新式太阳能电池：绿色能源未来将至？

原文作者：Mark Peplow

致力于将钙钛矿-硅“串联”光伏商业化的企业表示，这种电池板效率更高，将带来更廉价的电力。

中国的房顶太阳能电池板。在拥挤的城市，串联电池可提升能量密度 | VCG/Getty

在德国哈弗尔河畔的勃兰登堡郊区，在一家家汽车经销商和零部件商店中，坐落着一栋两层的工厂，里面满是太阳能发电的秘密。正是在这里，英国Oxford PV公司正在用钙钛矿（perovskites）生产商用太阳能电池：这种光伏材料廉价且充足，一些人将之推崇为绿色能源的未来。工厂周围是杂乱的草坪和杂草丛生的停车场，对于潜力如此巨大的能源转换技术，这个“摇篮”实属简陋，但Oxford PV的首席技术官Chris Case可喜欢这里了：“这就是我种种梦想的顶点。”他说。

包括这家公司在内，有十余家企业都投注于钙钛矿已然准备好推动全球向新能源狂飙突进。市面上已有了几种新开发的钙钛矿基光伏产品，而2023年宣布的种种消息显示，其它许多产品也已准备好投入市场。例如，Case表示，预计2024年年中左右，终端用户就能采购到Oxford PV的太阳能电池板。2023年5月，大型硅太阳能电池生产商——韩国的韩华Qcells公司（Hanwha Qcells）表示，计划投资1亿美元建造试点生产线，预计2024年年底前可投入使用。

95%的太阳能电池板都以硅为主要材料。Oxford PV、 Qcells等企业并未用其它东西取代硅晶电池，而是在硅晶电池表面叠加一层钙钛矿电池，由此得到的电池即称为串联电池（tandem cells）。因为每种材料可以分别从不同波长的阳光吸收能量，所以串联电池的发电量或能比单一的硅晶电池多至少20%；部分科学家估计还不止于此。

推崇钙钛矿电池的人认为，与硅晶电池相比，串联电池增加的发电量不仅足以抵消其多出的成本，而且在拥挤的城区或工业区特别有优势，在这些区域，空间是首要问题。“我们最大的初始需求来自公用设施，他们就是没有足够的土地可用。”Case说。

随着各种钙钛矿-硅串联电池日益接近投入市场，媒体头条也弥漫着兴奋的气息，预言一种“革命性的”“神奇材料”即将“改变世界”。但现实是，要改变太阳能市场，钙钛矿-硅串联电池业界至少面临着两大挑战。

首先，已发表的研究显示，暴露于潮湿、高温环境甚至光照下时，钙钛矿的性能衰退速度远大于硅。Oxford PV宣称已完成解决该问题的私人研究。但Fabian Fertig表示，“对于商用量产，我会说，稳定性仍然是一个关键问题。”他是Qcells的晶圆和电池研发主任，负责领导Qcells的钙钛矿-硅串联电池开发工作。

其次，一些分析人士认为，钙钛矿（至少在短期内）对太阳能的发展并不会有多大影响。过去10年间，硅晶电池模块已经相当廉价而高效，不仅如此，中国企业也在以惊人的速度不断扩大产能。2022年，全球太阳能电产能已达约1.2太瓦，太阳能发电量占总发电量的5%。能源战略学家认为，到2050年，全球太阳能电产能需达到75 太瓦，才能实现气候目标。为此，2030年代中期前，每年必须新增3 太瓦以上的太阳能装机产能，[1]预计硅光伏行业能实现这一目标，也因此，硅光伏成为了少数几种进展顺利的绿色技术领域之一（见“太阳能的扩张计划”）。

来源：参考文献1

“我们目前的技术，绝对足以在全球范围内产生尽量多的太阳能电力。”瑞士咨询公司BloombergNEF的太阳能分析师Jenny Chase说。

因此，钙钛矿电池将面临最大的考验：在竞争激烈的光伏市场，遭遇残酷的经济战。

打破了的纪录

人们一直对钙钛矿电池抱有热情的原因在于，通过微调晶体的成分，以及用其制作的太阳能电池的成分，钙钛矿的性能有了大幅改进。（“钙钛矿”指一种天然矿物的晶体结构；太阳能电池使用的钙钛矿是结构与之相仿的人工晶体，多种材料均可制造。）

