Nature钙钛矿领域最新综述：可持续能源正在来临，钙钛矿串联电池争夺霸权

导语：在太阳能领域，一场革命正酝酿。钙钛矿技术的崛起引领着一系列对太阳能电池的全新探索，特别是其串联结构的出现。这意味着不仅仅是硅，太阳能电池的未来可能由更为创新和高效的钙钛矿-硅串联电池来主导。本文深入剖析了这一前沿技术的种种可能性、挑战和市场动态，揭示了这场能源变革的潜力以及各方力量在推动可再生能源未来方面的贡献。随着绿色能源的崛起，让我们一同探寻太阳能的新篇章。

位于德国勃兰登堡州布兰登堡哈韦尔郊区的一家两层楼的工厂，坐落在汽车经销商和五金店之间，充斥着太阳能秘密。在这里，英国公司牛津光伏（Oxford PV）利用钙钛矿制造商业太阳能电池，这种材料是一种廉价、丰富的光伏材料，被一些人誉为绿色能源的未来。工厂周围是荒草丛生和杂草丛生的停车场，对于这样一种潜在的革命性技术来说，这个工厂显得相当不起眼，但该公司的首席技术官克里斯·凯斯（Chris Case）显然对这个地方情有独钟。“这是我梦想的巅峰，”他说。

Rooftop solar panels in China. Tandem cells could boost power density in crowded urban areas. Credit: VCG/Getty

这家公司是十几家公司之一，押注于钙钛矿最终将全球向可再生能源的过渡推向快车道。一些基于钙钛矿的太阳能产品已经在市场上，但今年的一些公告表明，将有更多的产品加入市场。例如，牛津光伏表示，最终用户应该能在明年年中左右购买到由其生产的太阳能电池板。总部位于首尔的大型硅太阳能电池制造商韩华Qcells于五月表示，计划投资1亿美元建设一条试点生产线，预计在2024年底前投入运营。

硅是太阳能电池板内部的主要材料，占95%。牛津光伏、Qcells等公司并没有打算取代硅，而是在硅基底上层叠钙钛矿，创建所谓的串联电池。由于每种材料吸收不同波长的阳光能量，串联电池的潜在发电效率可能比单独使用硅电池高出至少20%；一些科学家预测效益更大。随着钙钛矿-硅串联电池接近市场，激动情绪甚至漫过头条，预测这种“革命性”的“奇迹材料”即将“改变世界”。然而，现实是，该行业在转变太阳能市场的过程中面临至少两个重大挑战。

首先，已发表的研究显示，与硅相比，钙钛矿在潮湿、高温甚至光照条件下的性能下降更快。牛津光伏表示已经做了私人研究，解决了这个问题。但是，“对于商业生产来说，我会说稳定性仍然是一个关键的挑战，”韩华Qcells公司的晶体和电池研发总监法比安·费尔蒂希（Fabian Fertig）表示，他负责公司的钙钛矿-硅串联电池研发。

其次，一些分析师认为，至少在短期内，钙钛矿对太阳能增长来说并不重要。在过去的十年里，硅模块变得异常便宜而高效，中国公司继续以惊人的速度扩大制造能力。截至2022年，全球太阳能发电装机容量约为1.2太瓦（TW），为全球电力总量提供约5%。能源战略家建议，到2050年，世界将需要75 TW的发电容量以实现气候目标。这要求到2030年中期的安装量超过3 TW，但硅光伏行业预计能够实现这一目标，使其成为少数按计划推进的绿色技术领域之一（见“太阳能的扩张计划”）。

钙钛矿支持者表示，这种额外的电力产能可能会弥补串联电池的额外成本，尤其是在城市拥挤或工业用地空间有限的地区。“我们最初的需求最大的来自公用事业，因为他们根本没有足够的可用土地，”凯斯表示。

来源：文献1

“我们拥有的技术绝对足够在全球范围内产生尽可能多的太阳能电力，”瑞士苏黎世的咨询公司BloombergNEF的太阳能分析师珍妮·查斯（Jenny Chase）表示。因此，钙钛矿将迎来其最大的考验：与太阳能市场上那个以残酷经济著称的PV市场的交锋。

打破记录

对钙钛矿的热情一直得到其性能显著提升的支撑，通过调整晶体和由其制成的太阳能电池的组成，取得了显著的进展。2009年，由一种名为甲基铵铅碘化物的简单钙钛矿制成的电池仅将太阳能能量的3.8%转化为电力。如今，仅由钙钛矿材料制成的电池的效率纪录达到26.1%。这仅比硅电池的冠军稍微低了一点（见“钙钛矿效率提升”）。此外，钙钛矿电池需要非常薄的吸光层，而所涉及的材料通常价格低廉且丰富。支持者认为，如果钙钛矿电池能够像硅电池一样大规模生产，它们将具有更低的能源和材料足迹。

