令人兴奋的新型太阳能材料能否像宣传那样如期而至？

Mary

研究人员过去在实验室中测试钙钛矿太阳能电池时，需要一双像样的跑鞋：这些材料分解得十分之快，以至于科学家们得在细胞降解之前，通常要在几分钟内就把细胞从它们被制造出来的地方转移到做测试的地方。

（来源：《麻省理工科技评论》）

长期以来，研究人员们一直着迷于钙钛矿，并承诺将生产出廉价且超高效的太阳能电池。到现在，已经有几家公司在大规模生产商业钙钛矿太阳能电池方面取得了重大进展。

但这种材料的不稳定性却会对它们通往屋顶和发电厂的道路造成威胁，尽管一些公司表示他们已经解决了这个难题，至少他们可以在年内将初产品推向市场，但有一些研究人员仍然对此持怀疑态度。

" 人们想听到我说‘我确信这会很稳定，而且会很有效率，我们将征服世界，’ " 美国国家大学可再生能源实验室的钙钛矿研究项目负责人约瑟夫贝里（ Joseph Berry）说，" 我内心的有一部分是相信这一点的，但我作为科学家的那一部分会说‘我没有数据（可以支持这个说法）’。"

钙钛矿是合成材料，价格低廉，即使要投入量产也比较简单。用于光伏的常见钙钛矿通常类似于甲基铵卤化铅，但钙钛矿家族包括数千种具有相同晶体结构的材料。如果被涂覆在柔性底座上，它们可以生产出轻巧且可弯曲的薄膜太阳能电池。

虽然近几十年来出现了几种新的光伏材料，但没有一种材料能在以硅为主的市场上产生较大的影响，而硅则存在于大约 95% 的现有太阳能电池中。

一些钙钛矿公司如位于华沙的 Saule 科技，正试图完全抛弃硅来生产这种电池。这家成立于 2014 年的公司开发了一种喷墨打印工艺，用于制造包裹在柔性塑料中的钙钛矿太阳能电池。包含 Saule 生产的电池的面板重量仅约为相同尺寸的硅面板的十分之一。

5 月，Saule 开设了一家每年可生产约 40000 平方米面板的工厂，这足以产生大约 10 兆瓦的电力（一些生产硅电池的工厂则要大数百倍）。

虽然钙钛矿有可能达到高效率（仅钙钛矿电池的世界纪录刚过 25%），但当今大多数性能最佳的钙钛矿电池都很小：它们通常不到一英寸宽。

扩大规模使得钙钛矿达到潜在的效率极限变得更加困难，Saule 目前的面板有一米宽，可达到 10% 左右的效率。这与类似尺寸的商用硅面板相形见绌，商用硅面板的效率通常可达到 20% 左右。

Saule 的创始人兼 CTO 奥尔加马林奇维兹（Olga Malinkiewicz）表示，该公司的目标是推出一种仅用到钙钛矿的太阳能电池，如果该技术足够廉价，那么效率较低的话其实并不重要。

Saule 正在试图涉足硅太阳能电池板无法实现的领域：无法承受沉重的玻璃封装面板重量的屋顶，或者更具有针对性的应用，例如该公司目前正在进行测试的太阳能百叶窗。

当 Saule 正推出面向更多职业应用的薄膜产品时，其他公司也希望在这场同硅的竞争中击败或至少加入他们，总部位于英国的牛津 PV 正在将钙钛矿结合到钙钛矿 - 硅电池中。

由于硅可以吸收光谱红端的光，而钙钛矿可以调整以吸收不同波长，因此在硅电池顶部涂覆一层钙钛矿可以使组合电池达到比单独使用硅的电池更高的效率。

牛津 PV 的组合电池既沉重又坚硬，就像纯硅电池一样。由于它们的尺寸和形状相同，新电池可以轻松地被插入屋顶阵列或太阳能农场的面板中。

图 | 牛津 PV 结合钙钛矿和硅来制造出高效太阳能电池（来源：《麻省理工科技评论》）

牛津 PV 的首席技术官克里斯凯斯（Chris Case）表示，该公司目前专注于降低电力的平准化成本，这是一个评价系统安装和生命周期运营成本的指标。

虽然在硅上涂抹钙钛矿会增加制造成本，但他表示，随着时间的推移，组合电池的平均成本将会低于单独用硅，因为这些新电池效率更高。牛津大学在过去几年中为这种类型的电池创造了多项效率世界纪录，最近的一次达到了 29.5%。

