钙钛矿电池是什么意思？

钙钛矿电池是什么意思

出品：科普中国制作： 薛元彬（安阳工学院）监制：中国科学院计算机网络信息中心近期，一篇利用离子液体提高钙钛矿太阳能电池稳定性的文章发表在了国际顶级期刊《Nature》上。接下来具体说说

钙钛矿是个什么“矿”，太阳能电池“三代目”？

A股是所大学校，身在其中，股民的知识量也在成倍增长，从非洲猪瘟到半导体产业链，从新冠口服药到房地产政策……每一个领域A股股民都不会缺席。但如果要评选近年来高人气的行业，那么光伏板块想必不会缺少拥趸，太阳能电池通过光电效应将光能**为电能，是清洁能源的重要组成部分，一句“你相信光吗”总能一呼百应。

从硅料到组件再到胶膜，光伏产业链每一个环节的企业在二级市场都受到过资金的追捧；晶硅电池、TOPCON、HJT，再到今年的钙钛矿，太阳能电池各种概念也层出不穷。

宝馨科技（002514.SZ） 33个交易日涨超260%， 京山轻机（000821.SZ） 9天7板，2022年高热度的概念中钙钛矿电池注定榜上有名。9月13日，国家发展改*委办公厅、国家能源局综合司发布《关于促进光伏产业链健康发展有关事项的通知》，其中就提到突破高效钙钛矿电池等低成本产业化技术；根据华能清洁能源研究院的消息，10月27日我国推荐钙钛矿标准专题工作组成立，由此看来从政策到行业关注度，钙钛矿电池的有关消息也持续出现。那么被称为第三代太阳能电池的钙钛矿究竟有何魔力而备受青睐？

钙钛矿究竟是个什么“矿”？

只听钙钛矿这个名字，难免联想到是如同硅料那样的光伏产业链上游原材料，但根据一些券商研报，以及某第三方研究院从业人员老张告诉银柿财经，钙钛矿其实并不是一种天然矿石，而是ABX3结构化合物的统称，一般为立方体或八面体结构；能作为钙钛矿化合物A位、B位、X位的材质都有很多种，且均可迭代替换，老张还表示，目前钙钛矿化合物的配方并没有完全确定。

浙江大学高分子科学与工程学系“百人计划”研究员左立见博士在与经纬创投访谈中表示，目前市场主流是基于FAPbI3（甲脒铅碘盐）为主体的钙钛矿，再掺一些杂原子进去，构筑的高性能器件。

太阳能电池进化史，“三代目”钙钛矿？

回顾太阳能电池的发展史，到目前为止基本经历了三代产品。根据银河证券研报《钙钛矿-颠覆者or赋能者？》，靠前代产品晶硅电池目前最为成熟；第二代薄膜电池以铜铟镓硒（CIGS）、碲化镉（CdTe）电池为代表，相比靠前代具有质量轻、转换效率高的优势，但电池活性层材料昂贵且设备成本高等因素限制其大面积制备和商业化；第三代新型太阳能电池因为凭借材料成本低、效率高、工艺流程短等优势成为产业界和学术界热点，主要包括钙钛矿电池、有机太阳能电池等，而其中钙钛矿电池具有载流子寿命长、带隙可调、光吸收单位宽等优势。

中金公司研报《光伏前沿研究一：钙钛矿如何从0到1？》认为，钙钛矿电池的三大优势在于：更低成本、更高效率、更多应用。

更低的成本体现在单晶硅太阳能级纯度要求在99.9999%，而钙钛矿太阳能级只需95%以上即可，大幅降低了对原料纯度的要求和原料提纯的浪费。理论效率方面，单结钙钛矿电池极限转换效率可达33%，高于晶硅电池的29.3%，多结钙钛矿电池或叠层电池效率更有望突破 45%。实验室效率方面，目前钙钛矿电池的实验室*高效率已经达到25.7%，已经非常接近晶硅电池26.7%的纪录。

