12月26日由《知识分子》主办、能源基金会支持的“新能源科学论坛2023”在北京举行。华中科技大学武汉光电国家研究中心教授、九曜光电创始人陈炜出席论坛并以“新一代光伏技术：钙钛矿太阳能电池”为主题发表演讲。

　　陈炜认为，在“双碳”政策牵引下，未来数十年的光伏市场具备长期持续大幅增长的空间凯时kb88怎么样。虽然短期会受到供给关系的影响有一些内卷，但是长期来看还是会持续向好凯时kb88怎么样。

　　陈炜表示，虽然钙钛矿电池与晶硅电池相比发展时间很短凯时kb88怎么样，但是前者的效率和某些关键性能参数非常具有竞争力，并且钙钛矿电池的工艺流程很短，产业化难度会显著低于晶硅电池凯时kb88怎么样。“钙钛矿电池是一个颠覆性的技术，它没必要陷在晶硅电池的条条框框里面。我相信在未来的2-3年，实验室的效率纪录钙钛矿肯定会超过晶硅。”

　　陈炜提到，钙钛矿电池的寿命问题还在探讨和摸索。短期内钙钛矿产业化还有两个瓶颈，一个是小面积与大面积高效率的不统一；另一个是钙钛矿材料和器件稳定性不足。

　　陈炜认为凯时kb88怎么样，与当前众多钙钛矿光伏企业重视的效率竞赛相比，“公平公开公正的稳定性竞赛更加关键，稳定性的解决关系到钙钛矿未来的成败和它最终实现应用的规模。”

　　首先，讲下大背景，在“双碳”政策牵引之下，太阳能未来的发展不可限量，即使短期内存在供给失衡的情况，但长期来看，会一直向好。因为要实现碳中和，没有办法不大量普及使用太阳能，来规模化取代化石能源。钙钛矿也是在这样的背景下，近几年来受到了投资界的热捧。

　　那么什么是钙钛矿太阳能电池？首先，从钙钛矿本身说起，最早的钙钛矿材料的确就是钛酸钙凯时kb88怎么样，他最早是由俄罗斯矿物学家1839年在乌拉尔山脉中发现的，他有着图上所示的体心立方晶体结构。从此以后，人们将有这种晶体结构的材料都称之为钙钛矿结构材料。那么氧化物钙钛矿在很多领域已经取得了广泛应用，比如压电陶瓷的锆钛酸铅凯时kb88怎么样，还有之前的明星超导材料钇钡铜氧都是钙钛矿氧化物材料。

　　光伏钙钛矿呢凯时kb88怎么样，是由卤素离子取代了O离子，Pb Sn取代了Ti离子，体心位置由有机的甲脒、甲胺和较大的Cs离子占据了原来Ca离子的位置凯时kb88怎么样。它是一大类拥有钙钛矿晶体结构的卤化物材料。其离子半径按照下面的公式，必须满足一定的系数范围之内，这种晶体结构才可以稳定存在，否则就会变成没有光活性的物质。由于卤化物钙钛矿具有一部分离子晶体特征，它可以溶解在极性溶剂当中，因此，它可以溶液加工。它还可以由多种元素组合，连续调变光学带隙，所以赋予了它非常丰富的光电特性。

　　从结构演进可以看到，最早的钙钛矿电池是染料敏化太阳能电池的一个变种延伸，它把钙钛矿作为吸附剂，附在纳米TiO₂（二氧化钛）的表面，利用纳米TiO₂网络来传递电子，由空穴传输材料传导空穴。牛津大学的Henry snaith（亨利·斯奈斯）最早抛弃了介孔TiO₂，这种发现就是基于钙钛矿薄膜自身既可以穿电子，也可以传空穴的双极导电特性决定的。把电子传输层放在下面，就是现代正式结构钙钛矿电池的原型。反式结构则是把空穴传输层和电子传输层颠倒了一下次序凯时kb88怎么样，电子流向与正式结构电池正好相反凯时kb88怎么样。

　　除了上述单结的钙钛矿电池，钙钛矿还可以与晶硅凯时kb88怎么样，还有窄带隙的钙钛矿构成叠层电池。它们利用两种不同带隙的材料吸收不同波长的光，最大化利用太阳能，从而打破太阳能电池的理论效率上限，从33%提高到42%。目前钙-硅叠层效率记录和钙钛矿-钙钛矿叠层效率记录都由中国研发团队取得。

