科普：低價高效可印刷的鈣鈦礦太陽能電池？

世界上主要有三種類型的太陽能電池，最貴的是多結太陽能電池，光電轉換效率高達46%，但造價昂貴；最常見的是晶硅太陽能電池，用它做成的光伏發電面板隨處可見；其次，是以漢能為代表的薄膜太陽能電池；而鈣鈦礦光伏仍在研發中。

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隊發聲，團隊歷時3年在大面積高質量鈣鈦礦薄膜製備的基礎上，開發了有效面積36.1cm2 的鈣鈦礦電池模塊，在國際認證機構首次獲得了12.1%的認證效率。這一成果的出現意味著未來鈣鈦礦光伏技術有了走出實驗室、實現大規模產業化的可能。

華中科技大學自主研發出的新型鈣鈦礦太陽能電池正在積極準備量產，華科大團隊已經獲得超過16%的光電轉換效率，每峰瓦成本還僅為傳統太陽能電池的1/5，每平米預計成本將低至100元。

光電轉化率

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

這樣的數據差是由於如下幾個原因：

第一，鈣鈦礦電池的光電轉化率與其電池面積及厚度有直接關係，依靠現有製備薄膜的技術，鈣鈦礦薄膜的面積越大，越容易出現瑕疵，電池的效率就越低。超過20%國際認證效率的鈣鈦礦太陽能電池模塊面積只能達到0.04至0.2平方厘米，頂多像米粒那麼大，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結構中，A 為甲胺基(CH3NH3)，B 為金屬鉛原子，X為氯、溴、碘等鹵素原子。由於相對複雜的晶體結構對 A、B、X 三個位點上的原子(或基團)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。對於 B 位上的 Pb 原子，當 Sn 原子替換 Pb 原子後，目前尚未見有光電響應的報道。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。在保持能級結構基本不變的情況下，少量氯元素的摻雜可以提高電子遷移率，顯示出了更加優異的光電性能。因此，部分元素的改變也對光電轉化率影響深刻。

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範圍），消光係數高，幾百納米厚薄膜就可以充分吸收 800 nm以下的太陽光。而且，這種材料製備簡單，將含有PbI2和CH3NH3I的溶液，在常溫下通過旋塗即可獲得均勻薄膜。上述特性使得鈣鈦礦型結構CH3NH3PbI3不僅可以實現對可見光和部分近紅外光的吸收，而且所產生的光生載流子不易複合，能量損失小，這是鈣鈦礦型太陽能電池能夠實現高效率的根本原因。

鈣鈦礦電池印刷漿料

成本

一、單價

談完轉化率，接下來首要考慮的就是成本問題。世界上主要有三種類型的太陽能電池，最貴的是多結太陽能電池，這種電池用於衛星、無人機等，光電轉換效率高達46%，但造價昂貴；最常見的是晶硅太陽能電池，用它做成的光伏發電面板隨處可見，光電轉換效率約在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，轉換效率約為10%—12%，其明星產品「漢瓦」定價為1390元/平方米。而鈣鈦礦每平米預計成本將低至100元。

下圖是三種光伏材料的光電轉化率與價格對比圖。鈣鈦礦屬於第三種：高效薄膜技術。

數據來源：科學大院

二、壽命

影響成本的另外一個因素，就是使用壽命的問題，也就是材料的穩定性，鈣鈦礦還有很長的路要走。穩定性是鈣鈦礦太陽能電池最致命的弱點:由於它們對潮濕環境敏感，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，因此必須對其進行防水封裝。

目前，經過學界的不懈努力，鈣鈦礦電池已經過了1萬小時的持續光照實驗，以這個數據來計算，取全國平均日照時長4h，那麼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，鈣鈦礦的壽命應遠遠小於6.8年。相比於硅電池的理論壽命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。

儘管我國擁有碘資源，但儲量僅約4,000噸，年產量（2012年）大約600噸，只佔全球碘總產量的2.14%。因此，我國每年都要從國外進口大量的碘。例如，2014年我國進口粗碘4344噸。我國每年用於生產碘鹽的碘在200-300噸之間，由智利進口，國家提供補貼。

相對而言，鉛資源的狀態比較客觀，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國儲量佔全世界的87%，其中澳大利亞佔比最大為40%，中國佔16%，美國佔6%，秘魯佔8%，墨西哥佔6%，俄羅斯佔11%；其他地區佔13%。

數據來源：金屬百科《鉛資源儲量分布及產量》

儘管目前看來，資源佔有量對鈣鈦礦電池的發展暫不構成影響，但實現量產後，資源的供給是不容忽視的問題。

環境友好

「環境友好型」是產業發展的重要標籤，這不僅關係到從業者與用戶的健康，還關係到國家的支持與推廣力度。由於含鉛材料對環境的不友好性，研究者們在努力實現無鉛化，但相應會帶來電池轉換效率的降低。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，遠低於CH3NH3PbI3的1.55 eV，可以使吸收光譜發生紅移。採用CsSnI3作為光吸收材料，並加入SnF2作為添加劑也以減少缺陷密度，提高載流子濃度，進而提高電池效率。這兩種替代的吸收材料的吸收光譜發生明顯紅移，可以吸收更寬波段的入射光。

從解決環境污染但又不犧牲電池轉換效率的角度出發，科學家提出了另一種思路，即回收汽車電池來提供鉛源。由於汽車電池中的鉛源具有相同的材料特性（如晶體結構、形貌、吸光性和光致發電性）和光電性能，既提供了鈣鈦礦材料製備所需的鉛源，又解決了廢舊含鉛電池無法妥善處理的問題，因此具有一定的實際應用價值。

應用端

針對光伏材料的應用方面而言，目前市場上主流的光伏板、薄膜所應用的領域不盡相同，多晶硅的性價比以及單晶硅的高轉化率各有優勢，前者多用於大型電站以及分散式光伏，後者則更加適用於分散式應用，薄膜產品應用的領域較為廣泛，可以靈活運用於建築與外設產品中，但低轉化率時常被詬病。

鈣鈦礦的優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，現在都是稀缺的資源。就鈣鈦礦電池目前的技術水平而言，建設同等裝機量的工程，鈣鈦礦所需的佔地面積將遠遠大於晶硅產品。事實上，鈣鈦礦目前運用端的可行性與晶硅薄膜產品十分相似，但其穩定性目前還不如晶硅薄膜產品，因此鈣鈦礦電池的實際應用情況目前還不能體現出很強的優勢。

總結

人類在清潔能源上所做的努力，主要從轉化率、穩定性、成本、環境友好等方面進行考量，相對於傳統材料，鈣鈦礦在轉化率、單價方面有很大的突破，但在穩定性與壽命方面仍有很長一段路要走，照目前實驗室數據突破的速度來看，情況較為樂觀，但仍需穩紮穩打，相信克服這兩個難關後，應用端的問題也將迎刃而解，鈣鈦礦將大有可為。

本文由 EnergyTrend 原創，轉載請標明出處。

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