钙钛矿串联太阳能电池，下一代太阳能电池的核心技术
太阳能发电在实现碳中立社会中发挥着重要作用。
最近，钙钛矿串联太阳能电池因其能克服传统硅基太阳电池的局限而受到广泛关注。这项技术以钙钛矿和硅的双层结构组合，具有显著提高效率的潜力。
特别是“串联电池”推动了商业化的期望，迅速发展。
本文将全面探讨钙钛矿串联电池的基本概念、最新技术动态及商业化可能性。
什么是钙钛矿？
钙钛矿（Perovskite）得名于在俄罗斯发现的矿物CaTiO₃，指的是具有特定晶体结构的物质群。目前用于太阳能电池的钙钛矿主要是基于有机-无机卤化铅（Lead Halide）的化合物，具有ABX₃形式的晶体结构。在这里，A是甲基铵（MA），B是铅（Pb），X是卤素（Cl, Br, I）离子。
这些材料表现出优良的光吸收能力和电子及洞的快速传输速度。此外，它们具有在低温下以经济成本制造的优点，因此被关注作为可以补充或替代传统硅太阳能电池的未来太阳能电池材料。可以说，钙钛矿在未来能源市场中的应用可能性非常高。
钙钛矿的主要优势之一是其优良的柔韧性和加工性。该材料能够通过溶液工艺中的旋涂或条纹涂布制成薄膜形式，适用于柔性太阳能电池和建筑一体化光伏（BIPV）系统。
特别是钙钛矿在带隙调节方面受到关注，这使得它在与硅的串联结构中具有互补的光吸收特性，被视为实现串联电池构建的有前景材料。这些特性预计将在未来太阳能技术发展中发挥重要作用。
硅太阳能电池与钙钛矿串联太阳能电池比较
| 项目 | 现有硅太阳能电池 | 钙钛矿串联太阳能电池 |
| 最高效率（实验室） | 约26.8%（单电池世界纪录） | 约34.6%（串联电池世界纪录） |
| 模块效率（商业） | 20-22%（普通硅模块） | 25-30%（初步预计模块效率） |
| 制造工艺 | 高温单晶硅晶圆工艺（能量密集型） | 低温溶液工艺（可印刷/涂布等，工艺简单） |
| 制造成本 | 晶圆制造成本和能源成本较高 | 材料成本低，制造能耗约为10% |
| 面板重量/形态 | 厚重的玻璃和金属框架（沉重，刚性） | 薄且轻（可涂布于柔性基板） |
| 耐久性（寿命） | 在户外运行验证超过25年（高稳定性） | 长期稳定性确保研究中（未来改善可期） |
钙钛矿和串联电池的原理
钙钛矿由钙钛酸钙（CaTiO₃）衍生的晶体结构，主要由有机-无机卤化铅（Pb）化合物用于太阳能电池。这种材料具有优异的光吸收能力和电荷迁移性，并且可以通过低温工艺生产，同时原材料成本低。
串联太阳能电池具有重叠的两种能吸收不同波长光的太阳电池结构。钙钛矿主要吸收可见光和紫外线，而硅主要处理红外线，从而有效地将太阳能转化为电能。这个方法理论上可以达到近40%的效率，有望突破传统单硅电池的效率限制。
随着这种创新技术的发展，预计太阳能发电的效率和经济性将进一步提高。
最新技术动态与世界最高效率实现
钙钛矿串联电池技术在过去几年中展示出了惊人的进步。2022年，德国HZB研究团队取得了32.5%的世界最高效率，备受瞩目。接着在2023年，沙特阿拉伯的KAUST和中国的LONGi分别记录了33.7%和33.9%的效率，进一步加剧了竞争。
在2024年，LONGi达到了34.6%的效率，超越了传统单硅电池的理论极限Shockley-Queisser极限（约33.7%）。这些进展预计将对太阳能发电技术的未来产生重大影响。
虽然小面积电池的成果引人注目，但大面积电池和模块技术也在同步进步。英国的牛津PV在商业晶圆尺寸上记录了28.6%的效率，而韩国研究团队在200cm²的电池上达到了20.6%的效率，展示了大面积电池的实用性。这些发展更加明亮了太阳能技术的未来可能性。
商业化面临的挑战
钙钛矿串联电池表现出高效率，但在商业化过程中存在一些挑战需要解决。最大的问题是长期稳定性和大规模生产工艺。钙钛矿材料对水分和氧气敏感，因此，20年以上在外部环境中的使用需要封装技术。
此外，小规模电池在实验室中相对容易制造，但为了均匀生产数十到数百平方厘米的大面积模块，需要精密的溶液涂布和叠层技术。幸运的是，类似于条纹涂布的工业工艺正在快速发展，使得大规模生产的希望越来越大。这些技术进步被预期将对钙钛矿电池的商业化产生积极影响。
钙钛矿串联电池的商业化前景
专家们预测，钙钛矿串联电池将在2025年到2026年间正式商业化。目前，英国的Oxford PV正在德国进行量产线的试运转，而中国和韩国的企业也在进行试生产。特别是中国在政府支持下，正在建立数GW级的大规模生产设施。
与此同时，韩国韩华Q셀专注于技术开发，目标是2026年实现量产。市场研究公司Rethink Energy甚至预测，到2040年全球太阳能面板的90%将采用钙钛矿技术。这一趋势将推动太阳能产业的创新，预计将在未来的能源市场产生重大影响。
高效、长期稳定性和大规模生产是商业化的关键
钙钛矿串联太阳能电池被认为是下一代太阳能发电的核心技术。在过去几年中，这项技术的效率迅速提升，且大面积电池与模块技术也在持续进步。然而，要进入商业化阶段，不仅需要初期的效率，而且还需要在25年以上的可持续耐久性和工业生产能力方面同时达成挑战。
如果能够克服这些技术壁垒，并在2025年或2026年实现商业化，全球太阳能产业将迎来新的发展阶段。这将给太阳能市场带来巨大的变化，并对环境友好的能源转型有积极影响。
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