屡破世界效率记录 盘点2017中国钙钛矿太阳能技术的发展

2月27日，杭州纤纳光电公司宣布其钙钛矿太阳能微组件经过美国Newport认证，效率达到17.4%，这一结果打破了该公司此前保持的效率记录。对比市场上应用最广的多晶硅太阳能技术，从上世纪50年代由美国贝尔实验室发明之后，直到2010年其组件效率才突破17%(京瓷54片电池组件)。而从技术潜力来看，目前实验室效率最高的钙钛矿电池效率已经达到22.7%(小面积)，超越了天合此前21.3%的多晶硅电池效率记录。以及2017年9月Fraunhofer ISE刷新的多晶硅太阳能电池22.3%效率记录(3.9 cm2)。这一技术究竟是怎样自2009年诞生以来获得了如此神速的发展，我国在2017年又在钙钛矿技术方面取得了哪些突破，下面就为大家盘点一番。

根据MaterialsViews编辑部对钙钛矿太阳能电池的介绍：

钙钛矿太阳能电池核心是具有钙钛矿晶型(ABX3)的有机金属卤化物吸光材料。在这种钙钛矿ABX3结构中，A为甲胺基(CH3NH3)，B为金属铅原子，X为氯、溴、碘等卤素原子。目前在高效钙钛矿型太阳能电池中，最常见的钙钛矿材料是碘化铅甲胺(CH3NH3PbI3)，它的带隙约为1.5 eV，消光系数高，几百纳米厚薄膜就可以充分吸收800 nm以下的太阳光。而且，这种材料制备方便，将含有PbI2和CH3NH3I的溶液，在常温下通过旋涂即可获得均匀薄膜。上述特性使得钙钛矿型结构CH3NH3PbI3不仅可以实现对可见光和部分近红外光的吸收，而且所产生的光生载流子不易复合，能量损失小，这是钙钛矿型太阳能电池能够实现高效率的根本原因。

钙钛矿薄膜太阳能电池的发展起源于染料敏化太阳能电池，且受益于敏化太阳能电池和有机太阳能电池等在过去二十年里积累的相关技术，材料方面一经突破，就在结构和工艺上得以获得飞速发展。从2009年问世以来，经过8年时间，效率已经从3.8%提升至22.7%。该技术被《Science》评选为2013年十大科学突破之一，更是在今年的诺贝尔化学奖公布前被广泛认为是有力的竞争候选。

2017年7月，由韩国化学研究所(KRICT)和韩国蔚山国家科学与技术研究院(UNIST)的Sang-Il Seok教授团队的联合取得22.1%的效率记录(小面积)。之后，该团队又将最新的钙钛矿太阳能电池效率提高到22.7%(面积0.07cm2)。该项目记录此前也由这支韩国团队和洛桑联邦理工学院(EPFL)交替保持。

韩国团队的电池结果

在国内，中国科学院半导体研究所材料科学重点实验室蒋琦博士今年也在游经碧研究员与张兴旺教授的指导之下采用两步连续沉积法对平面结构钙钛矿太阳能电池中的PbI2含量进行控制，成功获得了小尺寸21.1%(0.0737 cm2)和大尺寸20.9%(1 cm2)的钙钛矿太阳能器件。

中科院蒋琦博士结果

不仅在电池的研发方面国内学者紧追不舍，在电池的产业化方面，国内的科研机构和公司更是站在了世界的前列。2017年9月上海交大材料科学与工程学院韩礼元教授团队宣布经过3年努力，解决了在大面积高质量钙钛矿薄膜制备的难题，开发出了有效面积36.1 cm2的钙钛矿电池微组件，在日本产业技术综合研究所(AIST)获得了12.1%的认证效率。韩礼元教授此前任职于日本国立材料研究所(NIMS)，在染料敏化太阳能电池和钙钛矿领域均有重要贡献。

