 30%以上，工业化生产后也具有成本优势。各类太阳电池技术的对比如表 1 所示。表 1 各类太阳电池技术的对比Table 1 Comparison of various solar cell technologies太阳电池技术优势缺点PERC 太阳电池目前市场主流技术路线，可以升级调整为 TOPCon 生产线极限理论光电转换效率在24.5%左右，目前已接近理论值极限TOPCon 太阳电池理论光电转换效率达到 28.7%，相比 PERC 太阳电池具有更高的提升空间制备工艺不成熟HJT 太阳电池“降本+增效”潜力巨大，光电转换效率高、工艺温度低、性能稳定性高、衰减率低、可双面发电等设备成本较高，很难进行量产HBC 太阳电池理论光电转换效率较高制备工艺不成熟，目前仍处于基础研究阶段钙钛矿太阳电池极限理论光电转换效率达 30%以上，制备工艺简单目前存在大面积薄膜制备难题2 钙钛矿材料在光伏发电领域的应用概述2.1 钙钛矿材料简介钙钛矿是一类陶瓷氧化物的统称，分子式为 ABX3，其晶体结构如图 13所示。其中 A、B、X 都对应不同的离子。A 位(图中红色离子)是有机阳离子基团，一般为 CH3NH3+、CH(NH2)2+；B 位(图中银色离子)是金属阳离子，一般为 Pb 阳离子或 Sn 阳离子；X 位(图中绿色离子)是 Cl、Br、I 等卤族元素阴离子及其组合。B 离子与 6 个 X 离子形成 BX6正八面体，B 离子处于 BX6的内部，X 离子处于 BX6的顶角，A离子被 8 个 BX6包围在中间3-4。钙钛矿这种立方八面体的结构比较稳定，在光电领域具有极大的优势，对光的吸收能力强，吸收范围广，几乎可以吸收全部可见光，并且能在温和条件下实现低成本制备。行 业 观 察2023-09杂志.indd 62023-09杂志.indd 62023/9/26 10:12:592023/9/26 10:12:59第 09 期7图 1 钙钛矿化合物的晶体结构3Fig.1 Crystal structures of perovskite compounds32.2 钙钛矿太阳电池基本结构与原理钙钛矿太阳电池的发现得益于染料敏化太阳电池技术的发展。2009 年，日本学者 Kojima 等3首次在染料敏化太阳电池中加入具有钙钛矿结构的甲胺铅碘(CH3NH3PbI3)，得到了实验室光电转换效率为 3.8%的太阳电池。随后，研究人员使用 CH3NH3PbI3作为光吸收层，以 Spiro-OMeTAD取代碘电解液作为空穴传输层制备钙钛矿太阳电池，其实验室光电转换效率达到 9.7%5。随着研究人员对钙钛矿材料及器件制备工艺的不断改进，截至 2020 年底，钙钛矿太阳电池的实验室光电转换效率已突破 29%1。目前的钙钛矿太阳电池结构是以染料敏化太阳电池结构衍生而来，类似于“三明治”结构，主要由导电玻璃基底、电子传输层、钙钛矿光吸收层、空穴传输层，以及金属电极组成。钙钛矿太阳电池的工作原理是光生伏特效应，当太阳光入射到太阳电池表面时，钙钛矿材料吸收太阳光，能量大于 CH3NH3PbX3禁带宽度的光子被其吸收，钙钛矿材料内部的电子由基态转变为激发态，在材料内部形成光生空穴和光生电子，光生电子被电子吸收层吸收传至导电玻璃，进入外电路，而光生空穴被传输至导电玻璃再进入外电路与光生电子汇合，形成闭合回路，从而产生电流。钙钛矿太阳电池的基本结构和工作原理如图 26所示。AgBCPPC61BMPerovskitec-NiOxGlass/FTOmp-CuGaO2a.基本结构 导电玻璃基底电子传输层钙钛矿光吸收层空穴传输层金属电极 入射光 入射光e-e-h+h+h+h+e-e-e-e-e-e-e-b.