钙钛矿太阳能电池的发展现状和未来趋势

胡浙鲁 ,  冉晨鑫 ,  张辉 ,  晁凌锋 ,  陈永华 ,  黄维

工程（英文） ›› 2023, Vol. 21 ›› Issue (2) : 15 -19.

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工程（英文） ›› 2023, Vol. 21 ›› Issue (2) : 15 -19. DOI: 10.1016/j.eng.2022.10.012

钙钛矿太阳能电池的发展现状和未来趋势

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The Current Status and Development Trend of Perovskite Solar Cells

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胡浙鲁,冉晨鑫,张辉,晁凌锋,陈永华,黄维. 钙钛矿太阳能电池的发展现状和未来趋势[J]. 工程（英文）, 2023, 21(2): 15-19 DOI:10.1016/j.eng.2022.10.012

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1、 引言

“碳中和”策略是解决当前面临的能源危机和日益严峻的环境问题的重要手段。目前，人们已经采取了造林、节能、减排等措施来抵消国家、企业、产品、活动或个人产生的二氧化碳和其他温室气体的排放[图1（a）]，最终实现净零排放的目标。根据最新的全球发电量分布数据[图1（b）]，大部分电力（61.3%）仍由化石燃料（煤、天然气、石油）产生[1]。尽管可再生能源是消除碳排放的主力，但可再生能源（如太阳能、风能、水力发电、地热能和生物质能）仅占能源总量的27.7%。因此，为实现“碳中和”目标，需要优化世界能源结构[1]。可再生能源发展迅速，装机容量从2000年的754 GW增加到2020年的2799 GW。在所有可再生能源中，太阳能光伏发电（PV）由于其源源不断的能量来源（即太阳能）和快速下降的成本表现出最快的增长速度。预计到2050年，光伏发电的成本有望降至0.02美元·（kW∙h）-1。届时，可再生能源将成为电力的主要来源，预计全球86%的电力将来自可再生能源[图1（c）] [2]。此外，预计到2050年，光伏设备的装机容量将超过8500 GW [图1（d）]，将减少4.9 Gt的二氧化碳排放[2]。因此，前景广阔的光伏发电技术既带来了巨大的发展机遇，也迎来了前所未有的挑战，有望为实现“碳中和”目标做出重大贡献。

图1 （a）“碳中和”净零排放的示意图；（b）全球发电量分布数据[1]；（c）2050年全球发电量的发展和预测[2]；（d）2017—2050年按来源划分的发电量和总装机容量[2]。CSP：集中式太阳能发电。

2、 钙钛矿太阳能电池的发展现状

太阳能电池利用光伏效应可将生态友好、取之不尽、用之不竭的太阳能转化为电能，有望满足全球所有的能源需求。为了有效地捕获太阳能进行发电，已经发明、生产和商业化了多种类型的半导体光伏器件，其中，晶硅（c-Si；单晶或多晶）和碲化镉薄膜太阳能电池等技术[3‒4]主导了当前的光伏市场。然而，它们的制造过程通常需要采用高温、高真空工艺，导致了巨大的能源消耗和高生产成本。近年来，卤化铅钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其高效率和低生产成本而受到广泛关注。更具体地说，PSCs的认证效率已达到25.7% [5]，与c-Si太阳能电池相当。PSCs可以通过低温溶液工艺生产，在机械柔韧性和能质比方面具有独特的优势。它们在使用低成本卷对卷制造工艺方面也具有良好的应用前景。此外，具有带隙可调的PSCs可以与其他类型的太阳能电池集成，以构建串联太阳能电池（如钙钛矿-晶硅串联电池、全钙钛矿串联电池、钙钛矿-CIGS串联电池和钙钛矿-OPV串联电池），预计这将降低光伏器件的平准化电力成本（LCOE）。因此，PSCs是平衡组件效率和成本的关键环节，将为“碳中和”的战略目标做出积极贡献。然而，PSCs的光伏发电效率、器件寿命和毒性等问题仍面临诸多挑战性，本文将在后续段落中具体探讨。