2009年，使用甲基碘化铅（一种简单的钙钛矿）制造出的电池，只能把3.8%的太阳能转化为电能。如今，仅用钙钛矿材料制作的电池，光电转换率的最高纪录是26.1%。这个数字与硅晶电池的最高转换率差距远小于1%（见“钙钛矿光电转换率的增长”）。不仅如此，钙钛矿电池所需的吸光层非常薄，且所用材料非常廉价、充足。因此，推崇钙钛矿电池的人认为，假设钙钛矿电池的生产规模与硅晶电池相当，其能耗和材料留下的碳足迹会更少。

来源：US Natl Renewable Energy Lab.

不过，上述最大转换率的比较，与实际商用中的效率是两回事。实验室造出的最佳的钙钛矿电池，往往比一张邮票还小（目前领先的仅芝麻大），而且工作仅几天或几周后，性能就会明显衰退。制造这种电池的方法一般是把原材料的溶液滴到旋转的金属板上，但这一称为旋涂法（spin coating）的流程无法用于大规模量产。“报告了极高效率的方法，大多数都含有某些一定会造成不稳定的因素。”英国牛津大学的Henry Snaith说。Snaith也是Oxford PV的合伙创始人和首席科学官。量产大型电池并将其集成入太阳能板的可行性仍存在问题，进一步制约了其在实际应用中的效率。

已成功投入市场的非串联钙钛矿电池，则有效率较低、寿命较短的问题。波兰的Saule Technologies公司生产的柔性钙钛矿电池用于为小型电子价签供电，或用作收集能量的遮阳帘，该电池在阳光充分照射下的光电转换率为10%，且“能使用数年”。中国的杭州纤纳光电有限公司（Microquanta）已交付发电量达5 兆瓦的钙钛矿太阳能电池板，其客户包括当地的一家水产养殖场。这种电池的光电转换率在13%左右，且性能衰退速度比硅晶电池快一倍。“得承认在眼下这个时候，钙钛矿还不像硅那么稳定。”纤纳光电有限公司的共同创始人、首席技术官颜步一说。

单个商用硅晶电池一般比A5纸大一些，多个电池组装成长2米的模块，再由模块组成更大的电池板和电池阵列；单个模块的光电转换率约为22-24%。一般地，此种模块能确保使用25年后的性能仍有最初的80%，换言之，每年的效率折损不足1%。

大多数太阳能电池，以及几乎所有制造太阳能电池的硅晶圆，都是中国制造的。自2009年钙钛矿电池首次推出以来，中国通过规模经济和技术改进，已把太阳能电池板的价格下压了约90%（见“太阳能价格已相当低廉”）。如今，比起生产太阳能电池，成本更高的其实是组装硅晶电池板并将其接入电网[2]。据Chase介绍，一般，太阳能硅晶电池阵使用寿命内的发电成本只有0.03-0.06美元/千瓦时，因此，在大多数阳光充足的国家，太阳能已是最廉价的电力来源。

来源：Our World In Data

Chase表示，比起硅晶电池的上述成功经历，钙钛矿产品很难颠覆太阳能市场：“没人想要一个用不满25年的太阳能模块。它不划算。”

串联技术

不过，推崇钙钛矿的人指出，串联电池有其它比硅晶电池优越的地方。硅晶电池的性能正在接近上限：理论预计，其光电转换率超过29%后就再难显著上升；实用场景下，硅晶电池模块能达到的光电转换率峰值在24-27%左右[3]。“用硅能达到的实际性能正在触及天花板。”美国麻省理工学院光伏研究员Tonio Buonassisi说。但是，为硅晶电池添加钙钛矿电池，则最大光电转换率理论上能达到45%左右。“这样，我们从电池板获取的电力就可能多出25%-50%。我觉得这是个让人激动的前景。”美国科罗拉多大学博尔德分校的钙钛矿研究员Michael McGehee说。