工作原理图 2 钙钛矿太阳电池的基本结构及工作原理图6Fig.2 Diagram of basic structure and working principle of perovskite solar cells62.3 钙钛矿薄膜的制备方法钙钛矿太阳电池最重要的部分是钙钛矿薄膜，其质量直接决定了钙钛矿太阳电池的性能。为了提高钙钛矿薄膜的质量，研究人员相继研发出不同的钙钛矿薄膜制备方法。对不同的钙钛矿薄膜制备方法进行综合比较，发现溶液沉积法的制备成本较低，根据制备工艺，溶液沉积法可分为一步溶液沉积法和两步溶液沉积法。虽然溶液沉积法具有制备成本低、易获得具有较高光电转换效率的钙钛矿薄膜等优点，但很难制备出大面积的钙钛矿薄膜。基于此，研究人员不断尝试新的制备工艺来制备大面积钙钛矿薄膜，主要包括气相沉积法、喷墨打印法等。不同的钙钛矿薄膜制备方法及其优、缺点如表 27所示。张敏等：钙钛矿光伏技术的研究进展与产业化趋势行 业 观 察2023-09杂志.indd 72023-09杂志.indd 72023/9/26 10:13:002023/9/26 10:13:002023 年太阳能83 钙钛矿太阳电池技术的发展趋势在钙钛矿太阳电池技术的研究发展中，研究的重点主要集中在提升太阳电池的光电转换效率和提升钙钛矿材料的稳定性。尽管钙钛矿太阳电池的最高实验室光电转换效率已经达到 29%1，但其稳定性仍有不足，遇水或高温易分解，而且其光电转换效率还有进一步提升的空间，所以研制具有更高稳定性、更高光电转换效率的钙钛矿太阳电池是发展趋势。此外，钙钛矿太阳电池采用的钙钛矿材料大多含有 Pb 元素，会对环境有潜在影响，因此，无铅化、低毒性材料研发也是研究时的关注方向。3.1 提高光电转换效率光电转换效率是评价钙钛矿太阳电池性能的关键性指标。研究人员主要通过降低界面缺陷、调控晶体生长、调节带隙宽度，以及提高薄膜结晶度等路径来提高钙钛矿太阳电池的光电转换效率。3.1.1 降低界面缺陷钙钛矿太阳电池中，钙钛矿和电荷传输层之间的界面包含高浓度的缺陷，特别是深能级缺陷，这大幅降低了太阳电池的光电转换效率。界面工程提供了一种能获得高结晶度、低缺陷钙钛矿薄膜，同时可改变能级匹配，增强钙钛矿层自身电荷和空穴传输能力，从而制备高效钙钛矿太阳电池的关键策略8。Min 等9报道了通过将 Cl 键合的 SnO2(为Cl-bSO)与含 Cl 的钙钛矿前驱体(为 Cl-cPP)耦合，实现 FAPbI3与 SnO2之间的界面层形成具有电子传输层和卤化物钙钛矿光吸收层 FASnClx，如图 39所示。这个界面层有原子相干特征，可PbICNHSnOClFAPbI3FASnClxSnO2图 3 Cl-bSO 和 Cl-cPP 形成夹层9Fig.3 Interlayer formation from Cl-bSO and Cl-cPP9表 2 不同的钙钛矿薄膜制备方法及其优、缺点7Table 2 Different preparation methods of perovskite thin films and their advantages and disadvantages 7名称制备方法优势缺点一步溶液沉积法首先将卤化物与金属卤化物或氯化铅(PbCl2)混合，将混合后的溶液溶解在有机溶剂中，通过加热搅拌加速溶液溶解，形成前驱体；然后将前驱体滴在准备好的衬底上，使用匀胶机提高衬底的旋涂速度至某一定值，维持一定的时间进行溶剂蒸发，并通过退火工艺除去剩余的有机溶剂，达到钙钛矿结晶的目的操作简单、成本低廉钙钛矿薄膜的结晶度较难控制，且难以大规模生产两步溶液沉积法按照一定的转速将溶有卤化铅的有机溶液旋涂在带有电子传输层的导电玻璃基底上；为进一步促进卤化铅薄膜结晶，对旋涂完毕的卤化铅薄膜进行加热处理，然后将溶解有有机铵卤化物的溶液旋涂在卤化铅薄膜上溶液不易偏析，成膜质量提高转化过程属于不同材料之间的异相反应，容易造成转化时间过长、薄膜内部卤化铅无法完全转化等问题气相沉积法将有机胺卤化物及卤化铅分别放在坩埚中，带有电子传输层的导电玻璃基底放在压强低于 