2.1 高效率

钙钛矿光伏技术的快速发展为光伏产业带来了新的机遇。光伏发展的重点仍然是成本最小化，提高光电转换效率和稳定性能是实现这一目标的两种最有效途径。尽管目前小面积PSCs的认证效率高达25.7% [5]，但目前的效率水平与太阳能电池效率的理论极限仍有一定差距。目前，最有前景的材料是甲脒碘化铅（FAPbI3）钙钛矿，带隙为1.48 eV（1 eV = 1.602176×10-19 J），接近单节太阳能电池的理想带隙（1.34 eV）；其效率估计超过28% [6]。此外，据报道，大面积PSCs供电模块器件的效率达到22.72%（面积为24 cm2），有望成为商业应用的重要形式[7]。我们有理由相信，钙钛矿模块的效率在不久的将来可以轻松超过23%，达到硅太阳能电池无法比拟的水平。钙钛矿实现量产后，制造成本将有望低于c-Si太阳能电池成本的50%。然而，值得注意的是，大规模生产PSCs的制备工艺与在实验室中制备小面积PSCs的旋涂方法不兼容。因此，已经开发了许多用于大规模制备PSCs的重要手段，包括涂布、刮刀和喷涂印刷等方法。然而，当PSCs组件面积扩大到平方米级时，其器件性能不如c-Si太阳能电池。因此，从小面积元件向大面积元件延伸的性能衰减问题仍然需要引起关注。

众所周知，当前单结PSC很难接近或达到约33%的理论极限效率。然而，令人鼓舞的是，叠层太阳能电池被认为是突破单节理论极限的最有希望的方法之一。根据理论计算得知，两端串联器件的效率达到45%左右，全钙钛矿串联电池的效率达到42%左右，钙钛矿-硅串联电池的效率达到44%左右。串联电池的结构优化和技术创新将加速光伏产业的发展，有望进一步提升器件效率和降低成本（图2）[8]。迄今为止，钙钛矿-硅叠层器件已达到31.3%的认证效率[5]。此外，全钙钛矿串联电池也已实现28.0%的认证效率，这已经超过了单结钙钛矿器件的性能[9]。更令人欣喜的是，孔径面积为20 cm2的大面积全钙钛矿串联模块的效率已超过21%，这表明PSCs在商业化进程中获得了重大进展[10]。此外，值得注意的是，全钙钛矿串联电池的成本明显低于钙钛矿-硅串联电池。

图2 钙钛矿太阳能组件的商业化路径图示[8]。ITO：氧化铟锡；HTM：空穴传输材料；BCP：双环乙酮亚铜；WBG：宽禁带；NBG：窄禁带；BSF：背表面场。

2.2 寿命

无论是单结PSC还是基于PSC的串联光伏器件，稳定性问题都是制约PSCs快速商业化的主要障碍。由于PSCs在商业化之前需要通过国际电工委员会（IEC）61215标准测试，其要求商用PSC的使用寿命要达到25~30年，这是一个艰巨的挑战。因为PSCs器件运行过程中，容易发生有机成分的挥发、离子迁移、离子氧化等问题，导致有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池稳定性崩溃。研究发现，含有咔唑添加剂的钙钛矿-硅叠层太阳能电池可以抑制相偏析，在85 ℃和85%相对湿度（RH）的湿热环境中持续500 h，保持了初始效率的87% [11]。此外，全钙钛矿串联电池窄带隙成分中锡（Sn）的不稳定性导致钙钛矿中形成不可逆的缺陷状态，在器件老化几天后产生了较为严重的非辐射载流子复合[12]。因此，解决Sn2+氧化问题将有助于进一步提升全钙钛矿串联器件的效率，有利于钙钛矿光伏领域的发展。因此，提高PSCs的稳定性对于降低LCOE起着至关重要的作用，对促进PSC商业化进程具有重要意义。