来源：美国国家可再生能源实验室

然而，这些创纪录的效率比较并不反映商业现实。实验室中制造的最佳钙钛矿电池通常比邮票还小——目前的领先者接近芝麻大小——它们可能只能在几天或几周内运行，然后性能就会下降。它们通常是通过滴送材料溶液到旋转盘上的过程制造的，这个过程被称为旋涂，这对大规模制造来说是不切实际的。“大多数非常高效的报告中都包含一些明显会导致不稳定的组件，” 牛津大学联合创始人和首席科学家亨利·斯内斯（Henry Snaith）表示。将它们制造成大尺寸并将其整合到太阳能电池板中，进一步削弱了实际效率。

已经上市的非串联钙钛矿电池提供了相对较低的效率和较短的寿命。总部位于华沙的Saule Technologies生产柔性钙钛矿电池，用于为小型电子价格标签供电或作为能量收集的遮阳帘，全日照条件下的效率为10%，寿命为“数年”。总部位于中国杭州的Microquanta已经交付了足以为其客户提供5兆瓦的电力的钙钛矿太阳能电池板，其效率约为13%，性能降解速度是硅模块的两倍。“在这一刻，我不得不承认钙钛矿还不如硅稳定，”该公司联合创始人兼首席技术官严步一表示。

商业硅电池电池通常比A5纸张大，这些电池组装成2米长的模块，这是更大的电池板和阵列的基石，其效率约为22-24%。这些模块通常配有保证书，保证其在25年后至少保持80%的初始性能——即每年不到1%的效率下降。

这些产品的大多数电池以及几乎所有组成这些产品的硅晶片都是在中国制造的，那里的规模经济和技术改进已经将太阳能电池板的成本削减了约90%（见“太阳能电力成本极低”）。事实上，现在安装硅电池并将其连接到电网的成本比制造硅电池本身还要高。在大多数阳光充足的国家，硅太阳能阵列的寿命发电成本现在通常低至每千瓦时0.03-0.06美元，使其成为大多数国家最便宜的电力来源，查斯表示。

来源：Our World In Data

与硅取得的成功相比，钙钛矿产品不太可能颠覆太阳能电力市场，查斯说：“没有人想要寿命不到25年的太阳能模块。它们根本不值得。”

串联技术

但钙钛矿的支持者表示，串联电池在其他方面优于硅。硅电池的性能接近顶峰：理论预测它们的效率不可能超过29%，实际模块的效率可能在24-27%左右。马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院的光伏研究员托尼奥·布纳西西说：“我们正在接近使用硅的合理极限。”然而，添加钙钛矿电池可使理论最大效率达到大约45%。“这提供了从电池中获得25-50%更多电力的潜力。我认为这是一个令人兴奋的愿景，”科罗拉多大学博尔德分校的钙钛矿研究员迈克尔·麦基希说。

在典型的串联装置中，钙钛矿电池位于硅电池上方；每个电池由多个层组成，所有层都参与将光转化为电力（见“串联太阳能电池解剖图”）。阳光首先照射到钙钛矿上，释放出电子，留下带有正电的“空穴”。电子进入相邻的电荷收集层，然后到电极；空穴则相反方向迁移。类似的过程发生在硅电池中，它更擅长吸收钙钛矿电池错过的低能量光子。通过调整钙钛矿电池的化学成分和纳米尺度工程，取得了性能提升，这迅速转化为更好的串联电池。今年11月初，总部位于西安的中国太阳能巨头隆基宣布已经制造出一个面积为1平方厘米的串联电池，经过独立验证，其效率达到33.9%。

来源：Adapted from Ref. 2

制造商尚未展示商业规模串联电池的这种效率，但牛津光伏在五月宣布了一种在生产线上生产的性能最高的钙钛矿-硅串联电池，效率为28.6%。尽管该设备略小于典型的硅电池，该公司在其勃兰登堡工厂正在制造更大的串联电池，这些电池正在组装成效率约为24%的全尺寸模块，这一数字还在不断上升。

节俭的方法

牛津光伏的制造过程始于主要从中国进口的硅晶片。这些晶片通过一系列类似于连接的冰箱的腔室。在腔室内，离子云以所谓的物理气相沉积过程构建电池的层。这个过程比基于溶液的方法慢，但产生质量极高的薄膜。类似的过程创建钙钛矿电池。