10-4 Pa 的蒸发室内，通过调控沉积时间、电流等工艺参数来控制薄膜的形貌及成分均匀性薄膜的形貌和成分均匀需要高真空环境，设备成本高，工艺较复杂喷墨打印法通过计算机程序控制来获得所需的图案，与导电玻璃基底无直接接触适合大规模产业化生产工艺复杂，对设备要求较高行 业 观 察2023-09杂志.indd 82023-09杂志.indd 82023/9/26 10:13:002023/9/26 10:13:00第 09 期9增强钙钛矿层的电荷提取和传输，并减少界面缺陷，所制备的钙钛矿太阳电池在标准测试条件(STC)下的实验室光电转换效率为 25.8%(认证光电转换效率为 25.5%)。Yang 等10采用苯乙基碘化铵(PEAI)后处理混合钙钛矿 FA1xMAxPbI3的方法钝化钙钛矿材料的界面缺陷，可以抑制非辐射载流子复合，用此方法所制备的钙钛矿太阳电池的实验室光电转换效率达 23.6%。3.1.2 调控晶体生长通过具有特殊功能的添加剂来调控钙钛矿晶体的生长，通过钝化界面缺陷和控制结晶度来改善钙钛矿薄膜的质量8。Min等11通过掺杂二氯化亚甲基二铵(MDACl2)稳定了-FAPbI3相，此方法制备的钙钛矿太阳电池获得了26.126.7 mA/cm2的短路电流密度，经过认证的光电转换效率为 23.7%。Kim等12将甲基氯化铵(MACl)添加至FAPbI3钙钛矿中，加入的 MACl 在未经退火工艺的条件下通过阳离子位点诱导合成了超纯 FAPbI3钙钛矿的立方相。该方法显著改善了钙钛矿薄膜的颗粒尺寸和晶体质量，制备的钙钛矿太阳电池的实验室光电转换效率达 24.02%。Sahli 等13通过在钙钛矿材料上添加 1 层经过特殊处理的 SnO2导电层，为太阳电池中的载流子提供了一条改进的路径，将钙钛矿太阳电池的实验室光电转换效率提高到了 25.2%。3.1.3 调节带隙宽度为了提高太阳电池的光电转换效率，研究人员也对调节带隙宽度这一方式进行了探索研究，尤其是针对钙钛矿基叠层太阳电池8。Lin等14通过钝化窄带隙钙钛矿晶粒界面缺陷来提升钙钛矿薄膜的载流子扩散长度，如图414所示，并制备出具有较厚钙钛矿光吸收层和更高短路电流密度的全钙钛矿叠层太阳电池，其在稳态输出功率下的实验室光电转换效率高达 26.4%。图中：V 代表空位缺陷；I 代表填隙原子；为势能差；max为势能差的最大值。PEAPACF3-PA16540HHHHHHNNNNNHHH+max=154.93max=155.91max=161.55/(kcal/mol)FFFHHHHHHHHHHHHHHHHHCCCCCCCCCCCCCCCCCCHHHHHHHHHHFFC CNFCa.3 种钝化剂(PEA、PA 和 CF3-PA)的分子结构CF3-PAVMAVSnISnVFAVPbIPb b.钝化剂阳离子与钙钛矿材料相互作用的示意图图 4 钝化剂与窄带隙钙钛矿晶粒表面的相互作用14Fig.4 Interaction between passivating agents and surface of narrow bandgap perovskite grains14Al-Ashouri 等1通过带宽为 1.68 eV 的钙钛矿材料及自组装的甲基取代咔唑单分子层的空穴选择性接触，抑制非辐射载流子的复合，所制备的钙钛矿/硅叠层太阳电池的实验室光电转换效率高达 29.1%。3.1.4 提高薄膜结晶度高质量的钙钛矿薄膜是获得高效钙钛矿太阳电池的关键。溶液加工制备工艺具有成本低廉，易获得致密均匀、高结晶度的钙钛矿薄膜等优点，被广泛应用于钙钛矿太阳电池的研究中。在钙钛矿前驱体溶解过程中，溶剂具有溶解溶质的作用，同时还参与钙钛矿的整个结晶过程8,15。