钙钛矿太阳能电池商品化长路漫漫

来源:《环球科学》发布时间:2016-12-19 14:00:08
 钙钛矿太阳能电池因其所需的原材料储量丰富,制备工艺简单且可以采用低温、低成本的工艺实现高品质的薄膜而拥有诱人的前景。这些有着高质量晶体结构的薄膜甚至可以与在高温下以高成本获得的硅片的晶体质量媲美,实现柔性化和“卷对卷”式的规模化生产。

为了挑战硅在太阳能电池领域的主导地位,制备钙钛矿电池还需要解决一些关键问题。目前,实验室中的电池样品只有指甲盖大小,其安全性和长期稳定性也有待大幅提升——对于研究人员而言,这将是一场艰苦的战斗。

效率之战

在此前对钙钛矿太阳能电池能量转换效率的报道中,曾有过转换效率为20.1%的报告记录,而晶体硅太阳能电池的单元转换效率最高值为25.6%。那么,为什么太阳能电池无法将太阳光能量100%地转化为电能?为什么研究人员认为钙钛矿太阳能电池将有望超过硅所创下的效率记录?

答案的关键就在材料内部可激发的电子和可自由移动的电子中。当阳光照射太阳能电池时,一些电子会吸收能量而脱离原子束缚。充满能量的受激电子会穿过材料中的晶格向一边移动,或从电池的一端逸出,或遇上一个障碍或陷阱从而释放出无用的热量。对于硅太阳能电池中的硅材料来说,通常需要采用高达900℃的高温加热处理以便尽可能地降低缺陷浓度。然而钙钛矿只要约100℃就可以去除绝大多数晶体缺陷。此时,被光激发的电子同样能够顺利地逸出钙钛矿,且不至于因为撞上过多的障碍物而损失太多的能量。

但对于任何基于半导体材料(例如硅或钙钛矿)制成的太阳能电池而言,太阳光能转化为电能的效率总有一个上限,这主要由半导体的“带隙”性质决定。带隙指的是使电子脱离束缚成为自由电子所需的最小能量。不同半导体通常具有不同的带隙,由此会导致一个两难境地出现:带隙越小,电池吸收的太阳光光谱范围就越大,也就可以利用更多的光能来激发电子,但每个电子的能量也会更低。即使太阳能电池材料的带隙处于最理想的大小,也只能转化约33%的太阳能。

在制造钙钛矿时,研究者们可以通过改变原料的成分来调节它的带隙宽度,因此钙钛矿太阳能电池在效率上超越硅电池是可能的。研究者还可以将带隙宽度不同的钙钛矿层叠加在一起变成叠层钙钛矿太阳能电池。有预测指出,基于叠层结构的太阳能电池可以将太阳能的利用率提高到46%。

旧材料,新用途

矿物学家在19世纪就已经在地壳中发现了天然的钙钛矿,但直到2009年,日本桐荫横滨大学的研究组才首次将人造钙钛矿制成了太阳能电池。他们选用的钙钛矿型材料是一种含有卤素和铅元素的钙钛矿型卤铅化合物,通过优化钙钛矿的成分并对电池结构中的其他功能层进行改进,使其效率突破了10%。

除了沉积工艺的优化之外,科学家也简化了电池中的一些功能层,使最新的钙钛矿太阳能电池看起来跟硅电池更像。正是这种简单的薄层状设计降低了硅电池的生产成本,促进了大批量生产。同时,钙钛矿晶体薄膜的结晶性正在持续改善中,这样的发展趋势着实令人振奋。

商品化的漫漫长路

不过在实现这些愿景之前,钙钛矿还有很长的路要走。稳定性是钙钛矿太阳能电池最致命的弱点。由于它们对潮湿环境敏感,暴露在潮湿空气中会很快分解,因此必须对其进行防水封装。按照产业界惯例,一块太阳能电池板需要有25年的质量保证,相当于在恒定、明亮的太阳光下工作约54000小时。因此,找到一种能够在较大温度范围内长时间稳定工作的水汽阻隔技术十分重要。目前,也有一些公司尝试将铜铟镓硒半导体等其他材料制成商业化的柔性太阳能电池产品,并取得了一些进展。