该公司于2016年从德国制造商博世手中购得其勃兰登堡工厂，包括太阳能电池生产设备。“最初，几乎所有东西都是我们通过拍卖或使用的，”克里斯·凯斯兴奋地说。他对太阳能创新的节俭方法可以追溯到20世纪80年代——作为一个热情的20多岁的年轻人，他购买了大量打折的光伏电池，为自己的“太阳能房”构建模块。这种自助式方法在工厂中得以体现：凯斯特别设计了一个框架，使牛津光伏的电池与博世的传统设备兼容。

牛津PV的勃兰登堡工厂生产的串联钙钛矿-硅太阳能电池。图片来源：牛津PV

成品串联电池交付给牛津光伏的客户：主要是欧洲太阳能电池板制造商，他们将电池组装成更大的模块。目前，这些制造商仍在对模块进行自己的测试。可能要到2024年末，才会有任何设备安装到最终用户，其中包括已经订购了模块的一家大型建筑公司和一家能源公司。

在全力运转的情况下，该工厂每年最多可生产50兆瓦的电池——大约500万个。但与中国庞大的硅太阳能工厂相比，它是一个小鱼小虾，后者每年生产数十吉瓦（GW）的电池。由于其小规模运营，牛津PV的串联电池制造成本是硅电池的两倍。

但如果牛津PV也能实现千兆瓦级别的生产，凯斯说，这种价格差异将大幅缩小，从而将串联电池发电的成本降至硅模块以下。

稳定性挑战

从勃兰登堡工厂南行约90分钟车程，在萨尔海姆，牛津PV的竞争对手之一正在测试自己的原型串联电池。在欧洲补贴开始枯竭、亚洲公司崭露头角之前，萨尔海姆及其周边地区是光伏制造的中心，也被称为太阳能之谷。在这里，德国的Qcells拥有一个庞大的光伏研发设施。Qcells的场地没有草坪上的杂草，而是小型机器人割草机在地面上蜿蜒行驶，保持草坪整洁，然后返回到使用太阳能供电的车库。

在该场地的一个巨大建筑内，Qcells进行“加速老化”测试，以检查其硅模块是否牢固——包括将模块密封在潮湿、桑拿般的条件中约四个月，暴露于明亮的模拟阳光和人工冰雹的袭击。尽管这些测试是行业标准，Qcells以使用特别极端条件而自豪。他们对串联电池进行类似的测试，结果用于预测在现实世界使用多年后电力输出将如何下降。

稳定性测试的细节可能决定钙钛矿串联电池的成败。钙钛矿效率记录成为头条新闻，但只有在过去几年中，研究人员才开始在其稳定性方面取得重大进展。堪培拉的澳大利亚国立大学的钙钛矿研究员何平·申说：“实际上，稳定性是瓶颈。”尽管钙钛矿在接触空气或水时有降解的恶习，但通过将串联电池封装在不透水的涂层中，可以防止这种情况，这在太阳能行业很常见。但与硅不同，钙钛矿还具有内置的降解机制，封装无法解决。例如，一些钙钛矿离子在操作过程中可能会移动，或者逃逸到相邻层。这可能产生缺陷，使电子和空穴在转化为电力之前重新结合，浪费了产生它们的能量。光和热往往会加剧这些降解机制。

为了保持钙钛矿离子处于正确的位置，研究人员对它们的组成进行了微调，并向电池添加了纳米厚的保护层。这些措施是否有效是欧盟1900万欧元（2070万美元）PEPPERONI项目的一个关键任务，该项目是2022年11月启动的一个学术与产业合作伙伴关系，其中包括Qcells。这个为期四年的项目旨在开发效率达到26%、在30多年的时间里可靠运行且适合大规模制造的串联模块。如果这些模块能够大规模生产，费尔蒂希说它们应该能够以每千瓦时0.025欧元的典型成本发电，与硅光伏相竞争。

“材料、成分、工艺，一切都朝着技术在不久的将来能够大规模应用的方向发展，”柏林工业大学的钙钛矿研究员史蒂夫·阿尔布雷赫特说。他还领导了柏林能源与材料赫姆霍兹中心的一个团队，该中心参与了PEPPERONI项目。

尽管加速老化测试提供了有希望的结果，但串联模块的真正测试是将其安装在户外，监测其多年的性能。到目前为止，只有少数户外研究的结果已经发表，其中大多数来自学术团体而不是商业化串联电池的公司。“数据真的很少，”在沙特阿拉伯的阿卜杜拉国王科技大学的光伏研究员斯蒂凡·德沃尔夫说，他的团队在今年2月报告了串联电池在该国炎热潮湿条件下快速降解的情况4。

Qcells solar modules undergo accelerated testing checks at the company’s test centre in Thalheim, Germany.Credit: Hanwha Qcells GmbH