Wu 等16结合溶液加工制备工艺的特点，张敏等：钙钛矿光伏技术的研究进展与产业化趋势行 业 观 察2023-09杂志.indd 92023-09杂志.indd 92023/9/26 10:13:012023/9/26 10:13:012023 年太阳能10在钙钛矿前驱体溶液中加入常温下为固体的羟基乙酸(GA)来调节钙钛矿薄膜的结晶度。与PbI2DMSO 的配位能力相比，经高温(100150)升华后，GA 和 Pb2+之间形成更强的配位作用，制备得到的钙钛矿太阳电池的实验室光电转换效率最终达到 21.32%。钙钛矿太阳电池的 I-V特性，以及基于第一性原理计算的 PbI2DMSO、PbI2TGA-1、PbI2GA-1 的分子结构优化如图 516所示。图中：“Control”代表采用常规钙钛矿前驱体溶液；“w TGA”代表采用含有 TGA 的钙钛矿前驱体溶液；“w GA”代表采用含有GA 的钙钛矿前驱体溶液；“Fitting line”代表拟合线；VTFL为陷阱填充极限的起始电压。10-110-210-310-410-510-6I/AControlw TGAw GAFitting lineV/VVTFL=0.42 VVTFL=0.71 VVTFL=0.19 V0.010.101.00a.钙钛矿太阳电池的 I-V 特性1.801.801.811.502.471.241.322.861.401.501.311.242.492.862.932.941.532.452.872.92PbI2DMSOPbI2TGA-1PbI2GA-1CHPbIOSb.基于第一性原理计算的 PbI2DMSO、PbI2TGA-1、PbI2GA-1 的 分子结构优化图 5 钙钛矿太阳电池的 I-V 特性，以及基于第一性原理计算的PbI2DMSO、PbI2TGA-1、PbI2GA-1的分子结构优化16Fig.5 I-V characteristics of perovskite solar cells and optimized molecular structures based on DFT calculations for PbI2DMSO，PbI2TGA-1，and PbI2GA-116Zhou 等17提出了溶剂萃取理念，首先在导电玻璃基底上涂覆钙钛矿前驱体溶液，在室温条件下，将涂覆后的导电玻璃基底立即浸入另一种溶剂中，进而实现高效提取前驱体溶液并诱导快速结晶，这种方法非常适用于制备大面积钙钛矿薄膜。3.2 提升稳定性钙钛矿材料常使用在潮湿、高温、光照、紫外线等因素的环境下，在此类环境中，材料稳定性较差，容易发生分解，导致材料内部结构发生变化，最终使钙钛矿太阳电池的光电转换效率不断下降8。因此，如何提高钙钛矿太阳电池的稳定性是业界研究主要关注的问题之一。以常见的钙钛矿材料 CH3NH3PbI3(MAPbI3)为例，其稳定性取决于晶体内各原子及原子基团之间的相关作用力，离子晶体 MAPbI3在高温、潮湿及光照下易发生分解，进而导致钙钛矿材料的晶体结构发生变化。MAPbI3在光和氧气作用下降解，氧化过程中产生的水与内部 MAPbI3水合，导致钙钛矿材料降解，如图 618所示。图中：hv 为光子能量。目前研究人员为提高钙钛矿太阳电池的稳定性，主要有两种思路8：一种思路是提高钙钛矿材料的本征稳定性；另一种思路是通过寻找合适的传输层材料或封装材料防止钙钛矿太阳电池与外部环境直接接触。O2MAI-terminatedPbI2-terminatedhvO2-e-e-O2-a.O2获得光电子变为 O2-O2H2OPbOPb(OH)2O2-b.O2-与 MAPbI3反应生成 PbO 和 H2O行 业 观 察2023-09杂志.indd 102023-09杂志.indd 102023/9/26 10:13:022023/9/26 10:13:02第 09 期11O2H2OPbOPb(OH)2e-c.