钙钛矿电池：日本发明技术，中国率先量产

2023-06-16 来源：网络内容综合

太阳能作为一种无限的、免费的能源来源，备受关注。其中，光伏技术在太阳能领域中的应用非常广泛，最早可以追溯到1839年。当时法国物理学家Edmund Bequerel在电解液中的镀银铂电极上发现光生伏特（即光伏）效应，这是人类第一次发现光伏效应。

随着20世纪70年代的第一次石油危机，促使发达国家增加了对包括太阳能在内的可再生能源的政策支持和资金投入，光伏行业也逐步从幕后走向了公众视野。我们日常所知的单晶硅、多晶硅太阳能电池也就是在那个时候开始走向市场。截至目前，晶硅占据了光伏市场95%的份额。

不过近几年，一些新型的光伏技术也在实验室中崭露头角，如染料敏化太阳能电池（DSSCs）、有机光伏（OPV）、量子点太阳能电池（QDSCs）和钙钛矿太阳能电池（PSCs）等。这些新兴技术尚未大批量进入市场，但其具有低成本、低能耗、质轻和制造灵活等优点而受到学术界和工业界的广泛关注。

钙钛矿光伏电池的出现，对光伏电池的发展和应用产生了积极的影响。这种新型太光伏电池不仅具有较高的能量转化效率和成本效益，而且还能够减少对传统能源的依赖、降低碳排放、改善环境质量，对于推进全球能源转型和可持续发展具有重要的战略意义。

钙钛矿光伏电池解剖

和晶硅电池相似，钙钛矿光伏电池也是有不同的“层”堆叠在一起，每层有其特殊的功能和作用。

上图中的电池原型包括一个 n 型致密层、一个中孔氧化物层、一个光捕获钙钛矿层、一个空穴传输层和两个电极。PSC 的通用结构和不同的层按指示逐步沉积。

第 1 步：氟掺杂氧化锡 (FTO)/铟掺杂氧化锡 (ITO) 涂层玻璃用作钙钛矿器件光阳极的基板，柔性基底通常为 ITO/PEN。

第 2 步：在其上方，有一层致密的半导体材料，主要是 TiO2，用作空穴阻挡层或致密层，通常通过旋涂或喷涂沉积在 FTO 基板的顶部。它可以防止上面的电子选择层提取的空穴与 FTO/ITO 玻璃接触并抑制复合损失。

第 3 步：接下来是 ETL，它促进电子从光激发的钙钛矿层扩散到 FTO/ITO 玻璃中，从而扩散到外部电路。

第 4 步：钙钛矿层可作为敏化剂或吸收剂或电子或空穴传输器，尽管其主要功能是敏化剂，但旋涂在电子传输层上。

第 5 步：与钙钛矿层相邻的是空穴传输层，它允许激发的钙钛矿中的空穴向金属阴极移动以进行提取。石墨烯结构让空穴传输效率更高。

第 6 步：最后，有一个金属接触层，通常通过热蒸发沉积在太阳能电池的顶部，用作对电极，也称为背接触。

而对于实践应用的钙钛矿组件，还需要将上述钙钛矿光伏电池做进一步的封装。和晶硅组件相似，需要用到封装胶膜和盖板玻璃。

钙钛矿光伏电池工作原理

钙钛矿层吸收阳光，光子中的能量用于激发电子。这种吸收表现为电子从钙钛矿敏化剂的价带边缘（或最高占据分子轨道，HOMO）激发到其导带边缘（或最低未占分子轨道，LUMO），使钙钛矿处于氧化状态，即被从相邻空穴传输层的 HOMO 移动的电子中和。

激发到钙钛矿 LUMO 的电子随后被注入 ETL 的 LUMO，并通过扩散传输到前接触。能级在热力学上以这样的方式对齐，即当来自钙钛矿价带边缘的电子被激发到导带边缘时，它在钙钛矿中留下一个空穴，然后来自 HTL 的 HOMO 的另一个电子可以填充到位。

因此，通过电子和空穴的跳跃运动产生电流。HTL 允许从钙钛矿层提取的空穴通过，并将它们提取到外部电路中。HTL 还用作电子阻挡层并防止任何电子通过。

尽管钙钛矿材料在提高效率方面显示出令人鼓舞的结果，但它们确实存在一些阻碍其商业化的缺点。由于它们由有机阳离子形成，因此易受水分、温度、紫外线辐射和氧气的影响，因此会在短时间内降低太阳能电池的性能，有报道称最大稳定性值刚刚超过1000小时。

日本发明技术，中国率先量产

据日经中文网报道，被视作下一代光伏电池样板的钙钛矿电池正成为各国能源转型的重要推手，但这种日本首先发明的技术，却在中国率先实现了量产。

钙钛矿型光伏电池轻薄、可弯曲，同时也可以设置在墙面及车顶，这是传统硅光伏电池无法实现的。由于制造工序简单，涂上材料晾干即可使用，价格也比硅光伏电池便宜一半左右。

这种电池最早是由日本桐荫横滨大学的特聘教授宫坂力所发明，非常适合山区多、难以大规模铺设传统光伏电池板的日本。但目前，这种电池在量产技术上领先的却是中国。

由于在国外申请专利需要大量费用，因此宫坂教授只在日本国内申请了部分基础专利，这也使得在日本以外地区生产的企业不需要支付专利使用费，这为中国厂商的量产优势奠定了基础。

而在日本，积水化学工业以及 KANEKA 则计划 2025 年以后量产钙钛矿型光伏电池，东芝和爱信也有商业化的计划。但宫坂表示“本应引领这一领域的日本大型电子制造企业显得行动迟缓”。

国内产业化进度

国内太阳能光伏产业发达，新的技术发展方向吸引众多科研单位参与，过去十年间，先后有近120所大学从事钙钛矿相关技术的研发，拥有专利数量最多的大学是苏州大学；其次是电子科技大学。主要大学专利数排名如下图：

国内企业参与研发的时间略晚，2014年才出现专利申请，参与企业有50多家。其中拥有钙钛矿电池相关技术发明专利数量最多的，是中国华能集团清洁能源技术研究院公司，23件。专利数量位居前列的国内企业还有：宁波吉电鑫新材料、苏州协鑫纳米科技、杭州纤纳光电、蜂巢能源(极电光能)和成都新柯力公司。主要企业有效发明专利数量排名如下图：

在这50多家企业中，已建成钙钛矿太阳能电池小试线的有7家，其中有3家企业已完成100MW级中试线的建成投产。

美国调查公司彭博新能源财经（BloombergNEF）发布的报告显示，企业和金融机构等对可再生能源及核能等低碳能源技术的投资额在 2022 年为 1.11 万亿美元（当前约 7.91 万亿元人民币），创出新高。这其中，中国的投资额为 76 万亿日元（当前约 3.86 万亿元人民币），占比约一半，美国、德国、法国、英国分居 2-5 位，日本则以 3 万亿日元（当前约 1524 亿元人民币）排名第六。

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