近日，眾多高校實驗室紛紛爆出喜訊：上海交大韓禮元教授團(tuán)隊發(fā)聲，團(tuán)隊歷時3年在大面積高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜制備的基礎(chǔ)上，開發(fā)了有效面積36.1cm2的鈣鈦礦電池模塊，在國際認(rèn)證機(jī)構(gòu)首次獲得了12.1%的認(rèn)證效率。這一成果的出現(xiàn)意味著未來鈣鈦礦光伏技術(shù)有了走出實驗室、實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的可能。

華中科技大學(xué)自主研發(fā)出的新型鈣鈦礦太陽能電池正在積極準(zhǔn)備量產(chǎn)，華科大團(tuán)隊已經(jīng)獲得超過16%的光電轉(zhuǎn)換效率，每峰瓦成本還僅為傳統(tǒng)太陽能電池的1/5，每平米預(yù)計成本將低至100元。

光電轉(zhuǎn)化率

提及新的光伏材料，首先要考慮到的就是光電轉(zhuǎn)化率，有同學(xué)會問，為什么上述兩則新聞中所提及的鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化率相差4個百分點。

這樣的數(shù)據(jù)差是由于如下幾個原因：

第一，鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)化率與其電池面積及厚度有直接關(guān)系，依靠現(xiàn)有制備薄膜的技術(shù)，鈣鈦礦薄膜的面積越大，越容易出現(xiàn)瑕疵，電池的效率就越低。超過20%國際認(rèn)證效率的鈣鈦礦太陽能電池模塊面積只能達(dá)到0.04至0.2平方厘米，頂多像米粒那么大，上海交大所提出的12.1%是在面積為36.1cm2的前提下。

第二，在這種鈣鈦礦ABX3結(jié)構(gòu)中，A為甲胺基(CH3NH3)，B為金屬鉛原子，X為氯、溴、碘等鹵素原子。由于相對復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)對A、B、X三個位點上的原子(或基團(tuán))半徑有著較高的要求，鈣鈦礦吸光材料的組成比較固定。最近一些研究組用甲咪基取代A位上甲胺基，使帶隙變窄(1.48 eV)，獲得了更高的光電流。對于B位上的Pb原子，當(dāng)Sn原子替換Pb原子后，目前尚未見有光電響應(yīng)的報道。而X位上的原子，目前可以選用氯、溴、碘等鹵素原子，但只有以碘為主的鈣鈦礦有合適的帶隙，可以獲得高轉(zhuǎn)換效率。除了CH3NH3PbI3之外，CH3NH3PbI3-xClx也是目前研究較多的材料。在保持能級結(jié)構(gòu)基本不變的情況下，少量氯元素的摻雜可以提高電子遷移率，顯示出了更加優(yōu)異的光電性能。因此，部分元素的改變也對光電轉(zhuǎn)化率影響深刻。

目前在高效鈣鈦礦型太陽能電池中，最常見的鈣鈦礦材料是碘化鉛甲胺CH3NH3PbI3，它的帶隙約為1.5 eV(理論研究表明，能隙在1~1.5eV的材料，對太陽光的吸收效率最高，典型的鈣鈦礦ABX3的能隙大多落在這個范圍)，消光系數(shù)高，幾百納米厚薄膜就可以充分吸收800 nm以下的太陽光。而且，這種材料制備簡單，將含有PbI2和CH3NH3I的溶液，在常溫下通過旋涂即可獲得均勻薄膜。上述特性使得鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)CH3NH3PbI3不僅可以實現(xiàn)對可見光和部分近紅外光的吸收，而且所產(chǎn)生的光生載流子不易復(fù)合，能量損失小，這是鈣鈦礦型太陽能電池能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的根本原因。


鈣鈦礦電池印刷漿料

成本

一、單價

談完轉(zhuǎn)化率，接下來首要考慮的就是成本問題。在世界上主要有3種類型的太陽能電池中，最貴的是多結(jié)太陽能電池，這種電池用于衛(wèi)星、無人機(jī)等，光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)46%，但造價昂貴；最常見的是晶硅太陽能電池，用它做成的光伏發(fā)電面板隨處可見，光電轉(zhuǎn)換效率約在18%，每平方米造價為500元至700元；其次，是以漢能為代表的薄膜太陽能電池，它的特點是薄，厚度為晶硅電池的1/10，轉(zhuǎn)換效率約為10%—12%，其明星產(chǎn)品“漢瓦”定價為1390元/平方米。而鈣鈦礦每平米預(yù)計成本將低至100元。

下圖是三種光伏材料的光電轉(zhuǎn)化率與價格對比圖。鈣鈦礦屬于第三種：高效薄膜技術(shù)。


數(shù)據(jù)來源：科學(xué)大院

二、壽命

影響成本的另外一個因素，就是使用壽命的問題，也就是材料的穩(wěn)定性，鈣鈦礦還有很長的路要走。穩(wěn)定性是鈣鈦礦太陽能電池最致命的弱點:由于它們對潮濕環(huán)境敏感，暴露在潮濕空氣中會很快分解，就連晝夜溫差造成的水蒸氣也可能對它造成傷害，因此必須對其進(jìn)行防水封裝。