2.3 PSCs成本

一旦PSCs的寿命问题得以解决，在大规模生产过程中降低钙钛矿基太阳能电池的LCOE是一个必须考虑的重要问题。Wang等根据自下而上的成本模型估算，使用寿命为25年的单结PSCs模块的LCOE为0.0348美元∙（kW∙h）-1 [13]，而传统硅组件的LCOE为0.0550 美元∙（kW∙h）-1 [14]。随着钙钛矿基串联太阳能电池的出现和先进的大规模沉积技术（如丝网印刷、狭缝涂布和喷墨印刷）的发展，LCOE将有望进一步下降，这将使钙钛矿基太阳能电池在光伏领域更具竞争力。

2.4 毒性

被广泛报道的高光电转换效率的PSCs通常含有大量的有毒重金属铅（Pb），其严重威胁生态系统和人类健康。由于不可避免的自然因素（环境磨损、火灾、风等），PSCs潜在的铅泄漏风险是实现PSCs商业化的另一大主要障碍。研究发现，适当的物理封装和化学封装涂层是解决铅泄漏问题简单且经济的策略。例如，物理封装方法可以抑制降解PSC中90%以上的Pb2+泄漏，从而提高其环境稳定性[15]。

溶解有机和金属卤化物所涉及的有毒溶剂也需要更多关注。在PSCs制备中使用离子液体等绿色溶剂不仅可以有效减少Pb的使用，还可以去除有毒溶剂，绿色溶剂将有助于PSCs的大规模生产。例如，仅使用0.6 mmol·L-1浓度的PbI2溶液，获得了500 nm厚的薄膜，其至少比所需的传统溶剂用量少了60% [16]。

从老化的PSCs中回收有毒的Pb源被认为是另一种有效控制Pb污染和生产成本的方法。由于透明导电氧化物玻璃基板、贵金属电极和Pb源的成本是PSCs的主要成本，因此重复使用这些组件可以避免不必要的生态污染和资源浪费[17]。未来，拆卸废旧PSCs模块并重复使用其组件以降低能耗将成为发展PSCs的主要趋势之一。

此外，大力开发非铅钙钛矿材料（其中，Pb被Sn、Bi、Ge、Mn、Sb等取代）是实现环保型PSCs商业化的新途径[18]。值得注意的是，基于Sn的非铅PSCs效率最近已接近15%，显示出巨大的应用前景。然而，目前非铅PSCs的效率还远低于大规模商业应用的要求。尽管如此，许多科学家普遍认为，非铅PSCs依然具有广阔的应用前景，有助于推动PSCs的商业化进程。

3、 PSCs的应用场景

由于钙钛矿具有成本低、抗辐射性强、光敏感性高、质量轻、柔韧性好和光电转换效率高等独特优势，PSCs具有广泛的应用场景，并被证明在各种应用场景中具有革命性意义，包括在光伏电站、便携式设备、航空航天、军事设备、建筑光伏一体化（BIPV）和室内光伏（IPV）等方面的应用（图3）。在本节中，我们将简要讨论PSCs在这些应用场景中的机遇和挑战（表1）。

