Sean O’Neill

2020年12月，硅/鈣鈦礦太陽能電池轉(zhuǎn)換效率創(chuàng)造了新的世界紀錄，這讓太陽能的發(fā)展前景更加光明。該電池由一層硅和一層合成鈣鈦礦薄膜層串聯(lián)而成，面積為1.12 cm2，并通過了位于美國科羅拉多州戈爾登市的國家可再生能源實驗室（NREL）的獨立測試認證，轉(zhuǎn)換效率為29.52%[1]。簡而言之，串聯(lián)電池能將照射在其上的近30%的模擬陽光轉(zhuǎn)化為電能。

該電池和鈣鈦礦技術(shù)由位于英國牛津的Oxford PV公司開發(fā)。目前，該公司正在德國哈維爾河畔勃蘭登堡的工廠對一條生產(chǎn)線進行調(diào)試，以生產(chǎn)世界上首批商用鈣鈦礦/硅電池，該電池邊長為156 mm，轉(zhuǎn)換效率約為26%（圖1）。預計該電池將于2022年年初投入量產(chǎn)，屆時，其將成為世界上轉(zhuǎn)換效率最高的商用太陽能電池，而目前工業(yè)生產(chǎn)的硅太陽能模塊的轉(zhuǎn)換效率一般為20%～22%。

圖1.Oxford PV公司位于德國哈維爾河畔勃蘭登堡的工廠制造的一組串聯(lián)硅/鈣鈦礦太陽能電池。該公司將于2022年推出的首批商用電池的轉(zhuǎn)換效率可達到26%左右。來源：Oxford PV，經(jīng)許可。

Oxford PV公司的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席科學官、牛津大學物理學教授Henry Snaith稱：“十年前我們就開始研究鈣鈦礦，試圖找到一種比用硅加工電池的成本更低的材料。這大致包括基于溶液法或升華法制備鈣鈦礦電池的過程。我們尋找的材料應在2000℃以下就可以結(jié)晶。我們有一個長期目標，相信有一天我們研發(fā)的電池轉(zhuǎn)換效率能達到10%，并且，毫不夸張地說，我們用鈣鈦礦做的第一個電池的轉(zhuǎn)換效率是6.1%，打破了我們以往的所有實驗室紀錄。這雖然在今天看起來微不足道，但在當時，它給人的第一反應是：哇！這東西竟然是開箱即用的?！?/p>

鈣鈦礦在太陽能光伏（PV）中的應用正合時宜，因為經(jīng)過幾十年的改進，在繼續(xù)提高硅電池的轉(zhuǎn)換效率方面遇到了重大瓶頸；光伏材料在將太陽能轉(zhuǎn)化為電能方面有一個極限。這個極限的高低取決于它們的“帶隙”，即將電子從材料中釋放出來，使其成為電荷載流子在電路中流動所需的能量。晶體硅的帶隙為1.1 eV，這意味著來自太陽、能量小于1.1 eV的光子不能釋放電子，高于1.1 eV的光子仍可產(chǎn)生電荷載流子，但超過1.1 eV的部分光子能量將以熱能的形式浪費掉。

若考慮太陽光光譜，理想硅的理論轉(zhuǎn)換效率極限約為32%。但從1954年美國貝爾實驗室研制出第一個實用的硅太陽能電池起[2]，其在實驗室可實現(xiàn)的最高轉(zhuǎn)換效率就在27%左右。

合成鈣鈦礦與天然礦物鈣鈦礦、鈣鈦氧化物具有相同的晶體結(jié)構(gòu)。2012年，太陽能光伏研究領(lǐng)域正式開始使用合成鈣鈦礦，其在太陽能電池中的潛在應用受到廣泛關(guān)注[3]。我們今天使用的合成鈣鈦礦通常是有機-無機金屬鹵化物鈣鈦礦，其中金屬為鉛或錫。美國國家可再生能源實驗室（NREL）的首席科學家、鈣鈦礦和混合太陽能電池團隊負責人Joe Berry表示：“金屬鹵化物系在處理光伏任務方面非常巧妙，這使其非常引人注目?！?/p>

覆蓋在硅電池上的鈣鈦礦薄膜的帶隙可達到1.7 eV，以補充硅的較低帶隙[4]。如此便可從更多的太陽光光譜中捕獲更多光子，釋放更多電子，產(chǎn)生更多能量。結(jié)合使用這兩種材料的理論轉(zhuǎn)換效率為43%。Oxford PV公司的首席技術(shù)官Chris Case表示：“實際轉(zhuǎn)換效率總是無法達到理論轉(zhuǎn)換效率。目前，實際轉(zhuǎn)換效率即將達到30%，但我們相信，僅憑現(xiàn)有的知識集合，我們可以將商業(yè)電池轉(zhuǎn)換效率提高到33%?！?/p>