　　钙钛矿与晶硅相比，诞生的时间要晚的多凯时kb88怎么样，但在很多技术性能指标方面有很多优势特色凯时kb88怎么样。比如钙钛矿实验室极限效率已经与晶硅非常接近，超过了商业化多年的CdTe（碲化镉）、CIGS（铜铟镓硒）薄膜电池。同时，由于钙钛矿材料用量低很多，纯度和能耗低很多，所以钙钛矿的极限成本会显著低于晶硅。钙钛矿唯一的弱点就是寿命不够长。

　　从这张图可以看到钙钛矿是新一代光伏技术中取得效率突破最快的，并且通过叠层技术，还可以甩开晶硅电池一大截。

　　钙钛矿的产线流程也非常短，这里面的工程技术的难度比晶硅要简单很多。不像晶硅，无论是硅料、硅片，还是电池片和组件都具有一定的技术门槛，钙钛矿从化学原料出发，通过简单的几个膜层制造就可以获得高效的组件。

　　之前说钙钛矿材料成本低凯时kb88怎么样，大家可能不能体会清楚，但这个能量回收周期对比，大家可以看得很清楚。就是制造这个太阳能电池所需要的能量，靠晶硅发电要约1-2年才能收回来，而钙钛矿只需要3个月。由于供给关系上下游没打通，钙钛矿暂时还比较贵，但这个Energy Payback time（能量回收期）不会骗人，钙钛矿未来必然是个极端便宜的技术。

　　总结一下，这个太阳能电池的性能三角。目前钙钛矿量产效率与晶硅相比还是差一些，成本也更贵，但是通过持续的研发投入，量产效率和成本必然会降到它应该达到的位置，量产效率追上晶硅，成本显著低于晶硅，这些都必然会实现。唯一的技术风险在于，钙钛矿到底能用多少年？有些科学家的理想预期是，通过一些年的努力，钙钛矿有望达到10-15年的使用寿命。

　　那么一个超廉价，寿命较短的钙钛矿是否能够具有商业竞争力呢？我个人判断是可以的。这是一个地面电站利润计算表，如果我们把效率够高，成本足够低的钙钛矿组件带入进去，把更换组件的成本也计算进去，用两个钙钛矿组件拼出来25年的使用寿命，钙钛矿也可能取得经济优势。

　　钙钛矿大规模商用的主要障碍，第一就是量产效率不够高，钙钛矿电池在实验室0.1c㎡的尺寸才能做到26%以上，而产线上下来的组件，目前最高也就是18%-19%。虽然与晶硅相比还略差凯时kb88怎么样，但与当年汉能搞的CIGS和目前中建材的CdTe相比，这个进步速度已经很快了。它也只是一个工程放大的问题凯时kb88怎么样，难一点的在于溶液涂布做大面积钙钛矿薄膜凯时kb88怎么样，湿法涂布光伏半导体薄膜这在半导体的历史上都没出现过，所以还需要一点时间去改进优化。

　　另一个问题就是之前说的，寿命短的问题，因为钙钛矿是低温结晶的有机无机杂化的材料，在光热作用下，钙钛矿会缓慢地分解。这个跟高温熔炼的硅完全不一样。

　　这是目前企业的产能规划情况，跑得快的几家公司100MW产线已经建成，目前在做一些MW级的示范电站，且好几家都在布局GW级的产线建设。

　　这是这几家所谓头部公司的产品展示。除了这些以外，目前传统光伏巨头隆基等也都开始搞钙钛矿研发。新能源企业宁德时代和比亚迪也在布局钙钛矿。最近，面板行业巨头京东方也进军钙钛矿，他们的很多工业设备流程跟钙钛矿很类似。还有能源行业五大四小里面的中核能和华能也亲自下场做。

　　钙钛矿太阳能电池其实有好几级市场，其中室内用的太阳能，钙钛矿是没有任何技术瓶颈的，且没有对手。户外用的消费电源，对寿命要求不高，钙钛矿也容易胜任。更大的市场在于光伏建筑一体化和地面电站，需要技术要素的进一步成熟才能规模应用。