TOPCON、HJT、钙钛矿分不清？

关注市场的投资者不难发现，2022年，A股市场热捧的太阳能电池概念除了钙钛矿还有TOPCON、HJT，那么这三者之间又有什么不同？对此，银柿财经采访了某私募基金从业人员老李，老李表示，目前占据主要市场份额的是靠前代晶硅电池中的P型单晶硅电池，而TOPCON电池和HJT异质结电池都属于N型单晶硅电池范畴，至于P型和N型的区别则在于导电方式的不同。TOPCON和HJT虽然属于靠前代电池的技术革新，但是和第三代的钙钛矿电池实际上是代际差的区别。

那么身为第三代的钙钛矿是否就一定能替代掉靠前代太阳能电池呢，就目前的状况来看，老李对此持谨慎态度，他表示，钙钛矿现在还是在实验室中试阶段，虽然一些券商研报预测到2026年全国钙钛矿总产能有望突破25GW，但老李认为到那时GW级别的应该也还是属于中试线，想实现大规模量产可能还存在比较大的难度。

先是曾毓群，又来马化腾，能从两位大佬口袋掏钱的钙钛矿太阳能电池是啥？

近日，广西腾讯创业投资有限公司（以下简称：广西腾讯）新增投资昆山协鑫光电材料有限公司（以下简称：协鑫光电），协鑫光电注册资本从约6259.26万元增加至7357.68万元，广西腾讯对协鑫光电持股5.9715%。根据企查查，广西腾讯的对外投资包括云势天下、福瑞达生物、树根互联等。

股权穿透后显示，广西腾讯为深圳市腾讯睿见投资有限公司100%持股，最终实控人为腾讯董事会主席兼首席执行官马化腾。

公开资料显示，协鑫光电成立于2019年底，位于昆山高新区平谦国际现代产业园，注册资本7357余万元，公司专注于钙钛矿太阳能组件的研发、生产，为市场提供1 m × 2 m 尺寸的太阳能组件，目前在建全球首条100 MW 钙钛矿太阳能电池（以下简称“PSCs”） 生产线。

【协鑫光电什么来头？】

2015年，一家名为厦门惟华光能有限公司建成靠前条钙钛矿光伏组件中试产线，产品尺寸45 cm x 65 cm，背电极为碳浆。2016年底，这家公司被协鑫集团并购，并在苏州成立了苏州协鑫纳米科技有限公司，即协鑫光电的母公司。

2019年底，协鑫光电成立，2020年完成由昆高新集团参投的天使轮融资，同年，还分别完成A轮与A+轮融资，投资方分别有凯辉能源基金、协鑫光电和瑞庭投资。值得一提的是，瑞庭投资大股东曾毓群为 宁德时代（300750.SZ）董事长。 2021年，凯辉能源基金又完成了对协鑫光电过亿元的Pre-B轮融资。

自成立后，协鑫光电开始筹建100 MW量产生产线，2021年中旬，完成100 MW量产生产线并进行试生产，计划今年投入量产。据协鑫光电介绍，公司研发团队拥有钙钛矿太阳能电池的核心技术，同时团队在《ChemSusChem》、《ACS Appl. Mater. Interfaces》、《J. Mater. Chem. A》等SCI期刊上发表研究论文数篇。

此外，协鑫光电的母公司苏州协鑫纳米科技有限公司于2017年在苏州建成一条10MW级45 cm×65cm钙钛矿光伏组件中试产线，通过采用自主研发的大面积钙钛矿Slot-die涂布方法，辅以大面积钙钛矿溶液结晶成膜技术和先进的内联集成技术，可批量生产具有商用化价值的45cm× 65cm产品，目前该产品的效率已超过15%，处于同类产品中较高水平。

【 什么是钙钛矿太阳能电池？ 】

记者了解到，根据不同的技术路线，太阳能电池可大致分为：以硅片为基础的电池，如晶硅电池；基于薄膜材料的电池，如非晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜电池、碲化镉以及铜铟硒薄膜电池等；转换效率高的第三代电池，如叠层太阳能电池、单结钙钛矿太阳能电池。