當光伏效率大幅提升時，從財政角度和生態(tài)角度來看，太陽能對能源公司都已是一個極具吸引力的命題。目前，在世界上許多國家，公用事業(yè)規(guī)模的太陽能光伏設(shè)備通常比新的燃煤或燃氣發(fā)電設(shè)備更便宜[5]。2018年，政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC）警告稱，要將全球變暖控制在1.5℃以內(nèi)，就必須在能源發(fā)電等方面開展“快速而深遠”的變革，因為人類造成的二氧化碳排放量需要在2050年左右達到“凈零”。國際可再生能源署（IRENA）是一個為各國尋求可持續(xù)能源發(fā)展之路提供支持的政府間組織，總部設(shè)在阿拉伯聯(lián)合酋長國的阿布扎比。IRENA根據(jù)政府間氣候變化專門委員會編制的全球可再生能源路線圖（RE-map Case），預測了一個具有氣候彈性的能源轉(zhuǎn)型路徑。根據(jù)該路徑，到2050年，太陽能光伏發(fā)電將成為第一大電力來源，全球裝機容量達到8.5 TW，風力發(fā)電將成為第二大電力來源（圖2）[6]。

圖2.向更清潔、可再生能源轉(zhuǎn)變的預測，需要以足夠快的速度減少排放，以達到IPCC關(guān)于氣候變化的目標，并使地球到2050年實現(xiàn)二氧化碳“凈零”排放。RE：可再生能源；CSP：聚光太陽能。來源：?IRENA，經(jīng)許可。

太陽能光伏已在加速發(fā)展。例如，2020年美國新發(fā)電裝機容量中，太陽能光伏發(fā)電占43%，連續(xù)兩年居發(fā)電技術(shù)首位。預計美國太陽能產(chǎn)業(yè)在未來10年的產(chǎn)能將是目前的4倍[7]。出現(xiàn)這一快速增長的部分原因是過去10年太陽能光伏技術(shù)成本急劇下降。根據(jù)NREL的數(shù)據(jù)，由于目前可用的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率已上升到20%左右，且相關(guān)硬件成本也在下降，2010—2020年，美國公用事業(yè)規(guī)模的光伏系統(tǒng)安裝成本下降了82%[8]。太陽能光伏在世界各地的發(fā)展趨勢相似（圖3）[6]。

圖3.在過去10年中，各國新投產(chǎn)的公用事業(yè)規(guī)模太陽能光伏項目的平準化能源成本（LCOE）大幅下降[6]。LCOE是在特定太陽能項目生命周期內(nèi)，為實現(xiàn)財務收支平衡，電力出售的最低平均價格。來源：?IRENA，經(jīng)許可。

2020年年末全球太陽能光伏發(fā)電量由2019年的581 GW上升至約710 GW（圖4）[6]。要將這一發(fā)電規(guī)模進一步擴大到太瓦級，需要加速太陽能光伏生產(chǎn)，要求所需材料必須充足。這是鈣鈦礦的另一個優(yōu)勢，因為生產(chǎn)太陽能電池所需的鈣鈦礦薄膜通常只有0.5μm厚，并且所需材料極易采購。Oxford PV公司指出，35 kg鈣鈦礦的發(fā)電量與7 t硅（通常用于160μm厚的晶片）的發(fā)電量相同，并表示將來有一天鈣鈦礦完全可以取代硅[1]。

圖4.在過去10年中，全球太陽能光伏總裝機容量急劇增長，并呈現(xiàn)指數(shù)級增長跡象[6]。來源：?IRENA，經(jīng)許可。

擴大其他成熟薄膜太陽能技術(shù)規(guī)模的關(guān)鍵難點在于，它們以碲化鎘或銅銦硒化鎵為基礎(chǔ)?？紤]到鎘的毒性，而且對于這些技術(shù)而言，鎘、碲和銦屬于稀有金屬，以至于無法將太陽能光伏發(fā)電量有效擴大到太瓦級規(guī)模[9]。

相比之下，制作金屬鹵化物鈣鈦礦所需的材料供應充足，而且價格低廉。Berry說：“它們非常適用于一些高通量、低成本的加工路線。雖然有很多方法可以降低生產(chǎn)成本，但同時產(chǎn)品的質(zhì)量會隨之降低，而鈣鈦礦的加工方式不會對基本材料的特性產(chǎn)生影響。鈣鈦礦還有一些非常獨特的優(yōu)勢，已有研究證實其回收效率非常高?！?/p>

然而，鈣鈦礦也不是沒有缺點。盡管目前采用了薄膜技術(shù)，但轉(zhuǎn)換效率最高的鈣鈦礦中仍含有鉛。硅/鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池廣泛應用面臨的一個更緊迫的挑戰(zhàn)是其長期穩(wěn)定性。公用事業(yè)規(guī)模光伏電池板的壽命需達到25年左右。雖然自其首次應用于光伏電池以來，鈣鈦礦技術(shù)發(fā)展迅速，但其長期穩(wěn)定性尚未獲得認可。