生成的 H2O 诱导内部 MAPbI3发生水合破坏图 6 MAPbI3表面光和氧诱导的分解过程示意图18Fig.6 Schematic diagram of decomposition process induced by light and oxygen of MAPbI3 surface18Wang 等19将 Eu3+/Eu2+的氧化还原离子对引入钙钛矿光吸收层中，引入的离子对不仅起到消除 Pb0和 I0缺陷的作用，同时在钙钛矿太阳电池使用寿命期内可以循环发挥作用，显著提升了钙钛矿太阳电池的稳定性。基于不同金属离子对掺入的钙钛矿太阳电池光电转换效率的变化如图 719所示。图中：“Ref”为原始参考值。该方式制备得到的钙钛矿太阳电池的最高实验室光电转换效率达到 21.52%，同时无明显的迟滞现象；在太阳连续光照或 85 加热 1000 h 实验后，该太阳电池的光电转换效率仍可分别保持原始值的 91%和 89%20。金属离子对光电转换效率/%22201816141210Eu3+RefY3+Fe3+图 7 基于不同金属离子对掺入的钙钛矿太阳电池 光电转换效率的变化19Fig.7 Changes in photoelectric coversion efficiency of perovskite solar cells doped with different metal ion pairs19Wei 等21利用聚合物辅助成膜，有效提高了无机钙钛矿CsPbI2Br薄膜的均匀性和稳定性，制备的钙钛矿太阳电池在大气环境下进行 4 个月的老化测试后，光电转换效率仍可保持初始光电转换效率的 90%。Hwang 等22利用聚四氟乙烯疏水材料覆盖在钙钛矿材料表面，制备得到的钙钛矿太阳电池表现出良好的抗水性。Ma 等23在钙钛矿薄膜表面涂覆了 1 层亲水材料，通过亲水材料与钙钛矿薄膜表面零价铅和碘缺陷的结合，降低了钙钛矿晶粒的界面缺陷，抑制了碘离子的迁移，从而提高了钙钛矿太阳电池的光电转换效率；同时，亲水层将水截留在上表面，从而保护了下面的钙钛矿层，提高了钙钛矿材料的稳定性。3.3 开发无铅化材料钙钛矿太阳电池所使用的钙钛矿材料大都含Pb，而由于 Pb 元素的毒性存在于太阳电池的全生命周期内，尤其是太阳电池退役后还会对环境有潜在的影响，因此，如何防止钙钛矿材料中的Pb 元素影响环境，尤其是开发不含 Pb 的钙钛矿材料是未来的研究方向之一。Li 等24利用绿色机械化学合成法制备了铜基钙钛矿材料的粉末，并借助热旋涂的工艺制备出均匀致密的钙钛矿薄膜，成功在大面积(20 cm2)的导电玻璃和柔性基底上制备了高品质的钙钛矿薄膜。Yin等25设计并制备了一系列基于不同铟离子(In3+)掺杂的全新无铅钙钛矿单晶材料Cs2AgFeCl6，随着In3+离子含量增加，晶体的缺陷态密度降低，且迁移率和发光效率提高。目前已有 Sn、Sb、Bi、Cu、Ge、In 和 Ag 等元素被用于无铅钙钛矿材料的研究中26。4 钙钛矿太阳电池的产业化趋势与面临的挑战钙钛矿太阳电池因成本低、柔性好及光电转换效率提升潜力大等优点，成为目前光伏发电领域中张敏等：钙钛矿光伏技术的研究进展与产业化趋势行 业 观 察2023-09杂志.indd 112023-09杂志.indd 112023/9/26 10:13:022023/9/26 10:13:022023 年太阳能12最受关注的新兴技术之一。国内外高校、科研院所及创新企业已经开始进行钙钛矿太阳电池的产业化探索，主要集中在解决大面积制备、实现产业化生产等问题。下文从高校成果转化研究、企业的产业化探索、产业化面临的挑战3个方面分别进行阐述。