目前，主流的光伏电池为晶硅电池。耳熟能详的 隆基股份（601012.SH） ， 通威股份（600438.SH） 等是晶硅电池的行业龙头。

连互联网大佬都要“掺一脚”，钙钛矿电池究竟有多大的诱惑力呢？它又能否真的掀起太阳能产业链的技术**？

公开资料显示，钙钛矿是一种分子通式为ABX3的晶体材料，呈八面体形状，由于钙钛矿结构的可设计性强，光电转换效率高，其在光伏、LED等领域被广泛应用，近年来，钙钛矿也是光伏产业的热门研究方向。

自光伏技术诞生起，对“降本增效”追求促使这从业者们不断追求技术进步，并不断掀起新的技术变革。效率方面，晶体硅光伏电池的理论极限效率是29.43%，在目前研发的光伏新技术路线中，能突破30%阈值的包括钙钛矿和GaAs（砷化镓）。其中，GaAs双结叠层电池达到了32.8%的实验室*高记录，优于钙钛矿。

虽然理论上钙钛矿并非“状元选手”，但要考虑产业化，就是另一回事情了。由于GaAs技术工艺复杂，原材料价格十分昂贵，低成本大规模量产难以满足光伏商业化要求。 因此，成本更具优势的钙钛矿/HJT叠层电池被认为是突破30%转换效率的最具性价比的技术路线 。 而且钙钛矿对杂质不敏感，通常90%左右纯度的钙钛矿就可以用于制造效率超20%的电池 ；而晶硅对杂质非常敏感，纯度必须达到99.9999%以上才能用于制造。

PSCs 是利用钙钛矿结构材料作为吸光材料的太阳能电池，属于第三代太阳能电池，具有高效率、低成本、高柔性等优势。此外， PSCs 还可通过与 HJT 叠层进一步提升光电转换效率，是未来产业化的重点发展方向。

根据浙商证券研究所资料，单结PSCs当前*高转换效率达25.5%，理论**效率可达33%。单结PSCs指仅有一个PN结的钙钛矿太阳能电池，多结PSCs指有多个PN结的钙钛矿太阳能电池，多结的PSCs光谱吸收效果更好、效率更高，但成本也更高。理论上单结PSCs*高光电转换效率可达33%，多结PSCs*高光电转换效率可达47%，显著高于晶体硅太阳能电池的29.43%。

相比传统太阳能电池， PSCs 不仅理论上具有更高的效率，而且产业化成本更低。目前，1GW的晶硅太阳能电池所需的硅料、硅片、电池、组件产能投资额合计超过9亿元，而根据协鑫纳米披露数据，其建造的靠前条钙钛矿100MW设备产线投资为1亿元左右，1GW的投资仅为5亿元，单位产能投入仅为晶硅的二分之一。

除了产线投资成本具有极大优势， PSCs 的产业链也明显缩短。据 《Solor Magazine》 ， PSCs 产业链仅需要单一工厂就可完成从原料提取钙钛矿前驱液到组件生产和封装。而晶硅则需要从硅料、硅片、电池、再到组件，四各环节需要分别对应不同的工厂。“产业链的缩短对应的是更快的资产周转率，更高的产品附加值和经济效益，同时对于投资而言，产业链短的好处就是资金压力相对较小，风险相对也会小一些。”某私募股权投资基金人士对记者表示。

不过目前，钙钛矿电池尚处于产业化初期，还存在结构不稳定性、良品率不达标等问题。龙焱能源科技（杭州）有限公司市场部负责人敬飞对记者表示：“由于钙钛矿电池的材料特性，其稳定性任尚待解决，离量产还有较长的路要走。”

不含钙，也不含钛的钙钛矿太阳能电池到底优秀在哪？

出品：科普中国

制作： 薛元彬（安阳工学院）

监制：中国科学院计算机网络信息中心

近期，一篇利用离子液体提高钙钛矿太阳能电池稳定性的文章发表在了国际顶级期刊《Nature》上。报道指出离子液体修饰过的钙钛矿太阳能电池在70-75℃的全光谱太阳光照射下连续运行超过1800小时后，最稳定的封装器件的性能仅下降了5%左右；另外，器件下降到其峰值性能的80%所需的时间约是5200小时。该研究为制备在高强度光照条件下，能长期稳定运行的太阳能电池奠定了良好的实验基础，是人类向可靠的钙钛矿光电技术迈出的关键一步。

△图一：离子液体修饰的钙钛矿太阳能电池再登Nature（https://www.nature.com/articles/s41586-019-1357-2#auth-14）

钙钛矿太阳能电池何以成为第三代太阳能电池?