　　所以钙钛矿的技术路线，目前是反式单结更容易实现高效率、稳定性的兼容，更容易量产。

　　所以凯时kb88怎么样，规划产能最大的钙钛矿初创企业里面有一半都是在做反式单结，而这里面有两家企业，由我的学生担任创始股东和CTO（首席技术官）。

　　华中科技大学武汉光电国家研究中心教授、九曜光电创始人陈炜 （图片来源：知识分子）

　　我们团队，长期针对面向应用的瓶颈，选择反式钙钛矿技术路线进行持续攻关。在获得反式钙钛矿更高的基础效率、更高的稳定性和大尺寸工艺放大方面取得了一些实质性的进展。到目前为止已经获得了12份效率认证报告和1份稳定性认证报告凯时kb88怎么样。目前反式电池效率超过26.8%，小组件效率达到22.7%，这两项正在保送国际效率记录表。

　　国际上反式钙钛矿第一篇Science(《科学》，世界权威的学术期刊之一)和第一个效率记录是我发表的。这里面的氧化物界面材料目前仍然是反式钙钛矿电池产业化不可或缺的。

　　基于上面的技术原型，我们近期找到更高效的界面材料，与合作者在今年再次发表Science论文凯时kb88怎么样。

　　此外，钙钛矿材料体系也获得了发展，这种FACs钙钛矿是目前产业界广泛使用的最高效稳定的材料钙钛矿体系，我们在这方面持续取得效率突破。近期的权威认证效率达到26.8%，远超目前的国际效率记录26.1%。

　　稳定性是最大的瓶颈，我们发展了一种能耐钙钛矿腐蚀的电极材料，在元素周期表中非常特殊，是别的金属电极材料无法相比的。

　　基于惰性金属电极和强阻隔封装，我们把钙钛矿的光热分解可以最大程度上限制住凯时kb88怎么样，光热分解反应就不会发生，使得电池的光热稳定性大幅度提高。看这个图可以发现，钙钛矿本来在160°C显著气化分解，但通过我们的改造后，分解温度提高到了250℃以上。

　　在工艺放大方面，我们开发了可以在空气环境下涂布制备的配方，取得国际领先的大面积组件认证效率。

　　作为技术储备，我们还开发了钙钛矿-钙钛矿叠层电池，目前的认证效率仅次于南京大学团队，国际前三名。

　　下一步，要解决钙钛矿的稳定性问题，一是要让钙钛矿经受足够长时间的光和热的考验，试验标准要加速建立起来，户外长期测试要做起来，确保钙钛矿能在户外稳定使用10-15年。这些标准，晶硅光伏里面是没有的。对于1000度以上结晶的晶硅来说，50℃光照和75℃光照是没什么差别的，但对100度结晶的钙钛矿来说，影响非常大。

　　我们在完成充分的技术积累以后，在武汉成立了一家公司，对相关技术进行产业转化，我们的技术是完整闭环的，包括高效稳定的界面材料，空气中钙钛矿成膜工艺，独一无二的Bi电极材料体系，还有高可靠的封装技术。

　　我们在效率指标、稳定性指标可以对标国际最好的水平，都是进行过第三方权威认证的。并且凯时kb88怎么样，我们也尝试过户外实测，扛过武汉最热夏天，效率都无衰退。

　　我们公司会采取积极但稳健的扩张策略凯时kb88怎么样，先把满足使用需要的产品分阶段推出市场，看市场反应再根据需求扩大产能凯时kb88怎么样，最终进入地面电站的主战场。地面电站场景的成熟，我个人判断还需要5-10年的时间，需要上下游通力合作打通各个环节，争取5年小成，10年大成，这样的时间维度去考虑比较现实。

　　此外，我们也对外提供一些稳定性测试装备产品凯时kb88怎么样，对外开展稳定性认证服务。相比于效率竞赛，公平公开公正的稳定性竞赛更加关键，稳定性的解决关系到钙钛矿未来的成败和它最终实现应用的规模。我们有能力有意愿在这里做一点自己的贡献。

　　为加强科研合作，我们为海内外科研人员专门开通了钙钛矿科创合作专业科研交流微信群 。加微信群方式：添加编辑微信pvalley2019，备注： 姓名-单位-研究方向（无备注请恕不通过），由编辑审核后邀请入群。锆钛酸铅陶瓷可靠性凯时kb88怎么样激光泵浦极高频通信