硅/钙钛矿太阳能电池转换效率创造新世界纪录，OxfordPV公司开箱即用

2020年12月，硅/钙钛矿太阳能电池创造了新的转换效率世界纪录，让太阳能的未来更加光明。该电池由一层硅和一层合成钙钛矿薄膜串联组成，面积为1.12 cm2，并通过了位于美国科罗拉多州戈尔登市的国家可再生能源实验室（NREL）独立测试认证，转换效率29.52%。简而言之，串联电池将近 30% 的模拟阳光照射到它们身上转化为电能。

电池和钙钛矿技术由位于英国牛津的 Oxford PV 开发。目前，该公司正在其位于德国哈维尔河畔勃兰登堡的工厂投产一条生产线，生产世界上第一块边长为156毫米、转换效率约为26%的商用钙钛矿/硅电池（图1）. 预计2022年初该电池将量产，届时将成为世界上转换效率最高的商用太阳能电池，而目前工业化生产的硅太阳能转换效率模块一般为20%~22%。

Oxford PV 联合创始人兼首席科学官、牛津大学物理学教授 Henry Snaith 表示：

“十年前，我们开始研究钙钛矿，试图找到一种比用硅加工电池更便宜的材料。这大致包括基于溶液或升华方法制造钙钛矿电池的过程。我们要找的材料应该是可以在2000℃以下结晶的。

我们有一个长远的目标，相信有一天我们电池的转换效率会达到10%，而且，毫不夸张地说，我们用钙钛矿制成的第一个电池的转换效率是6.1 % ，打破了我们之前所有的实验室记录。

这在今天可能看起来微不足道，但在当时，它给出的第一反应是：哇！这件事实际上是开箱即用的。"

图 1 Oxford PV 位于德国哈维尔河畔勃兰登堡的工厂制造的串联硅/钙钛矿太阳能电池阵列。该公司的首批商用电池将于 2022 年推出，其转换效率可达到 26% 左右。资料来源：牛津光伏，经许可

钙钛矿在太阳能光伏（PV）中的应用恰逢其时，因为经过数十年的改进，在继续提高硅电池的转换效率方面出现了重大瓶颈；光伏材料在将太阳能转化为电能方面存在限制。这个限制有多高或多低取决于它们的“带隙”，即从作为电荷载流子的材料中释放电子以流过电路所需的能量。晶体硅的禁带宽度为1.1 eV，这意味着来自太阳的能量小于1.1 eV的光子不能释放电子，而高于1.1 eV的光子仍然可以发电。载流子，但超过 1.1 eV 的部分光子能量将作为热能浪费掉。

如果考虑太阳光谱，理想硅的理论转换效率极限约为32%。但自从1954年美国贝尔实验室研制出第一块实用的硅太阳能电池以来，实验室所能达到的最高转换效率约为27%。

合成钙钛矿与天然矿物钙钛矿和钙钛矿氧化物具有相同的晶体结构。2012年，太阳能光伏研究领域正式开始使用合成钙钛矿，其在太阳能电池中的潜在应用受到广泛关注。我们今天使用的合成钙钛矿通常是有机-无机金属卤化物钙钛矿，其中金属是铅或锡。

美国国家可再生能源实验室（NREL）首席科学家、钙钛矿和混合太阳能电池团队负责人乔·贝瑞（Joe Berry）表示：“金属卤化物家族在处理光伏任务方面非常聪明，这使得它非常引人注目。”

覆盖在硅电池上的钙钛矿薄膜的带隙可以达到 1.7 eV，以补充硅的较低带隙。这从更多的阳光光谱中捕获更多的光子，释放更多的电子并产生更多的能量。两种材料组合使用的理论转化效率为43%。

Oxford PV 的 CTO Chris Case 表示：“实际转换效率总是无法接近理论转换效率。目前，实际转换效率即将达到 30%，但我们相信仅凭现有的知识集，我们可以转换商用电池的转换效率提高到 33%。”

虽然光伏效率已大幅提高，但从财务和生态角度来看，太阳能已成为能源公司的一个有吸引力的主张。目前，在全球许多国家，公用事业规模的太阳能光伏装置通常比新建的燃煤或燃气发电厂更便宜。

2018 年，政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 警告说，要将全球变暖限制在 1.5°C，必须在能源生产等方面进行“快速而深远”的努力。变化，因为人为造成的二氧化碳排放量需要在 2050 年左右达到“净零”。

国际可再生​​能源机构 (IRENA) 是一个支持各国追求可持续能源发展的政府间组织，总部位于阿拉伯联合酋长国阿布扎比。IRENA 根据政府间气候变化专门委员会编制的全球可再生能源路线图 (REmapCase) 预测了具有气候适应力的能源转型路径。按照这条路径，到2050年，太阳能光伏发电将成为第一大电力来源，全球装机容量8.5 TW，风电成为第二大电力来源（图2）)。

图 2 对向更清洁、可再生能源过渡的预测要求减排速度足够快，以实现 IPCC 的气候变化目标，并在 2050 年前使地球实现“净零”二氧化碳排放。CSP：集中太阳能。资料来源：©IRENA，经许可

太阳能光伏发电一直在加速。例如，2020年太阳能光伏发电将占美国新增发电量的43%，连续两年居发电技术第一。预计美国太阳能行业将在未来 10 年内将现有产能翻两番。

这种快速增长的部分原因是过去十年太阳能光伏技术成本的急剧下降。根据 NREL 的数据，由于目前可用太阳能电池的转换效率已升至 20% 左右，并且相关的硬件成本正在下降，因此在 2010 年至 2020 年期间，在美国安装公用事业规模的光伏系统的成本下降了 82%。全球太阳能光伏发展趋势相似（图3）.