目前，水电、风能、太阳能等可再生能源已成为我国能源结构中重要的组成部分。太阳能是最清洁、最廉价的能源形式之一，因此如何将其转换成更易于使用的电能成为了当前光伏领域的研究热点。

近几十年来，各种材料的太阳能电池层出不穷。杂化钙钛矿材料太阳能电池（下文简称钙钛矿太阳能电池）作为光伏器件领域中的后起之秀，自2009年被发现以来，凭借成本低、柔性好及可大面积印刷等优点，受到了人们的广泛关注。曾被《科学》（Science）期刊评为2013年的十大突破性科技进展之一。在过去的十年里，关于钙钛矿电池的研究发展迅猛，其光电**效率已从初始的2.2%迅速飙升至目前的24.5%，接近硅基太阳能电池的水平。因此钙钛矿太阳能电池有望成为光伏领域这个舞台上的重头戏。

△图二：钙钛矿太阳能电池的效率发展图（图片由作者自制）

钙钛矿太阳能电池，不含钙也不含钛

提到钙钛矿太阳能电池，有人可能理所当然地会想到钙和钛元素，有趣的是 此类太阳能电池中既没有钙也没有钛 。它得名于其中的吸光层材料：一种钙钛矿型物质。

钙钛矿是以俄罗斯矿物学家Perovski的名字命名的，最初单指钛酸钙（CaTiO3）这种矿物，后来把 结构为ABX3以及与之类似的晶体统称为钙钛矿物质。 在今天介绍的钙钛矿太阳能电池中，阳离子A通常是有机离子CH3NH3+、C2H5NH3+等，B通常为二价金属离子，如Pb2+、Sn2+等，X则为卤素阴离子(Cl-、Br-、I-)。这种材料中既含有无机成分，又含有有机分子基团，所以人们将这类材料称作杂化钙钛矿材料。

钙钛矿太阳能电池是一种将光能**为电能的装置，其本质是半导体二极管，发电原理也正是基于PN结的光生伏特现象。 PN结是由一个N型掺杂区（N为Negative的字头，这类半导体由于含有较高浓度的电子，带负电而得此名）和一个P型掺杂区（P为Positive的字头，这类半导体由于含有较高浓度的"空穴"，相当于正电荷，带正电而得此名）紧密接触所构成的，其接触界面称为异质结界面（PN结）。当太阳光照射在半导体PN结上时，会激发形成空穴-电子对（激子）。

△图三：激子形成过程示意图（图片由作者自制）

由光照产生的激子首先被分离成为电子和空穴，然后分别向阴极和阳极输运。带负电的自由电子经过电子传输层进入玻璃基底，接着经外电路到达金属电极。带正电的空穴则扩散到空穴传输层，最终也到达金属电极。在此处，空穴与电子复合，电流形成一个回路，完成电能的运输。

△图四：钙钛矿太阳能电池的构造与运行机理示意图（图片由作者自制）

钙钛矿电池"秀"在哪?

钙钛矿太阳能电池被看作第三代太阳能电池，与传统的太阳能电池相比有着突出的优势。例如，靠前代单晶硅太阳能电池，要求纯度高达99.99%，生产过程复杂且能耗高、污染大；第二代薄膜太阳能电池的生产能耗成本虽然有所下降，但仍需要依赖铜、铟等贵金属，而且还伴随有剧毒的副产物产生。钙钛矿太阳能电池大多采用溶剂工艺，其原料多为液态，能在常温下制备，而且在未来完全可以通过印刷技术制备大面积的柔性太阳能电池以及用于可穿戴智能设备。

钙钛矿太阳能电池距离商业化还有多远？

尽管目前钙钛矿太阳能的光电**效率已经超过了24%，而且在材料成本和制造成本方面均具有显著的市场优势，但器件的稳定性问题一直制约着它的商业化生产，甚至在美国国家能源部可再生能源实验室（NREL）的认证表上被打上了"不稳定"的标签。