一般的串联电池中，钙钛矿电池堆叠在硅晶电池上方；每个电池都由数层组成，每一层都在光电转换中发挥着作用（见“串联太阳能电池剖面图”）。阳光首先照射到钙钛矿层，从钙钛矿材料中释放电子，留下正电性的“空穴”。然后，电子进入邻近的电荷收集层，再继续向前来到电极；“空穴”则向相反方向移动。这一过程也在硅晶电池内部发生，硅晶电池更善于收集钙钛矿电池遗漏的低能量光子。调整化学反应和纳米级的钙钛矿电池工程技术，带来了性能的改进，因而迅速产生了性能更好的串联电池。2023年11月初，总部位于中国西安的太阳能巨头隆基绿能公司（LONGi）宣布制造出了仅有1平方厘米的串联电池，其经由独立认证的最高光电转换率为33.9%。

来源：据参考文献2绘制

尚未有哪家企业量产的商用规模的串联电池效率能达到这样的效率，但2023年5月，Oxford PV宣布，他们将向生产线投放性能最高的钙钛矿-硅串联电池，其光电转换率为28.6%。虽然这种电池比一般的硅晶电池略小，但该公司的勃兰登堡工厂正在制造更大的串联电池，用于组装成光电转换率约24%的全尺寸模块，且其光电转换率还在继续上升。

省钱的办法

Oxford PV的量产流程从处理硅晶圆开始，主要从中国进口。这些晶圆会经过类似多个冰箱结合的一系列车间。其内部用离子云造出电池各层，这一制备过程称为物理气相沉积，它的速度不如液相法，但能产出质量极高的薄膜。制造钙钛矿电池的流程也类似。

勃兰登堡的这座工厂是Oxford PV在2016年从德国生产商博世公司（Bosch）处买下的，内有生产太阳能电池的全套设备。“起初，我们的设备基本都是通过拍卖或收二手搞定的。”说到这里，Case兴高采烈。早在1980年代，他就开始想法节约开发太阳能电池的开支了。那时他还是20多岁的热血青年，用折扣价买下了大量光伏电池板，为自己的“太阳能房屋”建造电池模块。勃兰登堡工厂可谓处处贯彻着这种自力更生的省钱方略：例如，Case要求造了特制的框架，这样一来，Oxford PV的电池就能与博世留下来的设备匹配了。

串联电池成品会交付给Oxford PV的客户：大多数是欧洲的太阳能电池板生产商，他们会把电池组装成更大的模块。目前，这些生产商仍在各自对模块进行测试。可能要到2024年底，公司才能为终端用户安装好电池，这些客户包括一家大型建筑公司，以及一家已下了模块订单的能源公司。

Oxford PV公司勃兰登堡工厂生产的串联钙钛矿-硅太阳能电池。|Oxford PV

勃兰登堡工厂若开足马力，每年生产的电池功率总量能达到50兆瓦，即约500万个电池。但是，比起中国广泛分布的太阳能硅晶电池厂，这座工厂实在无足轻重——中国电池厂的年生产总量以吉瓦计。而且因为规模小，Oxford PV量产串联电池的成本比硅晶电池高一倍。

但Case表示，如果Oxford PV的产量也能达到吉瓦级，价格差距就会迅速减小，串联电池的发电成本也会随之压到比硅晶电池更低的水平。

稳定性的挑战

从勃兰登堡工厂以南驱车约90分钟，会到达塔尔海姆。Oxford PV的一位竞争对手正在这里测试自己的电池原型。在欧洲的补贴开始枯竭、亚洲企业统治太阳能市场前，塔尔海姆及其周边地区曾是光伏量产的中心，被称为“太阳能谷”。在这里，Qcells有一处规模庞大的光伏研发厂。Qcells的研发厂没有丛生的杂草，而是配备了小型除草机器人，它们逡巡在一片片草坪上，把草修剪得整整齐齐，然后回到自己的太阳能车库。