上海交大团队钙钛矿太阳能微组件

而另一支武汉理工大学的程一兵教授团队在2017年8月宣布其10cm x 10cm玻璃基板钙钛矿太阳能电池组件制备技术也获得重大突破，在国家光伏质量监督检验中心验证的微组件效率为13.98%，10月份的最新研究成果中也披露了其6cm x 6cm的钙钛矿微组件也达到了15.76%的效率，且回滞现象被显著降低。程一兵教授现目前同时任教于澳大利亚蒙纳什大学，为澳大利亚工程院院士，其团队在染料敏化和钙钛矿领域同样起步早发展快，在反溶剂萃取法制备的钙钛矿薄膜等工艺方面做出贡献。

武汉理工团队钙钛矿太阳能微组件及结构

此外值得关注的是，该团队使用塑料基板制备了5cmx5cm的柔性钙钛矿太阳能微组件，8月8日经过国家光伏质量监督检验中心第三方认证，效率为11.4%。紧随其后，日本东芝公司也在9月25日宣布其最新的5cm x 5cm柔性钙钛矿太阳能微组件效率达到10.5%，而后者还宣称这一结果在同类别电池中创造了新的“世界纪录”。

武汉理工团队柔性钙钛矿太阳能微组件

最后要提到的就是总部位于杭州的纤纳纳光电科技有限公司，这家成立于2015年7月的公司由三位85后浙大海归博士创立，致力于成为一家商业化新型钙钛矿型薄膜太阳能电池的科技型创新公司。不同于学校的模式，该公司的研发不依托任何科研院校，独立运营，目前已经累计融资超过7000余万元。

纤纳更值得一提的成绩是公司2017年在突破效率记录方面上演的帽子戏法，今年2月，纤纳生产的面积超过16cm²的钙钛矿微组件在美国Newport公司测试，认证的效率达到15.24%，刷新了此前大面积钙钛矿太阳能电池组件的记录。而后通过进一步优化生产工艺，纤纳在5月宣布其微组件效率达到16%，打破了自己保持的世界纪录。12月27日，公司又对外宣布其经过认证的钙钛矿组件的效率已经过认证突破17.4%。据了解，该电池组件是由7节电池内串联构成，面积为17.8cm2，死区面积小于0.5%。一年之内连续三次刷新世界效率的记录，不得不说纤纳是目前钙钛矿太阳能方面名副其实的独角兽公司，全球范围内该公司在技术和工艺方面都具备领先优势。

杭州纤纳光电最新钙钛矿组件17.35%效率认证

目前市场上广泛使用的传统晶硅太阳能电池面临材料成本高，制造能耗高和应用场景限制的问题，而钙钛矿太阳能电池凭借自身成本低和柔性材料的特点可以作为晶硅技术的最好补充，帮助扩大我国太阳能的利用。具体来说，钙钛矿电池所需的材料成本仅有晶硅电池的1/30。从生产的角度考虑，一个晶硅太阳能组件1到2年的发电量可以抵消其生产中消耗的能量，而对钙钛矿太阳能组件来说，这一能量补偿时间则可缩短到2到3个月，也就是说钙钛矿太阳能组件2到3个月发出的电量就足够生产一个全新的钙钛矿组件。最后，钙钛矿发电材料不仅可以制成像晶硅产品类似的光伏组件，还可以与建材结合，生产出发电玻璃幕墙，发电瓦片等建筑光伏一体化产品，大大增加太阳能发电的应用场景。如果使用柔性衬底，钙钛矿太阳能电池更有望与其他柔性显示和柔性电子材料相结合，实现柔性可穿戴设备的随时充电。

此外传统晶硅太阳电池产业的大量技术专利、高附加值核心设备和原材料的生产仍把持在国外大公司手中。我国晶硅太阳能产品的制造商不仅在技术升级上受制于欧美设备制造公司，更在产品出口时受限于市场国的专利壁垒。在这样的市场情况下，传统晶硅技术路线的发展恐将走上用国内市场换国外技术老路。而反观钙钛矿太阳能技术方面，我国的科研机构和企业研发都与国外几乎同步开展，在大面积器件制备方面还走在了世界领先水平。杭州纤纳此次取得的突破也证明了我国在钙钛矿太阳能产业方面有实现弯道超车的潜力，继而有望借助钙钛矿太阳能技术在太阳能产品生产和应用方面实现跨越式发展。