在实验室操作过程中，人们发现钙钛矿太阳能电池被制备出来后，若放置于室温环境下，效率会随着时间的增长而衰减。其根本原因在于吸收层所用的钙钛矿材料对水、热、氧环境极度敏感，使得其结构不稳定，易产生不可逆转的降解。目前钙钛矿太阳能电池的寿命远低于硅基太阳能电池（25年），因此 为了实现钙钛矿太阳能电池大规模的商业应用，急需解决其自身的稳定性问题。

以典型的钙钛矿电池材料--CH3NH3PbI3（甲胺铅碘）为例，它在水氧条件下会转变为固态的PbI2晶体和挥发性的CH3NH2和HI气体，对电池器件产生永久性破坏，具体反应过程如下：

△图五：甲胺铅碘的分解反应示意图（图片由作者自制）

为了提高钙钛矿太阳能电池的稳定性，除了 通过替换材料组分或进行化学修饰从本质上提高它的耐湿性外 ，最常用的方法就是 利用封装保护及采用疏水性电极来防止水分对器件的侵蚀 。另外，光照是太阳能电池工作时不可避免的条件，工作条件下连续光照产生的热量会加速钙钛矿的分解和诱发离子迁移。离子迁移问题被认为是导致钙钛矿材料和器件性能衰减的主要原因之一。由于甲胺铅碘材料中的有机基团和卤素离子在常温下也会通过缺陷和晶界实现长距离的迁移，因此找出一种 有效抑制离子迁移 的方法已成为解决钙钛矿材料及器件稳定性问题的关键。

新研究的突破在哪?

此前的研究发现，钙钛矿太阳能电池在光照下的稳定性衰减迅速，并且随光照强度的增加稳定性衰减速度增快。近日《自然》报道的钙钛矿太阳能材料在稳定性方面的 重大突破就是找到了在强光照和热环境中有效抑制离子迁移的方法。 研究发现，用 离子液体 修饰过的钙钛矿太阳能电池在70-75℃的全光谱太阳光照射下，连续运行超过1800小时后，最稳定的封装器件的性能仅下降了5%左右，完全满足室温下稳定高效的光伏器件要求。离子液体作为一种液态离子化合物，不仅可以使得钙钛矿在电子传输层更好地生长，而且它还可以与作为电子传输层的TiO2发生很强的电子相互作用，进而促进电子迁移率。

另一方面，由于含铅材料对环境的不友好性，研究者也正在努力实现无铅化，最直接的方法是利用同族的Sn元素代替Pb元素，但相应会带来电池转换效率的降低。目前有学者提出用废弃的铅制作钙钛矿太阳能电池，以此解决废弃铅的处理难题。然而要完全实现无铅化仍然是钙钛矿太阳能电池领域一个充满挑战的事情。

△图六：钙钛矿太阳能电池有望实现建筑一体化（https://www.freepik.com/premium-photo/vacuum-collectors-solar-water-heating-system-red-roof-house_4284347.htm）

虽然目前在钙钛矿太阳能电池的商业化路途中仍然存在着一些"拦路虎"，但是其突飞猛进的发展速度，以及制作工艺简单、低成本、柔顺性好等优点是毋容置疑的。我们有理由相信随着科学家的不断专研，在不远的将来基于钙钛矿电池的产品就可走进咱们寻常老百姓的生活了，让我们拭目以待吧。

△图七：夕阳下的光伏电站（https://www.freepik.com/premium-photo/solar-panel-colorful-sky-background-sunlight_3855940.htm）

参考文献：

1.Wei D，Ma FS，Yuan HB. Ion‐Migration inhibition by the cation–π Interaction in perovskite materials for efficient and stable perovskite solar cells.Advanced Function Material, DOI: 10.1002/adma.201707583.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201707583

2. Bai S,Gao F.et al. Planar perovskite solar cells with long-term stability using ionic liquid additives. DOI: 10.1038/s41586-019-1357-2

以上就是钙钛矿电池是什么意思？的详细内容，希望通过阅读小编的文章之后能够有所收获！