近日，眾多高校實驗室紛紛爆出喜訊：上海交大韓禮元教授團隊發聲，團隊歷時3年在大面積高質量鈣鈦礦薄膜制備的基礎上，開發了有效面積36.1cm2的鈣鈦礦電池模塊，在國際認證機構首次獲得了12.1%的認證效率。這一成果的出現意味著未來鈣鈦礦光伏技術有了走出實驗室、實現大規模產業化的可能。

　　華中科技大學自主研發出的新型鈣鈦礦太陽能電池正在積極準備量產，華科大團隊已經獲得超過16%的光電轉換效率，每峰瓦成本還僅為傳統太陽能電池的1/5，每平米預計成本將低至100元。

　　光電轉化率

　　提及新的光伏材料，首先要考慮到的就是光電轉化率，有同學會問，為什么上述兩則新聞中所提及的鈣鈦礦太陽能電池的光電轉化率相差4個百分點。

　　這樣的數據差是由于如下幾個原因：

　　第一，鈣鈦礦電池的光電轉化率與其電池面積及厚度有直接關系，依靠現有制備薄膜的技術，鈣鈦礦薄膜的面積越大，越容易出現瑕疵，電池的效率就越低。超過20%國際認證效率的鈣鈦礦太陽能電池模塊面積只能達到0.04至0.2平方厘米，頂多像米粒那么大，上海交大所提出的12.1%是在面積為36.1cm2的前提下。

　　第二，在這種鈣鈦礦ABX3結構中，A為甲胺基(CH3NH3)，B為金屬鉛原子，X為氯、溴、碘等鹵素原子。由于相對復雜的晶體結構對A、B、X三個位點上的原子(或基團)半徑有著較高的要求，鈣鈦礦吸光材料的組成比較固定。最近一些研究組用甲咪基取代A位上甲胺基，使帶隙變窄(1.48eV)，獲得了更高的光電流。對于B位上的Pb原子，當Sn原子替換Pb原子后，目前尚未見有光電響應的報道。而X位上的原子，目前可以選用氯、溴、碘等鹵素原子，但只有以碘為主的鈣鈦礦有合適的帶隙，可以獲得高轉換效率。除了CH3NH3PbI3之外，CH3NH3PbI3-xClx也是目前研究較多的材料。在保持能級結構基本不變的情況下，少量氯元素的摻雜可以提高電子遷移率，顯示出了更加優異的光電性能。因此，部分元素的改變也對光電轉化率影響深刻。


　　目前在高效鈣鈦礦型太陽能電池中，最常見的鈣鈦礦材料是碘化鉛甲胺CH3NH3PbI3，它的帶隙約為1.5eV（理論研究表明，能隙在1~1.5eV的材料，對太陽光的吸收效率最高，典型的鈣鈦礦ABX3的能隙大多落在這個范圍），消光系數高，幾百納米厚薄膜就可以充分吸收800nm以下的太陽光。而且，這種材料制備簡單，將含有PbI2和CH3NH3I的溶液，在常溫下通過旋涂即可獲得均勻薄膜。上述特性使得鈣鈦礦型結構CH3NH3PbI3不僅可以實現對可見光和部分近紅外光的吸收，而且所產生的光生載流子不易復合，能量損失小，這是鈣鈦礦型太陽能電池能夠實現高效率的根本原因。

　　成本

　　一、單價

　　談完轉化率，接下來首要考慮的就是成本問題。在世界上主要有3種類型的太陽能電池中，最貴的是多結太陽能電池，這種電池用于衛星、無人機等，光電轉換效率高達46%，但造價昂貴；最常見的是晶硅太陽能電池，用它做成的光伏發電面板隨處可見，光電轉換效率約在18%，每平方米造價為500元至700元；其次，是以漢能為代表的薄膜太陽能電池，它的特點是薄，厚度為晶硅電池的1/10，轉換效率約為10%—12%，其明星產品“漢瓦”定價為1390元/平方米。而鈣鈦礦每平米預計成本將低至100元。

　　下圖是三種光伏材料的光電轉化率與價格對比圖。鈣鈦礦屬于第三種：高效薄膜技術。



作者： 來源：EnergyTrend 責任編輯：wutongyufg