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鈣钛礦有轉換效率高、材料供應充足、價格低廉、回收效率高等優勢，但也有含鉛、長期穩定性不足等缺點。
本文選自中國工程院院刊《Engineering》2021年第8期
作者：Sean O'Neill
來源：Perovskite Pushes Solar Cells to Record Efficiency[J].Engineering,2021,7(8):1037-1040.
編者按
目前，太陽能光伏研究領域正逐漸開始使用合成鈣钛礦，其在太陽能電池中的潛在應用受到廣泛關注。矽/鈣钛礦太陽能電池是由一層矽和一層合成鈣钛礦薄膜層串聯而成的，電池轉換效率近30%，遠超目前工業生産的矽太陽能子產品的轉換效率（20%~22%）。另外，鈣钛礦可以在非常輕的基材上被制成非常薄的薄膜，彎曲度或柔韌性很好，在電動汽車、商業建築等領域有着廣闊的發展前景。
中國工程院院刊《Engineering》2021年第8期刊發《鈣钛礦太陽能電池效率重新整理世界紀錄》，報道了鈣钛礦太陽能電池的發展研究現狀，介紹了其在電池轉換效率方面取得的突破以及今後的應用前景和方向。文章指出，鈣钛礦在太陽能光伏中的應用正合時宜，具有轉換效率高、材料供應充足、價格低廉、回收效率高等優勢，但也存在不可回避的缺點，如轉換效率最高的鈣钛礦中仍含有鉛、長期穩定性不足等，為此，還需要進一步開展相關研究，促進矽鈣钛礦太陽能電池的全球普及和廣泛使用。
2020 年12 月，矽/鈣钛礦太陽能電池轉換效率創造了新的世界紀錄，這讓太陽能的發展前景更加光明。該電池由一層矽和一層合成鈣钛礦薄膜層串聯而成，面積為1.12 cm2，并通過了位于美國科羅拉多州戈爾登市的國家可再生能源實驗室（NREL）的獨立測試認證，轉換效率為29.52%。簡而言之，串聯電池能将照射在其上的近30%的模拟陽光轉化為電能。
該電池和鈣钛礦技術由位于英國牛津的Oxford PV公司開發。目前，該公司正在德國哈維爾河畔勃蘭登堡的工廠對一條生産線進行調試，以生産世界上首批商用鈣钛礦/矽電池，該電池邊長為156 mm，轉換效率約為26%（圖1）。預計該電池将于2022年年初投入量産，屆時，其将成為世界上轉換效率最高的商用太陽能電池，而目前工業生産的矽太陽能子產品的轉換效率一般為20%~22%。
Oxford PV公司的聯合創始人兼首席科學官、牛津大學實體學教授Henry Snaith 稱：“十年前我們就開始研究鈣钛礦，試圖找到一種比用矽加工電池的成本更低的材料。這大緻包括基于溶液法或升華法制備鈣钛礦電池的過程。我們尋找的材料應在2000 ℃ 以下就可以結晶。我們有一個長期目标，相信有一天我們研發的電池轉換效率能達到10%，并且，毫不誇張地說，我們用鈣钛礦做的第一個電池的轉換效率是6.1%，打破了我們以往的所有實驗室紀錄。這雖然在今天看起來微不足道，但在當時，它給人的第一反應是：哇！這東西竟然是開箱即用的。”
圖1 Oxford PV公司位于德國哈維爾河畔勃蘭登堡的工廠制造的一組串聯矽/鈣钛礦太陽能電池。該公司将于2022 年推出的首批商用電池的轉換效率可達到26%左右。來源：Oxford PV，經許可
鈣钛礦在太陽能光伏（PV）中的應用正合時宜，因為經過幾十年的改進，在繼續提高矽電池的轉換效率方面遇到了重大瓶頸；光伏材料在将太陽能轉化為電能方面有一個極限。這個極限的高低取決于它們的“帶隙”，即将電子從材料中釋放出來，使其成為電荷載流子在電路中流動所需的能量。晶體矽的帶隙為1.1 eV，這意味着來自太陽、能量小于1.1 eV的光子不能釋放電子，高于1.1 eV的光子仍可産生電荷載流子，但超過1.1 eV的部分光子能量将以熱能的形式浪費掉。
若考慮太陽光光譜，理想矽的理論轉換效率極限約為32%。但從1954 年美國貝爾實驗室研制出第一個實用的矽太陽能電池起，其在實驗室可實作的最高轉換效率就在27%左右。