在这座研发厂的其中一座大楼内，Qcells对产品进行“加速老化”测试，以考验其硅模块产品的耐用性。测试方法包括把模块封装在桑拿房般潮湿的环境中4个月左右、把模块暴露在明亮的模拟阳光下，还用人造冰雹猛烈砸向模块（虽然这些测试都是工业标准的，但Qcells引以为傲的是，他们的测试环境非常极端）。Qcells也对串联电池进行类似测试，利用测试结果预测这种电池实际投入使用后，发电量随使用年份增长而减少的情况。

稳定性测试的具体情况，既可能成就也可能阻断钙钛矿串联电池的发展。钙钛矿的一项项转化率纪录牢牢占据了头条，但直到过去几年，研究人员才开始在电池寿命方面取得显著进展。“真正的瓶颈还是稳定性。”澳大利亚国立大学光伏研究员Heping Shen说。

虽然钙钛矿有接触空气和水会分解的毛病，但这可以通过覆盖上隔绝空气和水的外层来预防，这种办法在太阳能行业很常用。但与硅不同的是，它的内在分解机制不能这样解决。例如，电池工作时，钙钛矿的一些离子会四处运动，或逃逸到邻近的电池层，可能导致一些缺陷，使得电子和空穴还没来得及转为电能就重新结合，产出两者的能量也就浪费了。光和热可能加剧此类退化。

为让钙钛矿的离子留在正确的地方，研究人员对它们的成分做了精细调试，为电池添加了厚度仅以纳米计的保护层。证明这些方法行之有效，是欧盟PEPPERONI项目的关键任务之一。该产学合作项目投入金额约1900万欧元，于2022年11月启动，Qcells也是参加者之一。项目为期4年，旨在开发光电转换率达26%、性能维持30年以上、适合大规模量产的串联模块。Fertig表示，如果这些模块能大量生产，就能让通常的发电成本低至0.025欧元/千瓦时——这个价格比起硅太阳能电池就很有竞争力了。

“这些材料、原料和过程，所有这些的发展都将使得技术在不远的未来积累出非常大的体量。”德国柏林工业大学的钙钛矿研究员Steve Albrecht说。Albrecht也带领德国亥姆霍兹柏林能源与材料研究中心的一个团队参加了PEPPERONI项目。

加速老化测试虽然成果喜人，但最真实测试还是要直接把串联模块安装在户外，逐年监测性能。迄今为止，已发表的户外研究成果仅有寥寥几项，且多数出自学术团体，而非把串联电池商业化的企业。“现在的问题就是数据没有多少。”沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学的光伏研究员Stefaan De Wolf说。他的团队于2023年2月报告，在沙特炎热、潮湿的环境下，一种串联电池的性能迅速衰退[4]。

Qcells的太阳能模块在该公司位于德国塔尔海姆的测试中心接受加速老化测试 | Hanwha Qcells GmbH

Qcells尚未公布过户外测试细节，虽然在塔尔海姆工厂已经进行了一些户外测试。至于Oxford PV，据Case介绍，公司已经开展了加速老化测试和两年的户外测试。他说，综合来看，这些测试（结果尚未发表）显示，最好的串联电池在使用的头一年内效率仅会降低约1%，此后效率降低的速度还会更慢。目前，Case告知客户，串联电池的使用寿命和传统的硅模块差不多。

虽然有人担忧钙钛矿电池中含有有毒的铅元素，但越来越多的研究认为，只要做好电池板的外保护层，问题就不大[5]。还有人指出，一块标准硅晶电池板焊接点的含铅量就比一整块钙钛矿电池板高10倍。尽管如此，大多数企业仍规划了回收项目，以管理和回收使用寿命到期的电池板。

许多“假如”

Chase认同，如果钙钛矿电池企业的希望成真，串联电池更大的能量密度会在消费者中大受欢迎。“如果这点能做到，且产品性能稳定，而且量产的设备和流程成本也都不高，将会非常振奋人心，因为你可能拥有成本更低、价值更高的模块。不过，这里头有很多‘假如’。”

