光伏成本下降福星：鈣鈦礦太陽能電池正冉冉升起

　　在薄膜太陽能電池日漸興起的今天，CIGS薄膜太陽能電池幾乎占據了大半個版面。但是作為太陽能電池家族中的一員，鈣鈦礦太陽能電池卻慢慢嶄露頭角。雖然太陽能電池仍舊處于“群狼環伺”的環境之下，晶硅與薄膜的論戰屢有發生。鈣鈦礦太陽能電池卻仍舊在“前有狼后有虎”的晶硅與CIGS薄膜之中保有一席之地，并且在晶硅電池等成本偏高的時期，其一度被視為“光伏成本大幅下降的福星”，不可否認其技術發展態勢的無可限量。

　　鈣鈦礦自2009年以來開始被用于太陽能電池研究，并被世界各地的多個實驗室和企業反復驗證。歷時五年多的研究里，鈣鈦礦的電池效率屢次翻番，并逐漸引起了業界的注意。鈣鈦礦太陽能電池不僅擁有第一代太陽能電池高轉化效率的特點，還有第三代太陽能電池薄膜、柔性化的特點，可用于溶液法卷對卷生產。因此，鈣鈦礦太陽能電池被認作是最有前景的“冉冉新星”。

　　鈣鈦礦太陽能電池的發展

　　鈣鈦礦電池(PVSK)是一種有機-無機復合型的，以MAPbX3 為吸光材料，配合電子和空穴傳輸材料的新型太陽能電池。其封裝前的厚度僅有數微米，遠薄于非晶硅、CIGS等傳統薄膜太陽能電池，成本也僅是其它太陽能電池組件的三分之一，因此業內將鈣鈦礦太陽能電池命名為--超薄膜太陽能電池。

　　在早期材料應用階段，鈣鈦礦太陽能電池效率非常低，僅為3.5%。彼時的自從2009年日本科學家Tsutomu Miyasaka將鈣鈦礦材料用于染料敏化太陽能電池作為吸光材料取得3.8%光電轉換效率以來，鈣鈦礦材料太陽電池效率已經躍升到2013年底的15%和目前的19.3%，并且還在迅速攀升中，有望年內突破20%大關。僅僅用了5年時間，鈣鈦礦材料太陽電池就超越了許多太陽能電池技術數十年所積累的效率增長，這是從無先例和引人注目的。

　　2013年8月在MIT報告中，有研究員稱鈣鈦礦太陽能電池的效率可達到20%到25%。但隨著鈣鈦礦太陽能電池研究的漸次深入，同年11月11日(北京時間)美國報道，科學家們在最新研究中發現，以一種新式鈣鈦礦(catio3)為原料的太陽能電池的轉化效率或可高達50%，為目前市場上太陽能電池轉化效率的2倍，能大幅降低太陽能電池的使用成本。相關研究發表在時年的《自然》雜志上。雖然直到現在該研究并未被各大實驗室或企業機構研究證明出來，但是正在一步步向上攀升甚至翻倍的光電轉換效率也正是逐漸靠近其上的研究說法。

　　鈣鈦礦薄膜太陽能電池具有十分廣闊的發展前景。目前，鈣鈦礦太陽能電池正在深入研究當中，在現有技術基礎上， 進一步降低成本、提高效率和穩定性、推進其工業與商業化，是其必然的發展趨勢。

　　世界各地實驗室的研究

　　日本桐蔭橫浜大學

　　光電轉換效率：3.8%

　　日本桐蔭橫浜大學教授、研究生院工學研究院主任宮坂力(TsutomuMiyasaka)通過將薄薄的一層鈣鈦礦(CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3)當做吸光層應用于染料敏化太陽能電池，制造出了鈣鈦礦太陽能電池。當時的光電轉換率為3.8%。后來研究者對電池進行了改進，轉換效率一下翻了一倍。雖然轉換效率提高了，但之后還要面對一個致命問題，即鈣鈦礦中的金屬鹵化物容易在電池的液體電解質發生水解，導致電池穩定性低，壽命短。

　　牛津大學

　　光電轉換效率：15%

　　2013年，牛津大學的亨利˙司奈斯(HenrySnaith)將電池中的TiO2用鋁材(Al2O3)代替，鈣鈦礦不僅成為了光的吸收層，也同時是傳輸電荷的半導體材料。鈣鈦礦電池的轉換效率一下攀升到15%。