中国的杭州纤纳光电科技有限公司也从硅太阳能电池中汲取了一些线索，该公司正在使用由钙钛矿制成的刚性玻璃封装电池制造面板。

纤纳光电的 CTO 颜步一表示，该公司的试点工厂于 2020 年开业，预计到 2021 年底产能将达到 100 兆瓦，目前他们在中国各地的几座大楼和太阳能发电场上都安装了示范面板。

在几年的时间里，钙钛矿的稳定性已经从几分钟提高到几个月。但是我们现有的大多数硅电池都有大约 25 年的保修期，这可能是钙钛矿根本无法达到的目标。

钙钛矿对氧气和水分特别敏感，因为它们这会干扰晶体中的键以阻止电子有效地穿过材料。研究人员一直致力于通过开发反应性较低的钙钛矿配方和寻找更好的包装方法来提高钙钛矿的使用寿命。

牛津 PV、纤纳光电和 Saule 都说他们已经解决了稳定性问题，至少销售他们的第一批产品可以成功发售。

估量太阳能电池的长期性能通常是通过加速测试来完成的：将电池或面板置于额外压力的条件下以模拟多年的磨损。户外硅电池最常见的测试是一套被称为 IEC 61215 的测试。

牛津 PV 和纤纳光电均通过了一系列电池性能相关的测试。马林奇维兹说，Saule 已经通过了一些测试，但他们仍在进行其他测试，比如湿度测试。

通过完整的测试通常意味着硅太阳能电池板将至少能使用 25 年，但研究人员并无法确定相同的相关性是否适用于钙钛矿等新材料。

牛津 PV 筛选了构成钙钛矿族的数千种化合物中的一些，来试图找到更稳定的配方。该公司拒绝透露性能细节，但凯斯表示，他们 " 绝对 " 预期自己的产品具有与硅电池相似的使用寿命。该公司于 2019 年 12 月在中欧的屋顶上安装了测试面板，凯斯表示，到目前为止，包含钙钛矿层状电池的面板表现出了与他们安装用于比较的商业硅面板相同的退化速率。

纤纳光电的颜步一表示，他们公司于 2020 年 2 月在户外安装了测试电池，这个电池如今仍能达到与安装时相同的峰值功率。

图 | 纤纳光电正在中国各地的建筑物和太阳能发电场展示其太阳能电池板（来源：纤纳光电）

为了提高其产品的稳定性，Saule 对电池中的金属触点以及钙钛矿层进行了更改。马林奇维兹说，Saule 的第一代塑料封装钙钛矿电池将提供至少 10 年的性能保修。虽然硅电池的使用寿命更长，但她希望更低的价格和更简便的安装过程能够说服客户接受更短的使用寿命。

一些研究人员并不相信这些说法，" 据我所知，稳定性问题目前还没有得到很好的解决，" 印第安纳州普渡大学钙钛矿研究员雷锡安窦（Letian Dou）说。窦表示，尽管这些材料通过 IEC 61215 等外部测试是有希望的，但我们也很难了解这些公司在做什么，因为他们对材料开发十分保密，

窦的实验室是最近被选中接受美国能源部资助的几个实验室之一，他们正试图解决该技术的一些遗留问题。2021 年 3 月，该部门拨款 4000 万美元用于支持钙钛矿的研究，其主要目的在于研究提高这些材料的稳定性并使其更易于制造的项目。

尽管钙钛矿电池获得了更多的资金和关注，但只有时间才能证明它们能否与硅竞争或共存。尽管如此，研究人员对他们提供更便宜、更容易获得的太阳能的前景也持有乐观的态度，" 各种迹象看起来很好，" 美国国家可再生能源实验室的贝里说。

而且，他又补充说，即使经过多年的研究，在这个领域工作的公司仍然必须接受一些不确定性。" 如果你想做领头羊，" 他说，" 你将不得不冒一些风险。"