4.1 高校成果转化研究近年来，越来越多的高校、科研院所对钙钛矿太阳电池进行成果转化研究，主要集中在提高光电转换效率及改进制备方法等方面，目的是为后续的产业化生产进行工艺探索及理论指导。Hu 等27利用水平气刀方法实现了高质量钙钛矿薄膜的制备，通过干燥速率调控钙钛矿晶体的成核与生长，在常温下印刷制备出了高质量钙钛矿薄膜，光电转换效率达 20.26%。深圳大学万学娟团队联合香港理工大学李刚团队，通过控制长链离子包覆过程中的二次离子反应，使用氟化聚三芳胺作为空穴传输层，制备出了实验室光电转换效率高于 22%的钙钛矿太阳电池，同时钙钛矿太阳电池的稳定性也得到了改善28。Lin等14研制的全钙钛矿叠层太阳电池的光电转换效率不断取得突破。2022 年，该研究团队在大面积全钙钛矿叠层太阳电池方面取得重要进展，通过采用类产业化的制备技术，研制出认证光电转换效率达到21.7%的大面积全钙钛矿叠层太阳电池。Wang 等29在大面积有机/无机杂化钙钛矿太阳电池的研究上取得突破，经过国家光伏产业计量测试中心的测试认证，其制备的钙钛矿太阳电池的实验室光电转换效率达到 21.37%，孔径面积达到 12.84 cm2，稳态输出功率下的光电转换效率达到 20.56%。Kim 等30选择环保型抗溶剂叔丁醇和乙酸乙酯，制得了具有宽加工窗口的高度结晶且均匀的钙钛矿薄膜，通过凹版印刷、抗溶剂浴和随后的退火工艺，在中试规模上实现了卷对卷(R2R)制备柔性钙钛矿太阳电池。4.2 企业的产业化探索随着钙钛矿太阳电池技术的不断迭代，钙钛矿太阳电池的光电转换效率和稳定性在持续提升和优化，其也日益成为产业界的关注热点。新能源产业企业、创新科技企业、资本等纷纷入局钙钛矿太阳电池领域，进行产业化的探索，多元主体的参与大幅加速了钙钛矿太阳电池的产业化进展，目前已有钙钛矿太阳电池中试线和 100 MW级的生产线投产运行。自 2013 年以来，国内关于钙钛矿太阳电池的专利申请数量出现明显增长，且保持着较高的年均增量，截至 2021 年底，相关专利数量已累计超过 4000 件31。对几个主要企业在钙钛矿太阳电池产业化方面的进展进行介绍。1)苏州协鑫纳米科技有限公司32(下文简称为“协鑫纳米”)：协鑫纳米成立于 2016 年，已布局的专利涉及钙钛矿薄膜制备、工艺设计等；其基于 10 MW 中试线所制备的钙钛矿太阳电池的量产光电转换效率达到 15.3%，尺寸可达 45 cm65 cm，如图 8 所示。协鑫纳米在 2020 年已完成 100 MW 钙钛矿太阳电池量产生产线的建设，制备的钙钛矿太阳电池尺寸扩大至 1 m2 m，光电转换效率提高至 18%以上。在已有工艺条件下，100 MW 量产生产线的钙钛矿太阳电池的成本预计将低于 1 元/W，量产钙钛矿太阳电池的工作寿命可达到 25 年以上。图 8 尺寸为 45 cm65 cm 的钙钛矿太阳电池Fig.8 Perovskite solar cell with size is 45 cm65 cm 2)杭州纤纳光电科技有限公司33(下文简称为“纤纳光电”)：纤纳光电成立于 2015 年，在光伏发电领域已申请专利超过100件，主要涉及钙钛矿太阳电池制备掺杂工艺、生产监控、封装工艺、叠层设计及工艺、应用实例等领域。纤纳光电在大行 业 观 察2023-09杂志.indd 122023-09杂志.indd 122023/9/26 10:13:022023/9/26 10:13:02第 09 期13面积钙钛矿太阳电池制备领域取得一定进展，已制备出面积为 19.32 cm2的钙钛矿太阳电池，稳态输出功率下的实验室光电转换效率达 21.4%。在叠层太阳电池领域，该公司已制备出面积为 20 cm2、实验室光电转换效率达 26.63%的钙钛矿-晶硅四端子叠层太阳电池。纤纳光电规划的 100 MW 钙钛矿太阳电池量产生产线也即将建成。