钙钛矿电池封装的重要性不仅在于需要将水分隔绝在外,更要将电池中的化学成分密封在内,因为钙钛矿的成分中含有微量的铅。在材料毒性和安全性方面,钙钛矿太阳能电池可以借鉴基于碲化镉材料的太阳能电池技术——碲化镉太阳能电池板如今已经遍及世界各地,虽然镉的毒性比铅大得多,但这些电池已通过安全标准评估。钙钛矿企业或许可以从这一成功案例中学习可靠的封装技术和严格的测试方案。

美国麻省理工学院的研究人员此前在铅的处理方面取得了一项令人振奋的进展:他们证明,车用铅酸蓄电池中的铅可以被安全地回收再利用,并用于制造钙钛矿电池。解决安全问题的另一条途径就是完全取消铅的使用。一些团队曾发表相关文章报道了用锡代替铅制备钙钛矿电池的初步结果,然而含锡电池在效率和稳定性上都逊色于含铅电池。

由此看来,钙钛矿的变革者们需要给出一个在经济上更具说服力的理由,以吸引足够的投资来扩大生产规模。虽然钙钛矿电池所需的原材料十分充足,且可以较低温度下使用廉价设备进行生产,但还需要考虑“周边系统成本”,这包括安装材料和人力成本、安装许可证和系统检查相关费用以及其他相关的费用。

与硅电池结盟

根据目前的情况看,钙钛矿电池或许可以与硅电池结成“联盟”,从而在现有的光伏市场上形成有力竞争。研究人员称,在硅层上方加一层钙钛矿太阳能电池,可以将二者结合并形成一个“叠层”太阳能电池。钙钛矿材料能够很好地利用太阳光中能量较高的光(如蓝光或紫外光),这正好是硅所无法吸收的部分,这样便能激发更多具有较高能量和光电压的电子。研究者们预测,未来如果将最好的硅组件和钙钛矿器件合理地整合在一起,在不用大幅改动两者制造技术的情况下就可以获得超过30%的效率,同时,周边系统成本也将会大大降低。

逆向拓展

钙钛矿太阳能电池的迅速崛起也为科学家们和工程师们带来了其他方面的启发,如可以利用钙钛矿材料来制备其他类型的光电功能器件。此前,研究人员已用金属卤化物钙钛矿材料制造出发光二极管(LED)和激光器,它们能通过冷发光过程有效地放出光。尽管针对此类新颖产品的研究才刚刚开始,但研究者相信,这一领域将会越来越受到大家的关注。
FR:《环球科学》


责任编辑:suna
索比光伏网&碳索光伏版权声明:

本站标注来源为“索比光伏网”、“碳索光伏"、"索比咨询”的内容,均属www.solarbe.com合法享有版权或已获授权的内容。未经书面许可,任何单位或个人不得以转载、复制、传播等方式使用。

经授权使用者,请严格在授权范围内使用,并在显著位置标注来源,未经允许不得修改内容。违规者将依据《著作权法》追究法律责任,本站保留进一步追偿权利。谢谢支持与配合!

推荐新闻
横店东磁申请太阳能电池的制备方法专利,降低接触电阻来源:金融界 发布时间:2026-10-12 06:00:37

横店集团东磁股份有限公司于2026年6月向国家知识产权局申请了一项名为“太阳能电池的制备方法”的发明专利(公开号CN122892299A)。该专利聚焦于优化太阳能电池结构,通过在基底层受光面和/或背光面构建具有区域差异化的掺杂半导体层,使接触区表面凸起且掺杂浓度高于相邻非接触区,或在背光面交替设置两类掺杂层作为接触区,再配合电极制备。其核心技术创新在于实现局部精准调控,从而有效降低金属电极与半导体之间的接触电阻,进而提升电池的开路电压与短路电流。作为国内光伏与磁性材料领域的重要企业,横店东磁长期布局技术研发,截至当前已累计拥有专利2911项。(199字)