目前，經(jīng)過學(xué)界的不懈努力，鈣鈦礦電池已經(jīng)過了1萬小時的持續(xù)光照實驗，以這個數(shù)據(jù)來計算，取全國平均日照時長4h，那么鈣鈦礦電池理論壽命為6.8年，再加之非充足日照時間以及日常損耗，鈣鈦礦的壽命應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于6.8年。相比于硅電池的理論壽命25年，目前看來比較弱勢。


三、資源

碘化鉛甲胺CH3NH3PbI3中所涉及的碘、鉛都是重要的組成元素。

盡管我國擁有碘資源，但儲量僅約4,000噸，年產(chǎn)量(2012年)大約600噸，只占全球碘總產(chǎn)量的2.14%。因此，我國每年都要從國外進(jìn)口大量的碘。例如，2014年我國進(jìn)口粗碘4344噸。我國每年用于生產(chǎn)碘鹽的碘在200-300噸之間，由智利進(jìn)口，國家提供補(bǔ)貼。

相對而言，鉛資源的狀態(tài)比較客觀，世界上鉛儲量較多的國家澳大利亞、中國、俄羅斯、美國、秘魯和墨西哥，這6國儲量占全世界的87%，其中澳大利亞占比最大為40%，中國占16%，美國占6%，秘魯占8%，墨西哥占6%，俄羅斯占11%；其他地區(qū)占13%。


數(shù)據(jù)來源：金屬百科《鉛資源儲量分布及產(chǎn)量》

盡管目前看來，資源占有量對鈣鈦礦電池的發(fā)展暫不構(gòu)成影響，但實現(xiàn)量產(chǎn)后，資源的供給是不容忽視的問題。

環(huán)境友好

“環(huán)境友好型”是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要標(biāo)簽，這不僅關(guān)系到從業(yè)者與用戶的健康，還關(guān)系到國家的支持與推廣力度。由于含鉛材料對環(huán)境的不友好性，研究者們在努力實現(xiàn)無鉛化，但相應(yīng)會帶來電池轉(zhuǎn)換效率的降低。最直接的方法是利用同族元素(如Sn)來代替Pb元素。在MAXI3材料中，CH3NH3SnI3的能隙僅為1.3 eV，遠(yuǎn)低于CH3NH3PbI3的1.55 eV，可以使吸收光譜發(fā)生紅移。采用CsSnI3作為光吸收材料，并加入SnF2作為添加劑也以減少缺陷密度，提高載流子濃度，進(jìn)而提高電池效率。這兩種替代的吸收材料的吸收光譜發(fā)生明顯紅移，可以吸收更寬波段的入射光。

從解決環(huán)境污染但又不犧牲電池轉(zhuǎn)換效率的角度出發(fā)，科學(xué)家提出了另一種思路，即回收汽車電池來提供鉛源。由于汽車電池中的鉛源具有相同的材料特性(如晶體結(jié)構(gòu)、形貌、吸光性和光致發(fā)電性)和光電性能，既提供了鈣鈦礦材料制備所需的鉛源，又解決了廢舊含鉛電池?zé)o法妥善處理的問題，因此具有一定的實際應(yīng)用價值。

應(yīng)用端

針對光伏材料的應(yīng)用方面而言，目前市場上主流的光伏板、薄膜所應(yīng)用的領(lǐng)域不盡相同，多晶硅的性價比以及單晶硅的高轉(zhuǎn)化率各有優(yōu)勢，前者多用于大型電站以及分布式光伏，后者則更加適用于分布式應(yīng)用，薄膜產(chǎn)品應(yīng)用的領(lǐng)域較為廣泛，可以靈活運用于建筑與外設(shè)產(chǎn)品中，但低轉(zhuǎn)化率時常被詬病。

鈣鈦礦的優(yōu)劣在上文中已有闡述，其低成本是最吸引人的部分，但我們知道，光伏板的布置對空間的需求較大，無論是空地還是屋頂，現(xiàn)在都是稀缺的資源。就鈣鈦礦電池目前的技術(shù)水平而言，建設(shè)同等裝機(jī)量的工程，鈣鈦礦所需的占地面積將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于晶硅產(chǎn)品。事實上，鈣鈦礦目前運用端的可行性與晶硅薄膜產(chǎn)品十分相似，但其穩(wěn)定性目前還不如晶硅薄膜產(chǎn)品，因此鈣鈦礦電池的實際應(yīng)用情況目前還不能體現(xiàn)出很強(qiáng)的優(yōu)勢。

總結(jié)

人類在清潔能源上所做的努力，主要從轉(zhuǎn)化率、穩(wěn)定性、成本、環(huán)境友好等方面進(jìn)行考量，相對于傳統(tǒng)材料，鈣鈦礦在轉(zhuǎn)化率、單價方面有很大的突破，但在穩(wěn)定性與壽命方面仍有很長一段路要走，照目前實驗室數(shù)據(jù)突破的速度來看，情況較為樂觀，但仍需穩(wěn)扎穩(wěn)打，相信克服這兩個難關(guān)后，應(yīng)用端的問題也將迎刃而解，鈣鈦礦將大有可為。