3)极电光能有限公司34(下文简称为“极电光能”)：极电光能成立于 2020 年，在专利布局方面主要涉及钙钛矿太阳电池大面积、大规模生产技术点，电子传输层、钙钛矿光吸收层开发等；其自主研发的大面积(64.8 cm2)钙钛矿太阳电池实现了 20.01%的实验室光电转换效率。2021 年第 3 季度，极电光能开始建设 150 MW 钙钛矿太阳电池量产生产线，同时计划在 2023 年启动 6 GW 钙钛矿太阳电池量产生产线的建设。表 3 从生产线规划、专利布局、产品尺寸/面积、产品的光电转换效率等方面对国内外相关表 3 国内外相关企业在钙钛矿太阳电池产业化方面的典型实践情况Table 3 Typical practice of domestic and foreign related enterprises in the industrialization of perovskite solar cells企业名称企业所在地成立年份尺寸/面积光电转换效率/%专利布局已建/计划建设产能主要投资人协鑫纳米昆山市201645 cm65 cm(钙钛矿 太阳电池)15.30(钙钛矿太阳电池，量产)专利涉及钙钛矿 薄 膜 制 备、工艺设计等2020 年完成全球 第 1 条 100 MW 钙钛矿太阳电池量产生产线的建设协鑫资本管理有限公司、湖北凯辉智慧新能源基金合伙企业等纤纳光电杭州市201520.00 cm2(钙钛矿-晶硅四端子叠层太阳电池)26.63(钙 钛 矿-晶硅四端子叠层太阳电池，实验室)已申请专利超过100 件，涉及钙钛矿太阳电池制备掺杂工艺、生产监控、封装工艺、叠层设计及工 艺、应 用 实例等100 MW 钙钛矿太阳电池量产生产线即将建成三峡资本控股有限责任公司19.32 cm2(钙钛矿太阳电池)21.40(钙钛矿太阳电池，实验室)湖北万度光能有限责任公司武汉市201660 cm60 cm专利涉及钙钛矿太阳电池制备、封装工艺、电子传输层设计等2021 年 报 道拟建设 10 GW生产线产能鄂州、宜昌等政府资金英 国 牛 津 光伏(Oxford PV)公司英国20101.12 cm229.52(钙钛矿-硅叠层太阳电池，实验室)2021 年已完成100 MW 生产线产能安装杭州众能光电科技有限公司杭州市201564.00 cm220.00(实验室)专利涉及大面积钙钛矿制备、连接型钙钛矿、叠层钙钛矿2021 年钙钛矿太阳电池生产线产能已达到200 MW/年杭州锅炉集团股份有限公司极电光能无锡市202064.80 cm220.01(实验室)专利涉及太阳电池大面积、大规模生产技术点、电子传输层、钙钛矿光吸收层开发2021 年第 3 季度开始建设150 MW 产能，计划 2023 年 启动 6 GW 量产生产线的建设长城汽车股份有限公司、深圳市碧桂园创新投资有限公司等张敏等：钙钛矿光伏技术的研究进展与产业化趋势行 业 观 察2023-09杂志.indd 132023-09杂志.indd 132023/9/26 10:13:022023/9/26 10:13:022023 年太阳能14企业在钙钛矿太阳电池产业化方面的典型实践情况进行了梳理及总结。4.3 产业化面临的挑战钙钛矿太阳电池要真正进入产业化应用，还需要解决以下几个问题：1)实现更大面积的钙钛矿薄膜的制备。目前所开发的钙钛矿太阳电池面积仍较小，而产业化应用需要大幅宽、连续长度的钙钛矿薄膜，工艺放大的过程中，如何在产业化条件下，稳定、批量的获得大面积、高质量的钙钛矿薄膜，仍有工艺及技术难题需要突破。2)钙钛矿太阳电池的稳定性还需要进一步提升。太阳电池常使用在潮湿、高温、光照、紫外线等工况下，在此类环境中，钙钛矿材料的稳定性较差，容易发生分解，导致材料内部结构发生变化，使制备的钙钛矿太阳电池光电转换效率下降，因此，如何提高实际工况下钙钛矿太阳电池的稳定性需要进一步研究和攻关。