合成鈣钛礦與天然礦物鈣钛礦、鈣钛氧化物具有相同的晶體結構。2012 年，太陽能光伏研究領域正式開始使用合成鈣钛礦，其在太陽能電池中的潛在應用受到廣泛關注。我們今天使用的合成鈣钛礦通常是有機-無機金屬鹵化物鈣钛礦，其中金屬為鉛或錫。美國國家可再生能源實驗室（NREL）的首席科學家、鈣钛礦和混合太陽能電池團隊負責人Joe Berry 表示：“金屬鹵化物系在處理光伏任務方面非常巧妙，這使其非常引人注目。”
覆寫在矽電池上的鈣钛礦薄膜的帶隙可達到1.7 eV，以補充矽的較低帶隙。如此便可從更多的太陽光光譜中捕獲更多光子，釋放更多電子，産生更多能量。結合使用這兩種材料的理論轉換效率為43%。Oxford PV公司的首席技術官Chris Case 表示：“實際轉換效率總是無法達到理論轉換效率。目前，實際轉換效率即将達到30%，但我們相信，僅憑現有的知識集合，我們可以将商業電池轉換效率提高到33%。”
當光伏效率大幅提升時，從财政角度和生态角度來看，太陽能對能源公司都已是一個極具吸引力的命題。目前，在世界上許多國家，公用事業規模的太陽能光伏裝置通常比新的燃煤或瓦斯發電裝置更便宜。2018 年，政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on ClimateChange, IPCC）警告稱，要将全球變暖控制在1.5 ℃以内，就必須在能源發電等方面開展“快速而深遠”的變革，因為人類造成的二氧化碳排放量需要在2050 年左右達到“淨零”。國際可再生能源署（IRENA）是一個為各國尋求可持續能源發展之路提供支援的政府間組織，總部設在阿拉伯聯合酋長國的阿布紮比。IRENA 根據政府間氣候變化專門委員會編制的全球可再生能源路線圖（REmapCase），預測了一個具有氣候彈性的能源轉型路徑。根據該路徑，到2050 年，太陽能光伏發電将成為第一大電力來源，全球裝機容量達到8.5 TW，風力發電将成為第二大電力來源（圖2）。
圖2 向更清潔、可再生能源轉變的預測，需要以足夠快的速度減少排放，以達到IPCC 關于氣候變化的目标，并使地球到2050 年實作二氧化碳“淨零”排放。RE：可再生能源；CSP：聚光太陽能。來源：IRENA，經許可
太陽能光伏已在加速發展。例如，2020 年美國新發電裝機容量中，太陽能光伏發電占43%，連續兩年居發電技術首位。預計美國太陽能産業在未來10 年的産能将是目前的4 倍。出現這一快速增長的部分原因是過去10年太陽能光伏技術成本急劇下降。根據NREL的資料，由于目前可用的太陽能電池轉換效率已上升到20%左右，且相關硬體成本也在下降，2010—2020 年，美國公用事業規模的光伏系統安裝成本下降了82%。太陽能光伏在世界各地的發展趨勢相似（圖3）。
圖3 在過去10 年中，各國新投産的公用事業規模太陽能光伏項目的平準化能源成本（LCOE）大幅下降。LCOE是在特定太陽能項目生命周期内，為實作财務收支平衡，電力出售的最低平均價格。來源：IRENA，經許可
2020 年年末全球太陽能光伏發電量由2019 年的581 GW上升至約710 GW（圖4）。要将這一發電規模進一步擴大到太瓦級，需要加速太陽能光伏生産，要求所需材料必須充足。這是鈣钛礦的另一個優勢，因為生産太陽能電池所需的鈣钛礦薄膜通常隻有0.5 μm厚，并且所需材料極易采購。Oxford PV公司指出，35 kg 鈣钛礦的發電量與7 t 矽（通常用于160 μm 厚的晶片）的發電量相同，并表示将來有一天鈣钛礦完全可以取代矽。
擴大其他成熟薄膜太陽能技術規模的關鍵難點在于，它們以碲化镉或銅铟硒化镓為基礎。考慮到镉的毒性，而且對于這些技術而言，镉、碲和铟屬于稀有金屬，以至于無法将太陽能光伏發電量有效擴大到太瓦級規模。
圖4 在過去10 年中，全球太陽能光伏總裝機容量急劇增長，并呈現指數級增長迹象。來源：IRENA，經許可
相比之下，制作金屬鹵化物鈣钛礦所需的材料供應充足，而且價格低廉。Berry 說：“它們非常适用于一些高通量、低成本的加工路線。雖然有很多方法可以降低生産成本，但同時産品的品質會随之降低，而鈣钛礦的加工方式不會對基本材料的特性産生影響。鈣钛礦還有一些非常獨特的優勢，已有研究證明其回收效率非常高。”