大面积钙钛矿太阳能电池光电转换效率创新高来源:科技日报 发布时间:2026-10-10 09:52:29

澳大利亚新南威尔士大学与UtmoLight公司合作,成功研制出面积达676平方厘米(30 cm × 30 cm)的大面积钙钛矿太阳能电池,实现23.5%的光电转换效率,刷新世界纪录。该成果证实钙钛矿技术在放大尺寸后仍能保持高效率,显著提升了其规模化制造与产业化应用前景。研究通过材料创新与工艺优化,取消了易引发不稳定的氧化镍层,简化制程并提升性能。团队下一步将试制2.8平方米的全尺寸商用组件,验证更大面积下的可行性。尽管钙钛矿在成本与光谱利用(如与硅基电池叠层)方面优势突出,但其在湿热环境下的稳定性、大面积均匀性控制及长期可靠性仍是产业化亟待突破的关键挑战。(199字)

印度ALMM太阳能电池产能超37吉瓦来源:光伏情报处 发布时间:2026-10-10 09:45:10

印度新能源和可再生能源部(MNRE)最新更新《型号与制造商核准名录》(ALMM)第二部分,新增529兆瓦单晶硅PERC太阳能电池产能,使全国ALMM登记的太阳能电池总产能达37393兆瓦(即37.393吉瓦)。其中,Premier Energy Photovoltaics新增产能后,其PERC电池总登记产能升至2454兆瓦,并新增1358兆瓦G12R N型TOPCon电池产能,整体登记产能达3812兆瓦。此前,Jupiter Solar Tech和Renusol India亦分别扩充了N型TOPCon电池产能。ALMM-II对公用事业级项目设定了2025年8月31日的执行截止期,但净计量及开放接入式项目豁免期延至2026年12月31日。此外,MNRE已于2026年3月启动ALMM第三部分,将硅锭、硅片纳入监管,计划自2028年6月1日起强制实施,前提是至少三家独立硅片制造商完成登记且合计产能达15吉瓦。

目标GW级生产,Indosol与ANU联合研发抗衰减TOPCon光伏电池来源:TaiyangNews 发布时间:2026-10-08 09:31:29

印度光伏企业Indosol Solar与澳大利亚国立大学(ANU)签署合作协议,联合推进抗衰减型TOPCon太阳能电池的研发与产业化。该合作由澳方“印澳技术商业化挑战试点项目”资助,旨在将ANU在高效硅基电池领域的科研成果,与其在印度安得拉邦的一体化制造产线相结合。双方重点优化TOPCon电池结构与工艺,提升光电转换效率,并增强对光诱导衰减(LID)和紫外诱导衰减(UVID)的抵抗能力,从而提高发电量、降低度电成本(LCOE)。ANU团队负责技术设计与工艺指导,Indosol负责产线验证与规模化适配,双方还将开展人员互访与知识共享。项目目标是实现TOPCon技术在印度市场的GW级量产,支撑Indosol构建全链条光伏制造生态,并助力其9GW扩产规划。此外,ANU正同步开展更高效率(>28%)的TOPCon背接触(TBC)电池中试研究。

7GW TOPCon电池工厂投产来源:光伏技术 发布时间:2026-09-30 08:48:22

印度安得拉邦奈杜佩塔新建的7GW N型TOPCon太阳能电池工厂近日正式投产,使企业总产能达10.6GW,跃居印度最大太阳能电池制造商。该厂聚焦G12R规格TOPCon电池,目前已进入试生产阶段,目标平均转换效率为25.8%。项目按期完工,总投资329.3亿印度卢比(约3.437亿美元),严格控制在预算范围内。工厂占地40公顷,是印度迄今规模最大的太阳能电池生产基地,采用数字化制造技术,设计产能为每小时约8.8万片电池片。

北京经济技术开发区:推动先进能源产业应用钙钛矿材料等实现太空、地面多维度发展来源:北京市人民政府 发布时间:2026-09-23 16:17:21

本文介绍了北京经济技术开发区发布的《关于加快新材料产业创新发展的若干措施》,旨在系统性推动新材料产业高质量发展。文件明确聚焦先进基础材料、关键战略材料和前沿创新材料三大方向,尤其突出钙钛矿等新型能源材料在先进能源领域的应用,支持其向太空能源、地面储能等多场景拓展。措施围绕“创新驱动—成果转化—双向赋能—要素保障”逻辑链,提出核心技术攻关、产学研协同、“AI+新材料”融合、中试平台建设、京津冀协同发展等12项具体举措,涵盖资金支持、平台搭建、场景开放、人才引育和金融赋能等内容。政策有效期至2028年底,适用范围覆盖亦庄新城全域,强调国产替代、技术转化与产业生态构建。(199字)