3)钙钛矿太阳电池成本还需进一步降低，尤其是材料成本。钙钛矿太阳电池中空穴传输层通常是小分子有机材料(比如Spiro-OMeTAD等)，这类材料价格昂贵，合成工艺复杂，对环境湿度等的要求严格。研发载流子迁移率高且制备工艺相对简单、成本较低的无机空穴传输层是重要研究方向之一。4)无铅化、低毒性的钙钛矿材料的开发还待突破。目前钙钛矿太阳电池所使用的钙钛矿材料大多含 Pb，在太阳电池全生命周期内对环境有潜在的影响，因此，研发不含 Pb、低毒性、环境友好，又兼具较高的光电转换效率和稳定性的钙钛矿材料，是后续研究面临的重要挑战。5 结论与展望本文围绕在光伏技术中极有潜力的新型钙钛矿光伏技术，综合阐述了钙钛矿材料在光伏发电领域的应用，梳理了国内外钙钛矿光伏技术的最新研究进展，结合企业在钙钛矿太阳电池产业化方面的典型实践情况分析了钙钛矿光伏技术的研究进展及未来发展趋势，并归纳了钙钛矿太阳电池的产业化进展和面临的挑战。在国家“双碳”战略下，中国进入能源结构转型的战略推进期，光伏技术的应用对于中国构建以新能源为主体能源的新型电力系统，顺利实现“双碳”战略目标具有重要意义。希望本文可以作为参考和借鉴，对中国学术界和产业界的钙钛矿太阳电池的研究和产业化有所裨益，期待钙钛矿光伏技术在中国能源体系转型的进程中发挥更大的价值。参考文献 1 AL-ASHOURI A，KHNEN E，LI B，et al.Monolithic perovskite/silicon tandem solar cell with 29%efficiency by enhanced hole extractionJ.Science，2020，370(6522)：1300-1309.2 金艳梅，江华，强彦政，等.中国光伏产业 2020 年回顾与 2021 年展望 J.太阳能，2021(4)：42-50.3 KOJIMA A，TESHIMA K，SHIRAI Y，et al.Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cellsJ.Journal of the american chemical society，2009，131(17)：6050-6051.4 苏检德，刘林生，黄一平.钙钛矿光电材料的特点及最新研究进展 J.广西物理，2019，40(Z1)：22-24.5 KIM H S，LEE C R，IM J H，et al.Lead iodide perovskite sensitized all-solid-state submicron thin film mesoscopic solar cell with efficiency exceeding 9%J.Scientific reports，2012，2：591-598.6 CHEN Y，YANG Z，WANG S，et al.Design of an inorganic mesoporous hole-transporting layer for highly efficient and stable inverted perovskite solar cellsJ.Advanced materials，2018，30(52)：1805660-1805669.7 郜艳波.钙钛矿太阳能电池性能及稳定性提升的研究D.长春：吉林大学，2021.8 王爱丽，汪舒蓉，林红，等.钙钛矿太阳电池的研究进展与关键挑战 J.硅酸盐学报，2021，49(7)：1306-1322.9 MIN H，LEE D Y，KIM J，et al.Perovskite solar cells with atomically coherent interlayers on SnO2 electrodesJ.Nature，2021，