图 3 过去 10 年，各国新投产的公用事业规模太阳能光伏项目的平准化能源成本 (LCOE) 急剧下降。LCOE 是在给定太阳能项目的整个生命周期内为实现财务收支平衡而出售电力的最低平均价格。资料来源：©IRENA，经许可

到2020年底，全球太阳能光伏发电量已从2019年的581吉瓦增加到约710吉瓦（图4）。要将这一发电规模进一步扩大到太瓦级，需要太阳能光伏发电量加速，并且需要所需的材料。必须足够。这是钙钛矿的另一个优点，因为生产太阳能电池所需的钙钛矿薄膜通常只有0.5μm厚，并且所需的材料很容易获得。牛津光伏注意到 35 公斤的钙钛矿产生的电量与 7 吨的硅（通常用于 160 微米厚的晶片）产生的电量相同，并表明有朝一日钙钛矿可以完全取代硅。

扩展其他成熟薄膜太阳能技术的主要困难在于它们基于碲化镉或硒化铜铟镓。鉴于镉的毒性，对于这些技术，镉、碲和铟是稀有金属，可以有效地将太阳能光伏发电规模扩大到太瓦级。

图 4 过去 10 年，全球太阳能光伏总装机容量急剧增长，并呈现出指数级增长的迹象。资料来源：©IRENA，经许可

相比之下，制造金属卤化物钙钛矿所需的材料丰富且便宜。“它们非常适合一些高通量、低成本的加工路线，”Berry 说。“虽然有很多方法可以降低生产成本，但产品的质量会降低，而且钙钛矿的加工方式不会影响基础材料。钙钛矿的性能会产生影响。钙钛矿也有一些非常独特的优势，并且研究证实它们的回收效率非常高。”

然而，钙钛矿并非没有缺点。尽管目前有薄膜技术，但最有效的钙钛矿仍然含有铅。硅/钙钛矿串联太阳能电池广泛应用的一个更紧迫的挑战是它们的长期稳定性。公用事业规模的光伏电池板需要有大约 25 年的使用寿命。虽然钙钛矿技术自首次应用于光伏电池以来发展迅速，但其长期稳定性并未得到认可。

与硅不同，钙钛矿是更容易降解的离子材料（尤其是当它们变湿时）。因此光伏电池模拟器，钙钛矿薄膜的有效封装至关重要。Oxford PV 拥有的钙钛矿太阳能光伏相关专利比任何其他组织都多，他们对自己的设计流程和钙钛矿封装方法充满信心。Snaith 说：“在过去的 10 年里，我们在改变钙钛矿的成分、材料、器件的结构方面花费了很多精力，以提高其稳定性。在提高其转换效率方面，我们并没有花费“费了很大的力气；虽然它花了最大的力气来实现它的稳定性。但现在，我们对技术的效率和稳定性非常有信心。”

许多工业界和科学界人士也开始研究和解决钙钛矿的稳定性问题。2020 年，包括 Berry 和 Snaith 在内的研究人员在内的一项国际合作发表了关于钙钛矿光伏稳定性评估和报告的共识声明。“在过去的 10 年里，我们一直在更多地了解这些钙钛矿材料，以便对未来 30 年做出预测，”Berry 说。“这个预测的科学性在技术上要求很高，但到目前为止，我们一直处于基础物质层面。研究没有产生显着的结果。所以问题变成了，'你有什么技术解决方案？' 或“你能降低多少成本？”

增加钙钛矿在太阳能光伏生产中的应用成本尚不确定这将如何影响市场。Oxford PV 尚未披露其商用电池的大致价格。在大规模发电中，LCOE是一个关键因素。这项新技术的初始价格的任何潜在上涨将取决于由于提高转换效率而导致的 LCOE 的下降。

Oxford PV 的制造工厂目前每年投产 100 兆瓦，目标是到 2030 年将制造工厂规模扩大到每年 10 吉瓦，而太阳能行业每年增加约 120 吉瓦。这个目标对于太阳能产业来说并不难实现。其他开发钙钛矿光伏技术的商业组织包括日本大型公司松下和积水化学公司、中国公司 Microquanta Semiconductor 和 Wonder Solar、韩国 Frontier Energy Solution 和波兰的 Saule Technologies。

近10年来，钙钛矿技术发展迅速。目前尚不确定钙钛矿技术商业化需要多长时间，但Snaith表示，硅钙钛矿太阳能电池在全球范围内普及和广泛使用至少需要10年的时间。此外，他指出使用钙钛矿还有其他诱人的可能性。“钙钛矿可以在非常轻的基材上制成非常薄的薄膜，因此它们具有良好的弯曲性或柔韧性。未来光伏电池模拟器，当太阳能光伏效率达到40%时，电动汽车的太阳能包层将非常容易。可能（因为它会显着提高电动汽车的充电效率）。同样，如果我们能够开发出超薄太阳能电池，我们可以考虑将这种覆层用于商业建筑。”

2020年，美国先进钙钛矿制造联盟（US Manufacturing of Advanced Perovskites Consortium）成立，目标是“重新夺回美国在光电和光子制造领域的主导地位”。该组织由 NREL、西雅图华盛顿大学的华盛顿清洁能源试验台、北卡罗来纳大学教堂山分校和俄亥俄州托莱多大学（俄亥俄州托莱多大学）组成。该财团包括六家国内商业行业合作伙伴，其中之一是总部位于亚利桑那州坦佩的 First Solar，这是一家基于碲化镉技术组件制造商的公用事业规模薄膜太阳能光伏。

来源：《工程》，中国工程院学报