钙钛矿：太阳能领域的新贵
什么是钙钛矿
钙钛矿（perovskite），这个有点拗口的名字取自俄罗斯矿物学家Perovski，作为光伏材料的钙钛矿，实际上和钙、钛、矿三个字都没太大关系，这是一类与钙钛矿（CaTiO3）晶体结构类似的“ABX3”化合物，被称为继第一代晶硅、第二代薄膜之后的第三代光伏电池技术路线。
相较于当下主流的晶硅电池，钙钛矿具有更高理论效率、更低可期成本的优势，因此对于光伏行业来说，是一种具有革命性的新材料。
图片来源于：Hybrid Perovskites，中泰证券 钙钛矿电池主要分为单结和叠层结构，单结层钙钛矿电池结构是类似“三明治”层状的5层结构，结构简单，理论上光电转换效率可以到达33%，也是我国研究钙钛矿企业的首选。目前钙钛矿最高单结效率已达到25.7%，由韩国蔚山国家科学技术研究所（UNIST）实现。 叠层结构理论效率上限高，全钙钛矿双结叠层转换效率可达45%、三结叠层转换效率可达50%。目前，钙钛矿/晶硅两结叠层电池效率已经达到32.5%，由德国HZB研究中心2022年12月最新认证。 钙钛矿成为太阳能电池代表 钙钛矿为第三代太阳能电池代表：过去在60多年的时间里，已经有三代太阳能电池发展出来。 第一代，以硅材料为基本材料的太阳能电池，是目前最成熟的主流商业电池； 第二代，薄膜太阳能电池，以铜铟镓硒(CIGS)、碲化镉(CdTe)电池为代表，相比第一代具有厚度薄、光电转化效率高等的优势，但部分因素也限制了这类电池的发展，如部分材料储量稀少或有毒性，制备过程复杂等； 第三代，为新型太阳能电池，主要包括钙钛矿太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池和量子点太阳能电池。 诸多优异特性，从诞生起备受关注，成为产业界和学术界热点：钙钛矿电池在2009年才首次诞生，但因其在理论转换效率、发电能力、低生产成本、多应用场景等方面的优秀潜力，在学术界和产业界受到了大量的关注和重视。从2021年到2022年，钙钛矿领域投资额已经接近100亿元。 钙钛矿的主要优势 1、能量转换效率高 在过去相当长一段时间里，晶硅光伏电池都是成本和效率极佳的统一体。相伴而生的，是天然矿物转化太阳能效率的局限性。29.43%的理论极限值，成为晶硅材料“一眼到头”的屏障。 与之形成鲜明对比，钙钛矿则走出了“最陡峭的成长曲线”。2009年，日本科学家首次用钙钛矿光伏电池发电，当时其电能转换效率仅有3.8%。仅仅过去13年，今天钙钛矿电池的实验室效率就已基本追平了晶硅60多年发展才达到的结果，达到了25.7%。 最佳实验室电池效率 根据美国可再生能源国家实验室（NREL）2023年7月10日公布的最新数据，单结钙钛矿太阳能电池的认证效率提升到了26.1%，该成果是由中国科学技术大学的徐集贤教授团队在2023年5月份完成的。这一进展是继2023年3月中国科学院半导体研究所取得的26.0%新纪录的基础上的再次突破，标志着中国科研团队在单结钙钛矿太阳能电池研究领域继续保持领先优势。 2、成本低，制备工艺短 钙钛矿电池原材料均为基础化工材料，相比于晶硅电池的硅料来说廉价易得。除原材料不受限制外，钙钛矿电池制备工艺较短。 此外，钙钛矿材料对杂质敏感度低，对原材料纯度要求也低于晶硅，且可以在低温状态下制备。相比于晶硅1000度左右的高温流程，钙钛矿生产工艺温度不超150度，节省资源的同时，还可降低能耗。 3、应用前景广阔 由于钙钛矿材料特殊的结构，在电站端，钙钛矿电池凭借弱光性以及颜色可定制的特点，满足了长时间发电、透光度以及美观性等市场需求。他们可以包含任意数量的元素，用在太阳能电池当中的一般是铅和锡。相比晶体硅，在BIPV和幕墙、阳光房等领域也拥有广阔的市场空间。 钙钛矿发展前景 钙钛矿材料自涉足太阳能电池领域之初，便将目光牢牢锁定晶硅转化效率的“天花板”，开启一场“效率革命”。 钙钛矿材料在太阳能电池方面的应用，不仅转换效率有明显的优势，在现有技术基础上，进一步完善理论研究、降低成本、提高转换效率和稳定性、优化实验方案及电池结构、推进其工业化，是其必然的发展趋势。 此外，发展适合工业化生产的电池制备工艺也是十分必要的。优异的性能和低廉的成本必能使钙钛矿太阳能电池成为硅电池的有力竞争者，在未来能源结构中占有重要的地位。
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