　　華中科技大學

　　光電轉換效率：12.84%

　　7月18日出版的《科學》(Science)雜志刊發了華中科技大學韓宏偉課題組完成的有關全印刷介觀鈣鈦礦太陽能電池研究的新成果。

　　借鑒鈣鈦礦太陽能電池的發展，韓宏偉課題組通過引入兩性分子開發出混合陽離子型鈣鈦礦材料(5-AVA)x(MA)(1-x)PbI3(碘鉛甲胺-5-氨基戊酸)，并將其應用于無空穴傳輸材料可印刷介觀太陽能電池中。其特點是在單一導電襯底上通過逐層印刷方式涂覆二氧化鈦納米晶膜、氧化鋯絕緣層、碳對電極層，之后填充鈣鈦礦材料。這一關鍵技術實現了介觀太陽能電池低成本和連續生產工藝的完美結合。結果顯示這種新材料的應用不僅獲得了12.84%的光電轉換效率，且器件顯示出良好的重復性及穩定性。該光電轉換效率獲得美國Newport公司獨立光伏實驗室權威公證，為目前國際上無空穴傳輸材料型鈣鈦礦太陽能電池最高效率。

　　北京大學

　　光電轉換效率：19.3%

　　根據北京大學9月消息，鈣鈦礦型有機—無機雜化材料紀錄被刷新到19.3%(Science雜志報道)，此前經權威機構驗證的光電轉換效率是17.9%。近期還有希望達到晶體硅電池的25%的水平。

　　研究發現，鈣鈦礦型光伏材料的結晶形貌對其光電性能的影響至關重要，北京大學肖立新教授、龔旗煌院士與西安交通大學吳朝新教授、侯洵院士合作，通過分步溶液成膜方法對摻氯鈣鈦礦材料進行優化，相對于一步溶液成膜方法，微觀形貌容易控制，器件效率得到極大提高，并進一步研究鈣鈦礦薄膜材料的成膜條件，實現對鈣鈦礦薄膜形貌的調控，成功制備介觀結構的鈣鈦礦太陽能電池，同時提高太陽能電池的吸光能力及電荷傳輸能力該創新研究群體還針對鈣鈦礦電池急需解決的穩定性問題，開發了一種新型疏水性空穴傳輸材料使器件的穩定性得到極大改善。

　　研究人員針對鈣鈦礦太陽能電池中的界面工程問題，利用堿金屬鹽修飾透明導電電極表面，優化了透明電極與鈣鈦礦活性層材料之間的能級匹配，實現了不依賴于氧化物致密層的鈣鈦礦型太陽能結構，該器件的光電轉換效率可達到15.1%。結果表明，通過界面修飾工程可以替代常規的致密氧化物薄膜，實現電子的有效收集，這將有助于簡化器件的制備工藝，同時也使鈣鈦礦太陽能電池仍保持良好的器件性能。

　　中國企業與機構的突破

　　廈門惟華光能

　　光電轉換效率：19.6%

　　2014年7月，有消息稱廈門惟華光能有限公司研制出的鈣鈦礦太陽能電池光電轉換效率已達19.6%，這超越了歐美、日本、韓國等研究所公開發表的同類型電池的轉化效率，成為全球第一。這也是專業企業機構最新的產品研究記錄，當業界的目光都轉向實驗室研究的穩定與可行性時，廈門惟華光能卻已經默默地將鈣鈦礦太陽能電池產品擺在了聚光燈之下。產品被證明研究成功，但是如何產品的應用與生產將會是其下一步需要攻克的難題。

　　青島儲能研究院

　　光電轉換率：11.3%

　　2014年5月，中國科學院青島生物能源與過程研究所先進儲能技術中心(青島儲能產業技術研究院)逄淑平博士領導的研究小組成功開發出新型鈦礦型太陽能材料(NH2CH=NH2PbI3)。該材料因其具有良好的熱穩定性和光電轉換性能，在低成本柔性太陽能儲能領域(如光伏大棚等)有著廣闊的應用前景。

　　據了解，該研究小組正在對鈣鈦礦材料和器件進行進一步優化，通過減小晶體內晶格、位錯缺陷濃度，提高載流子的擴散距離;通過晶界鈍化手段，降低晶界的缺陷能級對載流子的捕獲作用，從而實現光電轉換效率的進一步提升。在平面電池結構中，該材料11.3%的光電轉換效率已達到該器件結構的世界領先水平。

　　研究小組還在非鉛的環境友好型鈣鈦礦光電轉換材料設計與制備及其器件應用取得新進展。在此基礎上采用原子層沉積(ALD)技術和卷對卷(ROLL TO ROLL)技術探索制備出低成本、大面積、柔性、高效太陽能電池，將極大地滿足青島乃至山東地區對低成本柔性光伏大棚等的需求。

　　不過此前有傳聞表示，屬性好用的鈣鈦礦仍舊面臨著一些待攻破細節問題，比如其所產生的電流較低，近年來世界各地的大學研究實驗室和企業仍舊不斷進行著此項工藝的測試和革新。斯坦福大學的材料科學和工程學教授邁克爾·邁克吉此前表示：“鈣鈦礦太陽能電池在面市之前，還需要解決多個問題，其中之一就是，鈣鈦礦的儲量并不充足。”因此，雖然鈣鈦礦太陽能電池的前景被十分看好，在實際運用上還有很長的一段路需要探索。究竟鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率能否達到業內所期望的50%?能否如同晶硅太陽能電池一般廣泛使用?且拭目以待。