與硅不同，鈣鈦礦是離子材料，更容易降解（特別是當其受潮時）。因此，鈣鈦礦薄膜的有效封裝至關(guān)重要。Oxford PV公司擁有比其他任何組織更多的鈣鈦礦太陽能光伏相關(guān)專利[10]，他們對其設(shè)計流程和鈣鈦礦封裝方法很有信心。Snaith表示：“在過去10年中，為了提高其穩(wěn)定性，我們在改變鈣鈦礦的構(gòu)成、材料、設(shè)備的結(jié)構(gòu)方面花費了很多精力。在提高其轉(zhuǎn)換效率方面，我們沒有花費多少精力；而實現(xiàn)其穩(wěn)定性需要花費的精力最多。但現(xiàn)在，我們對這項技術(shù)的效率和穩(wěn)定性都非常有信心?！?/p>

很多工業(yè)界和科學界人士也開始研究解決鈣鈦礦的穩(wěn)定性問題。2020年，一個包括Berry和Snaith等研究人員在內(nèi)的國際合作組織發(fā)表了一份關(guān)于鈣鈦礦光伏穩(wěn)定性評估和報告的共識聲明[11]。Berry表示：“在過去10年中，我們一直在深入了解這些鈣鈦礦材料，以便對未來30年進行預測。這種預測科學對技術(shù)要求很高，但到目前為止，我們在基礎(chǔ)材料層面上的研究并未取得引人注目的成就。因此，問題就變成了‘你有什么技術(shù)解決方案？’或‘你能降低多少成本？’等這類商業(yè)問題。”

在太陽能光伏生產(chǎn)中加快鈣鈦礦應用速度會增加成本，目前尚不確定這將對市場產(chǎn)生何種影響。Oxford PV公司尚未透露其商業(yè)電池的大致價格。在大規(guī)模發(fā)電中，LCOE是一個關(guān)鍵因素。這項新技術(shù)初始價格的任何潛在上漲都將取決于因轉(zhuǎn)換效率的提高而帶來的LCOE下降。

Oxford PV公司的制造廠目前正以每年100 MW的發(fā)電規(guī)模進行調(diào)試，目標是到2030年將該制造廠發(fā)電規(guī)模擴大到每年10 GW，同時太陽能行業(yè)每年增加約120 GW發(fā)電量。這個目標對于太陽能行業(yè)來說不難實現(xiàn)。其他開發(fā)鈣鈦礦光伏技術(shù)的商業(yè)組織，包括日本大型公司松下（Panasonic）和積水化學工業(yè)株式會社（Sekisui Chemical Company）、中國公司纖納光電（Microquanta Semiconductor）和萬度光能（WonderSolar）、韓國的Frontier Energy Solution及波蘭的Saule Technologies[12]。

在過去10年中，鈣鈦礦技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。目前，實現(xiàn)鈣鈦礦技術(shù)商業(yè)化需要多久尚不確定，但Snaith表示，硅鈣鈦礦太陽能電池的全球普及和廣泛使用至少還需要10年時間。此外，他還指出，鈣鈦礦的使用還具有其他誘人的可能性?！扳}鈦礦可以在非常輕的基材上被制成非常薄的薄膜，所以它的彎曲度或柔韌性很好。將來，在太陽能光伏效率達到40%時，給電動汽車進行太陽能覆層便成為可能（因為這會明顯提高電動車的充電效果）。同樣，如果我們能開發(fā)出超薄太陽能電池，我們就可以考慮將這種覆層用于商業(yè)建筑。如今這種假設(shè)已不完全是科學幻想了，這些設(shè)想在下個10年之后的10年內(nèi)就會成真?！?/p>

2020年，美國先進鈣鈦礦制造聯(lián)合體（US Manufacturing of Advanced Perovskites Consortium）成立，其目標是“讓美國在光電和光子制造領(lǐng)域重新獲得主導地位”[13]。該組織由NREL、西雅圖華盛頓大學清潔能源測試臺（Washington Clean Energy Testbeds at the University of Washington in Seattle）、北卡羅來納大學教堂山分校（University of North Carolina at Chapel Hill）和俄亥俄州的托萊多大學（University of Toledo in Ohio）組成。該聯(lián)合體包括6家國內(nèi)商業(yè)行業(yè)合作伙伴[13]，其中之一是位于亞利桑那州坦佩市的美國第一太陽能公司（First Solar），該公司是一家基于碲化鎘技術(shù)的公用事業(yè)規(guī)模的薄膜太陽能光伏組件生產(chǎn)商。