Qcells太阳能模块在德国萨尔海姆公司的测试中心进行加速测试检查。图片来源：汉华Qcells GmbH

Qcells并未透露有关其户外测试的详细信息，尽管在其萨尔海姆工厂进行了一些测试。至于牛津PV，凯斯表示，该公司进行了加速老化测试和几年的户外测试。这些测试的结果尚未公开发表，但他表示，目前最好的串联电池在首年运行中仅损失约1%的效率，此后下降速度较小。目前，他告诉客户，串联电池的运行寿命应与传统硅模块相当。

尽管人们对钙钛矿中存在有毒的铅表示担忧，但越来越多的研究表明，在良好封装的电池板中，它可能并不构成太大威胁。有人指出，一个标准的硅电池的焊接接触点中含有的铅可能是整个钙钛矿电池的十倍以上。尽管如此，大多数公司仍计划实施回收计划，以管理和回收电池寿命结束的产品。

对于未来的期望

有研究者认为，如果钙钛矿公司的期望能够实现，串联结构提供的更大功率密度可能会受到消费者的欢迎。如果能够实现这一点；并且它是稳定的，那么制造设备或工艺方面的成本不会太高，这将是相当令人振奋的，因为你可能会得到一个成本更低、价值更高的模块。但其中有很多假设。

钙钛矿研究人员相信他们能够将这些“假设”变为现实。他们补充说，屋顶太阳能电池板的业主迫切希望从屋顶太阳能电池中获取更多电力，并可能为能够为他们日益电气化的家庭提供热泵、电动车辆和其他装备的串联结构支付溢价。“屋顶面积现在往往对于家庭需求来说太小了。因此，能够在每平方米放出更多瓦特是一个巨大的优势，”加利福尼亚州帕萨迪纳市Caelux公司的总裁兼创始人John Iannelli表示，该公司正在开发串联结构。

一些研究人员和公司认为，钙钛矿电池可能无需达到硅电池的25年保修期。钙钛矿的进步如此迅速，以至于如果一个模块在其前15年的寿命内性能下降，可以简单地更换为更好的单元。这种更新的策略对于老化的硅太阳能电池场越来越普遍，其中更高效技术的经济效益超过了更换老化模块的成本。

政治考虑也推动了对钙钛矿的投资。在欧洲，更多的可再生能源意味着对俄罗斯天然气供应的依赖减少，而美国正试图减少对中国光伏供应链的依赖，得益于2022年通货膨胀削减法案的支出和减税措施。一些公司认为，实现这一目标的最佳途径是完全避免使用硅。一些公司正在开发全钙钛矿串联结构，其中包含调谐以吸收光谱不同部分的两种钙钛矿材料。“这意味着你的供应链将变得非常简化，”位于加利福尼亚州圣卡洛斯的Swift Solar公司的联合创始人Tomas Leijtens表示，该公司正在研发这种无硅的串联结构。

Swift Solar还是一个名为“Tandems for Efficient and Advanced Modules using Ultrastable Perovskites（TEAMUP）”的美国学术和工业合作伙伴关系的一部分，该合作伙伴关系于今年4月获得了900万美元的美国能源部资助。由McGehee领导，其主要目标是开发具有大于28%效率和每年小于1%性能衰减的钙钛矿-硅串联电池板。在美国从事钙钛矿电池研究的大多数公司要么参与了这个合作伙伴关系，要么参与了另一个项目，该项目今年也获得了美国能源部的资助。由MIT的Buonassisi领导的项目称为“Accelerated Co-Design of Durable, Reproducible, and Efficient Perovskite Tandems（ADDEPT）”。

然而，许多中国公司也在研发钙钛矿-硅串联电池，如果这些设备成功，它们可能会进入市场。例如，Shen表示，隆基有100多人从事钙钛矿研究和开发工作。

Chase表示，“在太阳能制造方面，押注对中国不明智”。她补充说，底线是太阳能电池的效率不再是全球太阳能电力推广的制约因素。相反，太阳能电力的瓶颈是电网基础设施的缺乏以及存储过剩电力的高成本。她认为，在未来十年左右，钙钛矿串联结构是否成功并不重要，除非对其中涉及的公司来说。“我祝他们好运，但不管有没有钙钛矿，太阳能都将是巨大的，”她说。

然而，Snaith不同意硅技术的改进已经使包含钙钛矿的电池市场空间变窄。他说，硅光伏的任何改进都将使串联结构比以往更具吸引力。“我们真的是在硅上构建。如果硅变得更好，我们也会变得更好。”

（来源：《自然》杂志，2023年623卷902-905页）DOI：https://doi.org/10.1038/d41586-023-03714-y