图3 钙钛矿材料优势赋能的钙钛矿光伏器件潜在的应用场景。图片來源：Project Nexus (Public Domain)。

表1 PSCs在各种应用场景中的机遇和挑战

应用 机遇 挑战
光伏电站

1. 低成本

2. 钙钛矿基串联器件的高效率

3. 弱阳光下效率高

1. 规模化生产

2. 长期运行稳定性

3. 真实工作条件下的耐用性

便携式设备

1. 柔韧性好

2. 质量轻

3. 易于集成

1. 开发具有高导电性的柔性基板

2. 弯曲耐久性和操作稳定性

3. 在大面积PSCs上实现高光电转换效率

航空航天

1. 低成本

2. 质量轻

3. 高能粒子辐照下的耐受性高

1. 紫外线诱导PSCs的光降解

2. -185~150 ℃的极端热循环应力

3. 太空的高真空环境下钙钛矿组分易挥发的挑战

军事设备

1. 高能质比

2. 低成本

3. 质量轻

1. 长期稳定性

2. 柔性制造

3. 极端条件和高应力下的耐久性

建筑光伏一体化

1. 半透明条件下效率高

2. 多种颜色可供选择

3. 光致变色或热致变色特性

1. 没有将光伏技术纳入建筑物的全球标准

2. 避免影响热舒适性的要求

室内光伏

1. 弱光灵敏度高

2. 可调带隙以匹配室内灯光

3. 适用于物联网中的自供电设备

1. 铅的毒性

2. 长期稳定性

3. 开发适用于室内光源（1.9 eV）的带隙钙钛矿材料

3.1 光伏电站

尽管PSCs在光电转化效率方面取得了突破性进展，加速了PSCs在光伏发电中的潜在应用，但由于当前难以实现大规模制造和在真实工作条件下的长期稳定性，其在光伏电站的应用仍然面临巨大挑战。为了达到这一目标，光伏行业需要就评估PSCs稳定性的标准化测试协议达成一致。还应开发新的程序来加速真实工作条件下的老化过程，以便准确预测PSCs的寿命。

3.2 便携式设备

近年来，技术革命和耗能便携式设备的进步推动了对轻巧灵活PSCs的需求不断增加，柔性PSCs能够实现将便携式设备和PSCs集成到一个系统中。目前，氧化铟锡/聚对苯二甲酸乙二醇酯（ITO/PET）或聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）基片经常用于生产柔性PSCs，但ITO的刚性会导致薄层断裂，这是反复弯曲后器件性能失效的主要原因。因此，便携式设备PSCs面临的挑战在于开发具有高弯曲公差的导电基板。

3.3 空间应用

最近的研究表明，基于PSCs的上述优点，它们有可能被用于空间环境。然而，空间环境还存在其他危害，如高能辐射、高真空和极端的热循环应力（从-185 ℃到150 ℃）。考虑PSCs在太空环境下的工作寿命是必要且有意义的。为此，需要对PSCs在空间中的应用前景进行认真评估，包括PSCs在极端空间环境下的物理机理，空间环境对PSCs的综合影响，以及如何满足空间光伏的具体要求。

3.4 军事设备

钙钛矿光伏在军事领域的应用，包括无声侦察、无人机搜索和单兵作战等。作为构建个人电源设备的一种手段，柔性PSCs可以提高军事装备的功能和精度。然而，PSCs在军事装置中的应用所带来的主要挑战仍然与PSCs的长期稳定性和柔性制造有关。

3.5 建筑光伏一体化

将PSCs集成到建筑物中，即所谓的BIPV，是利用PSCs作为下一代光伏技术最全面的方法之一。BIPV围护结构必须是半透明或透明的，以允许足够的太阳光进入建筑物，减少对照明能源的需求以及对供暖和制冷负荷的需求。尽管BIPV在降低能耗和温室气体排放方面具有巨大潜力，但主要挑战是在不影响热舒适性要求的情况下实现这些优势。光伏倾斜度、朝向和舒适度是BIPV最显著的特征，缺乏全球性的标准是目前BIPV产业的一大障碍。

3.6 室内光伏

在现代化背景下，数十亿种产品存在自供电设备的需求缺口；因此，随着物联网（IoT）的出现，IPV引起了极大的关注。到目前为止，以发光二极管（301.6 μW∙cm-2）作为室内光源，PSC在其照射下效率超过了40.1% [19]。基于PSCs的IPV还具有许多其他优点，如低成本、大面积制备和高缺陷容忍性，使其可能在不久的将来主导IPV市场。尽管如此，考虑到在物联网中需要大量使用IPV设备，应认真考虑减少铅的使用。此外，即使在相对温和的室内环境中，当前IPV的设备寿命仍然不足以支持其产业发展。

4、 结论

在这个努力实现“碳中和”的时代，PSCs经历了前所未有的快速发展。钙钛矿基叠层太阳能电池的出现为突破效率的理论极限带来了重大机遇。封装技术的不断改进，有效改善了器件稳定性和铅泄漏问题。此外，非铅PSCs的日益发展有利于创造一个更加环保的生态系统。此外，基于PSCs的各种优势，其应用场景得到了极大的拓展，将在越来越多的领域发挥重要作用。尽管在真正实现PSCs产业化之前还有许多困难需要克服，但有理由相信，如果PSCs一如既往地保持当前的发展势头，PSCs的商业化有望在不久的将来实现。

参考文献

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