然而，鈣钛礦也不是沒有缺點。盡管目前采用了薄膜技術，但轉換效率最高的鈣钛礦中仍含有鉛。矽/鈣钛礦串聯太陽能電池廣泛應用面臨的一個更緊迫的挑戰是其長期穩定性。公用事業規模光伏電池闆的壽命需達到25 年左右。雖然自其首次應用于光伏電池以來，鈣钛礦技術發展迅速，但其長期穩定性尚未獲得認可。
與矽不同，鈣钛礦是離子材料，更容易降解（特别是當其受潮時）。是以，鈣钛礦薄膜的有效封裝至關重要。Oxford PV公司擁有比其他任何組織更多的鈣钛礦太陽能光伏相關專利，他們對其設計流程和鈣钛礦封裝方法很有信心。Snaith 表示：“在過去10 年中，為了提高其穩定性，我們在改變鈣钛礦的構成、材料、裝置的結構方面花費了很多精力。在提高其轉換效率方面，我們沒有花費多少精力；而實作其穩定性需要花費的精力最多。但現在，我們對這項技術的效率和穩定性都非常有信心。”
很多工業界和科學界人士也開始研究解決鈣钛礦的穩定性問題。2020 年，一個包括Berry 和Snaith 等研究人員在内的國際合作組織發表了一份關于鈣钛礦光伏穩定性評估和報告的共識聲明。Berry 表示：“在過去10 年中，我們一直在深入了解這些鈣钛礦材料，以便對未來30 年進行預測。這種預測科學對技術要求很高，但到目前為止，我們在基礎材料層面上的研究并未取得引人注目的成就。是以，問題就變成了‘你有什麼技術解決方案？’或‘你能降低多少成本？’等這類商業問題。”
在太陽能光伏生産中加快鈣钛礦應用速度會增加成本，目前尚不确定這将對市場産生何種影響。Oxford PV公司尚未透露其商業電池的大緻價格。在大規模發電中，LCOE是一個關鍵因素。這項新技術初始價格的任何潛在上漲都将取決于因轉換效率的提高而帶來的LCOE下降。
Oxford PV 公司的制造廠目前正以每年100 MW的發電規模進行調試，目标是到2030 年将該制造廠發電規模擴大到每年10 GW，同時太陽能行業每年增加約120 GW發電量。這個目标對于太陽能行業來說不難實作。其他開發鈣钛礦光伏技術的商業組織，包括日本大型公司松下（Panasonic）和積水化學工業株式會社（Sekisui Chemical Company）、中國公司纖納光電（Microquanta Semiconductor）和萬度光能（Wonder Solar）、南韓的Frontier Energy Solution及波蘭的Saule Technologies。
在過去10 年中，鈣钛礦技術得到了迅猛發展。目前，實作鈣钛礦技術商業化需要多久尚不确定，但Snaith 表示，矽鈣钛礦太陽能電池的全球普及和廣泛使用至少還需要10 年時間。此外，他還指出，鈣钛礦的使用還具有其他誘人的可能性。“鈣钛礦可以在非常輕的基材上被制成非常薄的薄膜，是以它的彎曲度或柔韌性很好。将來，在太陽能光伏效率達到40%時，給電動汽車進行太陽能覆層便成為可能（因為這會明顯提高電動車的充電效果）。同樣，如果我們能開發出超薄太陽能電池，我們就可以考慮将這種覆層用于商業建築。”
2020 年，美國先進鈣钛礦制造聯合體（US Manufacturing of Advanced Perovskites Consortium）成立，其目标是“讓美國在光電和光子制造領域重新獲得主導地位”。該組織由NREL、西雅圖華盛頓大學清潔能源測試台（Washington Clean Energy Testbeds at the University of Washington in Seattle）、北卡羅來納大學教堂山分校（University of North Carolina at Chapel Hill）和俄亥俄州的托萊多大學（University of Toledo in Ohio）組成。該聯合體包括6 家國内商業行業合作夥伴，其中之一是位于亞利桑那州坦佩市的美國第一太陽能公司（First Solar），該公司是一家基于碲化镉技術的公用事業規模的薄膜太陽能光伏元件生産商。
注：本文内容呈現略有調整，若需可檢視原文。
改編原文：
Sean O Neill.Perovskite Pushes Solar Cells to Record Efficiency[J].Engineering,2021,7(8):1037-1040.