中企在阿塞拜疆投资建设的大型光伏项目正式并网来源:新华社 发布时间:2026-09-23 08:55:35

由寰泰能源投资建设的阿塞拜疆戈布斯坦100兆瓦光伏电站于9月16日在巴库正式并网。该项目位于加拉达格区,安装约20万块太阳能电池板,配套建设一座110千伏升压站,年发电量预计达2亿千瓦时,可节约天然气约4500万立方米、减少碳排放约9.7万吨。作为中阿能源合作的重要成果,项目恰逢两国自2025年建立全面战略伙伴关系后务实合作深化期。阿塞拜疆总统阿利耶夫在并网仪式上肯定可再生能源合作成效,强调该领域已成为双边合作亮点,并表示欢迎更多中国企业赴阿投资绿色能源项目。此举亦契合阿方加速能源转型、提升绿色电力出口能力的国家战略。

东方日升 RisenFlex Nova 首批 pHJT CIC 电池成功下线!来源:东方日升新能源 发布时间:2026-09-22 10:13:55

东方日升于2026年8月29日成功下线首批pHJT CIC空间太阳能电池,具备轻量化、高转化效率与优异抗辐照可靠性。RisenFlex Nova系列支持尺寸定制,适配特殊环境,开放客户验证。后续将持续优化良率、效率与可靠性,加速产品迭代升级。

钙钛矿视觉传感器项目落地宁波产业园!来源:钙钛矿工厂 发布时间:2026-09-22 09:29:29

2026中国浙江·宁波人才科技周于9月20日在宁波开幕,甬港创科中心首批10个人才科创项目集中签约入驻。该中心由宁波市委人才办、宁兴集团与高新区共建,立足甬港两地优势,打造“宁波产业园”与“香港研发园”双平台,推动“香港研发、宁波智造”协同模式。其中5个项目落地宁波产业园,包括丁宇宬团队主导的高性能钙钛矿视觉传感器项目,拟建设研发中心与中试基地;另有超材料制冷化纤、三维风场测绘卫星星座、多传感食品智控及高灵敏生物磁检测装备项目同步入驻。另5个项目入驻香港研发园,涵盖舜宇、汉科等龙头企业及人形机器人、氮化镓芯片等前沿方向。香港特区政府将提供全周期创业支持,助力大湾区与长三角科技资源联动。(198字)

中国太阳能电池板出口在2026年8月下降39%来源:IDN 发布时间:2026-09-20 09:39:39

2026年8月,中国太阳能电池和电池板出口量同比下降39%,至84万吨;出口额达22.5亿美元,同比下降23.1%;出口数量约为9.249亿块,同比减少37.8%。尽管环比微增(较7月的83万吨略有上升),但这是在政府取消出口退税优惠政策后连续第四个月出现同比下降。作为全球最大的太阳能电池及组件生产国,中国此次出口持续下滑反映出政策调整对行业外贸格局的显著影响——出口激励弱化正推动出口节奏放缓、贸易结构面临重塑。数据源自中国海关统计,经路透社报道确认。

Alpex Solar在印度投产2.2GW TOPCon 电池厂来源:光伏情报处 发布时间:2026-09-20 09:32:30

Alpex Solar在印度北方邦马图拉正式投产一座2.2GW G12R TOPCon太阳能电池工厂,标志着其后向一体化战略的关键落地。该厂旨在增强本土电池产能,提升对印度市场的供应保障能力,并支撑公司覆盖光伏电池、组件、太阳能水泵、铝边框及EPC工程的垂直一体化业务布局。公司已在北方邦和中央邦建成多个生产基地,具备TOPCon、双面、单晶PERC及半片等多种技术路线的组件量产能力。为支持扩张,Alpex Solar已获印度本土工业机构21.5亿卢比(约2590万美元)投资,并于去年12月通过发行年利率14.75%的不可转换债券再融资12.5亿卢比(约1380万美元)。此举亦呼应印度ALMM清单中持续增长的电池产能备案趋势——截至2026年8月,全国备案电池总产能达35468MW。