虽独具特色，但仍存短板
钙钛矿电池距离商业化还有多远？
◎本报记者 滕继濮 韩 荣
钙钛矿电池，自“出生”就“天赋异禀”，得到了广泛的关注。其不仅可以做得更加轻薄，还具有低成本和易制备的优点以及弱光效率高的优势。
光伏电池是一种通过光电效应将太阳能转化成电能的装置，具有广阔的发展和应用前景。钙钛矿太阳能电池(以下简称钙钛矿电池)作为一种新型的光伏电池，也在近年逐渐崭露头角。近日，科技部等九部门联合印发《科技支撑碳达峰碳中和实施方案(2022—2030年)》，也对钙钛矿电池这一新型电池有所提及。
那么，什么是钙钛矿电池？其相比传统太阳能电池有哪些不同之处？未来将有哪些应用场景？科技日报记者就此采访了多位深耕于钙钛矿电池领域的专家。
结构形似“三明治”的新型光伏电池
钙钛矿电池由染料敏化电池演化而来，指采用钙钛矿材料作为吸光层材料的电池。
作为新一代太阳能电池，钙钛矿电池工作原理与传统太阳能电池并无不同。它的结构形似“三明治”，典型结构有5层。两个电极就像三明治的两片面包分别位于最外层，由外向内挨着电极的是空穴传输层和电子传输层，而钙钛矿层则居于最中间。
当太阳光照在钙钛矿电池上，太阳光光子能量大于带隙时，钙钛矿层吸收光子产生“电子—空穴对”。电子传输层将分离出来的电子传输到负极上；空穴传输层则将与电子分离的空穴传输到正极上，进一步在外电路形成电荷定向移动，从而产生电流，实现光能向电能的转换。
北京理工大学材料学院教授陈棋这样形容钙钛矿电池的工作原理：“如果说太阳能电池本身是一间教室的话，男同学和女同学则是电子和空穴。当光照到太阳能电池，就好像下课铃响起了一样。这时，男同学就会排队从后门出来，女同学就排队从前门出来，从而形成电荷定向运动。”
钙钛矿电池有三大突出优势
钙钛矿电池因材料特殊，自“出生”就“天赋异禀”，得到了广泛的关注。
2016年《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》中就提及，要“加强钙钛矿、染料敏化、有机等新型高效低成本太阳能电池技术研发”。
重庆大学物理学院教授、博士生导师邓业浩表示，相比市场上常见的晶硅太阳能电池，钙钛矿电池有三大突出优势。
首先，钙钛矿材料本身的吸光能力强。在太阳光的主要波长下，钙钛矿材料的吸光能力可达晶硅的10倍以上。因此，在太阳能转换效率相当的情况下，钙钛矿电池可以做得更薄。“这将极大地拓展产品形式，丰富应用场景。”邓业浩说。
其次，钙钛矿电池具有低成本和易制备的优点。邓业浩说：“钙钛矿材料是一种合成材料，其原料本身没有稀有金属，并且可以通过溶液制备。因而钙钛矿材料的制造成本较低，制备容易。”
最后，钙钛矿材料还具有弱光效率高的优势。在阴天弱光的条件下，钙钛矿材料不仅可以吸收短波光，还可以将能量转化效率保持在相对稳定的状态。钙钛矿材料的这一特点使得钙钛矿电池作为一种薄膜型光伏电池，不仅可以做成单层电池，理论上还可以叠加在各种电池材料表面，形成叠层电池，从而有效提高太阳光的利用效率。
邓业浩表示，从目前实验室测得的结果来看，经过几十年发展的晶硅太阳能电池的最高转化效率为26.7%，而目前钙钛矿电池的转化效率就已经可以达到25.7%，钙钛矿电池未来可期。
走出实验室还需补齐两个短板
尽管在理论上、实验室中钙钛矿电池有相当大的优势，可是从产业化角度来看，钙钛矿电池仍处于萌芽状态。这是由于其本身存在两个短板，即稳定性较差和大面积应用时的效率损失。
首先，是稳定性较差这一问题。
陈棋表示，尽管在实验室中，钙钛矿电池可以实现较高的光电转换效率。但其在实际应用中，仍受到诸多条件的制约。
北京曜能科技有限公司董事长孙于超表示，业内正在从多方面努力，以解决钙钛矿电池面临的问题。以稳定性问题为例，解决该问题最直接的一种手段，就是针对钙钛矿材料本身的改性。即通过结构设计、元素替换、添加掺杂等手段，让材料本身变得稳定，提高材料的本征稳定性。另一种可行的手段，是通过工艺和工程手段隔绝外界的不稳定因素，即隔绝水、热等环境因素，从而减少乃至避免外界不稳定因素对于材料和器件的影响。
对此，中国科学院电工研究所太阳电池技术研究部主任王文静表示，从外围手段隔绝不稳定因素，尚需经过大量的室外验证。据了解，目前已报道的钙钛矿电池其最长工作寿命往往只能达到几千小时，远低于晶硅电池。
除了稳定性问题外，大面积应用时的效率损失问题是钙钛矿电池的另一短板。
“在效率上，其实钙钛矿电池完全可以进行商业化应用。但是如何从实验室的小面积，扩展到实际应用场景中的大面积，是其商业化需要面临的一个严峻挑战。”王文静坦言，目前实验室里制造的钙钛矿电池只有指甲盖大小，与市场需要的太阳能电池在尺寸上相距甚远。
钙钛矿材料本身的结晶时间短，生产中的工艺窗口时间只有几秒，造成了生产上的困难。除此以外，在制备钙钛矿电池的过程中，一个坏点、一个灰尘都有可能影响整个电池面板的效率，影响了其大面积应用时的效率。
“目前来看，钙钛矿电池制备技术需要解决如何让钙钛矿的薄膜更加致密平整，以及如何保证环境清洁，避免灰尘等因素干扰提升良品率两个问题。设计更为先进的制备技术，能有效保证钙钛矿电池在大面积应用时的效率。”王文静说。
我国钙钛矿光伏技术未来可期
尽管钙钛矿电池有诸多不确定性，但学界不少专家仍对其未来持乐观态度。
陈棋表示，目前我国在钙钛矿电池的学术研究和产业研究上，具有两个最大的优势：一是研究群体大，国内研究钙钛矿电池的企业、机构远比国外多；二是国内有非常巨大的产业基础，光伏市场和光伏制造业在中国呈现蓬勃之势。
“我国钙钛矿光伏技术的未来，可谓前途无量。”陈棋说。
在钙钛矿电池的未来应用方面，孙于超表示，钙钛矿技术最有价值的应用场景是在大规模光伏发电领域。钙钛矿在与晶硅结合组成叠层电池后，可以大幅提高现有光伏组件的发电效率，从而进一步降低发电成本，加快对于传统化石能源的替代，助力我国“双碳”目标实现。此外，钙钛矿电池的厚度仅为晶硅电池的千分之一，柔性轻便的特质使其具有丰富的应用场景，例如用于穿戴式发电装置、光伏玻璃建筑一体化、野外临时发电设备等，甚至可以运用于太空发电。
奋战在钙钛矿电池领域多年，孙于超和科研团队见证了钙钛矿电池从不为人知，到渐渐走入大众视野。在得知《科技支撑碳达峰碳中和实施方案(2022—2030年)》中提及“要研发高效稳定的钙钛矿电池”后，孙于超兴奋地表示：“钙钛矿电池的好时候到了！”