推崇钙钛矿的人对把这些“假如”变成现实很有信心，他们补充说，家用太阳能用户极度渴望能用房顶电池板上多发一点电。他们的家居电气化程度越来越高，如果串联电池能为家中的热泵、电动车等设备供电，他们有可能为之多掏些钱。“当前，一般房顶的面积还是太小，不足以满足家用需求，因此，如果每平方米电池能多产出些电量，那就是很大的优势。”美国Caelux公司创办人、总裁John Iannelli说，这家公司也在开发串联电池。

有研究人员和企业认为，钙钛矿电池或许不需要向硅晶电池确保的25年使用寿命看齐。钙钛矿电池的改进太迅速了，如果模块性能在投入使用后的15年内衰退了，用更先进的模块取而代之即可[6]。在年头较久的硅晶太阳能发电场，模块迭代已经越来越司空见惯，因为效率更高的技术产生的经济效益已经超过了旧模块拆换的成本。

政治考量也在驱使人们增加对钙钛矿电池的投资。对欧洲而言，可再生能源增加，对俄罗斯天然气供应的依赖程度也就会降低；由于2022年《通胀削减法案》（2022 Inflation Reduction Act）中支出和税收见面政策，美国也正力图减少对中国光伏供应链的依赖。一些企业认为，为达到上述目的，最好的办法就是彻底避免使用硅晶电池。数家企业正在开发全钙钛矿串联电池，这类电池含有两种钙钛矿材料，吸收不同波长的阳光。“这就可以让供应链大大简化。”美国Swift Solar公司合伙创始人Tomas Leijtens说。该公司正在研发此类不含硅的串联电池。

Swift Solar也加入了美国一项名为“使用超稳定钙钛矿的高效先进模块串联系统”（TEAMUP）的产学合作项目，该项目于2023年4月从美国能源部获得了900万美元的资助。项目由McGehee牵头，主要目标是开发光电转换率超过28%且每年下降不超过1%的钙钛矿-硅串联电池板。大多数致力于钙钛矿电池的美国企业，要么参与了这项研究计划，要么参与了2023年能源部资助的另一个项目——由麻省理工学院Buonassisi牵头的“加速共同设计耐用、可复制和高效的钙钛矿串联（ADDEPT）” 。

很多中国企业同样在开发钙钛矿-硅串联电池，如果这些电池开发成功，将做好投入市场的准备。例如，据Shen介绍，隆基绿能有超过100名员工正从事钙钛矿的研发。

“我认为，与中国赌太阳能制造非常不明智。”Chase说。她补充说，归根结底制约全球太阳能发电的瓶颈不再是太阳能电池板的效率，而是缺少太阳能适用的电网基础设施，和储存超量生产电力的电池成本太高。Chase指出，未来10年左右，钙钛矿电池是否成功并不重要——当然，对投身其中的公司除外。“我祝他们好运，但有没有钙钛矿电池，太阳能的规模都会很庞大。”

不过，Snaith并不认为硅晶电池技术的改进压缩了含钙钛矿电池的市场空间。他表示，硅光伏技术的所有改进都会同时让串联电池受惠，使之具备前所未有的更大吸引力：“我们的电池真的就是造在硅晶电池基础上的，如果硅晶电池能更好，我们也能更好。”

参考文献

[1]Haegel, N. M.et al.Science 380,39-42(2023).

[2]Duan, L. et al. Nature Rev. Mater. 8, 261–281 (2023).

[3]Ehrler, B. et al. ACS Energy Lett. 5, 3029–3033 (2020).

[4]Babics, M. et al. Cell Rep. Phys. Sci. 4, 101280 (2023).

[5]Wan, J. et al. Solar Energy 226, 85–91 (2021).

[6]Jean, J., Woodhouse, M. & Bulović, V. Joule 3, 2824–2841 (2023).

原文以A new kind of solar cell is coming: is it the future of green energy?标题发表在2023年11月29日《自然》的新闻特写版块上

© nature

doi: 10.1038/d41586-023-03714-y

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