钙钛矿光伏：电力行业的新兴之光

    在全球能源转型的大背景下，光伏发电作为可再生能源的重要组 成部分，正受到越来越多的关注。传统的晶硅太阳能电池虽然占据了 目前光伏市场的主导地位，但随着技术的不断发展，一种新型的光伏 技术——钙钛矿光伏，正逐渐崭露头角，成为电力行业产学研领域的 研究热点。

一、钙钛矿光伏的基本原理 

    钙钛矿太阳能电池是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为 吸光材料的太阳能电池 ，其工作原理基于光生伏特效应。钙钛矿太阳 能电池属于典型的三明治叠层结构，由中间的钙钛矿吸光层，吸光层 两侧的电子、空穴传输层与最外层两侧的电极组成。当光照射到具有低激子结合能的钙钛矿光吸收层时，钙钛矿吸收能量大于带隙的入射 光子后产生激子，并迅速解离成自由电子和空穴。得益于长载流子扩 散距离，这些自由载流子在复合前有效通过钙钛矿薄膜扩散到电荷传 输层。理想情况下，钙钛矿/电荷传输层界面有利的能级排列，使得电 子与空穴传输层有效地提取电子与空穴。在这个过程中，电子和空穴 传输层分别起到阻挡空穴和电子的作用，形成能量势垒抑制载流子复 合。最后，载流子被背电极收集并经过负载外电路，形成光电流。

二、钙钛矿光伏的发展历程 

    钙钛矿材料最初并非用于光伏领域，而是应用于发光二极管（LED）和激光器等领域。2009 年，日本科学家首次将钙钛矿材料应用于太阳 能电池，并实现了 3.8%的转换效率 。然而，早期的钙钛矿电池存在稳 定性差、易分解的问题，难以进行商业化推广。2012 年，斯沃斯大学 的研究团队通过使用固态电解质取代液态电解质，极大提升了电池的 稳定性，并将转换效率提升至 10%以上。这一突破引发了全球范围内的 研究热潮，各大科研机构纷纷投入钙钛矿太阳能电池的研究和开发。 

    自 2013 年以来，钙钛矿太阳能电池的转换效率快速提升。在短短 几年内，钙钛矿电池的实验室效率从 10%跃升至 25%以上，与传统的单 晶硅电池相当。2023 年 7 月，中国科学技术大学的徐集贤教授团队实 现了 26.1%的光电转换效率 。2024 年 10 月，南京大学谭海仁教授团 队、仁烁光能(苏州)有限公司制备的 1.05 平方厘米的全钙钛矿叠层太 阳能电池稳态光电转换效率达 28.2%，刷新了该尺度全钙钛矿叠层太阳 能电池的世界纪录 。这些成果的取得，得益于研究人员在材料优化、 界面工程、载流子管理等方面的持续创新。 

    近年来，随着生产工艺的改进和稳定性研究的深入，一些初创企 业和科研机构已经开始尝试开发钙钛矿太阳能电池的商业化生产技术， 并取得了初步成果。协鑫光电、纤纳光电（中国）、Oxford PV（英国）、 Saule Technologies（波兰）等公司已建立试验线，部分企业进入兆 瓦级中试阶段 。

三、钙钛矿光伏的优势 

（一）高转换效率

    钙钛矿材料具有出色的光吸收能力和良好的电荷传输性能，使得 钙钛矿太阳能电池能够在较薄的光吸收层中实现高效的光电转换。单 结钙钛矿电池的理论转换效率高达 31%，而钙钛矿/晶硅叠层电池的理 论效率则可达到 45%以上 。2024 年，隆基绿能研制的晶硅-钙钛矿叠 层太阳电池的光电转换效率高达 34.6% ，展现出钙钛矿光伏在效率提 升方面的巨大潜力。 （二）制备成本低

    钙钛矿材料的原料丰富、制造工艺简单。相比于硅基电池需要高 温高能耗的制造工艺，钙钛矿电池可以通过溶液法在低温下制造 。其 材料成本仅为硅基电池的 1/20，生产工艺简化，无需高温、高真空环 境，理论成本可降至 0.1 美元/W 以下 ，这使得其生产成本远低于晶硅 电池，具备极大的商业潜力。 

（三）可调带隙 

    钙钛矿材料的光学带隙可通过改变组分（如通过调整卤素或有机 阳离子种类）来调节 。这一特性使得钙钛矿太阳能电池可以根据实际 应用需求，设计不同波段的光吸收特性，甚至可实现透明电池或用于 集成在建筑物上的光伏窗户，拓展了其应用场景。

（四）轻量化与柔性应用 

    由于钙钛矿太阳能电池的材料和制造工艺特点，其可以制成柔性、 轻量化的电池 。这为钙钛矿电池在可穿戴设备、建筑一体化（BIPV） 等领域的应用提供了广阔的前景，满足了多样化的能源需求。

四、钙钛矿光伏面临的挑战 

（一）稳定性问题 

    钙钛矿材料对湿度、温度和紫外线等环境因素较为敏感，容易发 生降解 。在实际应用中受到稳定性问题的制约，尤其是在水、热等环 境因素影响下，钙钛矿材料容易退化，目前报道的钙钛矿电池工作寿 命往往只能达到几千小时，远低于晶硅电池的 25 年以上使用寿命 ， 这是钙钛矿太阳能电池商业化过程中面临的最大挑战之一。 

（二）铅的环保问题 

    目前高效的钙钛矿太阳能电池大多含有铅元素，而铅是一种有毒 重金属，可能对环境和人体健康造成危害 。因此，开发无铅或低铅的 钙钛矿材料成为了研究的热点。部分研究已提出了一些替代方案，如 使用锡（Sn）代替铅，但这些无铅电池的效率和稳定性还需进一步提 升。 

（三）大规模生产与一致性问题 

    尽管钙钛矿电池在实验室中的性能非常优异，但要实现大规模生 产，还需要解决制造过程中电池一致性和良品率的问题 。此外，如何在大面积生产中保持高效率也是一个需要克服的技术难题，从实验室 的小面积扩展到实际应用中的大面积是钙钛矿电池商业化面临的挑战， 实验室里制造的钙钛矿电池尺寸远小于市场所需的太阳能电池尺寸。

五、钙钛矿光伏的应用前景 

（一）与硅基电池的结合：叠层电池 

    钙钛矿太阳能电池可以与硅基电池结合，形成叠层太阳能电池 。 通过将钙钛矿材料覆盖在硅电池上，利用其对不同波长光的吸收特性， 进一步提升电池的整体转换效率。实验室中的叠层电池效率已超过 30% ，显示出极大的应用潜力，有望推动光伏发电成本进一步下降。

（二）建筑一体化光伏系统（BIPV） 

    钙钛矿太阳能电池可以制成透明或半透明的形式，应用于建筑物 的窗户、幕墙等结构中，实现建筑一体化光伏系统 。这不仅能够提供 清洁能源，还能改善建筑的美观和节能效果，满足现代建筑对绿色能 源和美学的双重需求。

（三）可穿戴设备与物联网 

    由于钙钛矿电池可以制成柔性电池，它在可穿戴设备、智能手机、 无人机等领域具有广泛的应用潜力 。钙钛矿电池的轻便性和高效性使其成为物联网设备中能源供应的重要候选技术，为物联网的发展提供 可持续的能源支持。 钙钛矿光伏作为一种具有巨大潜力的新兴光伏技术，在转换效率、 成本、应用场景等方面展现出诸多优势，但也面临着稳定性、环保和 大规模生产等挑战。在电力行业产学研群体的共同努力下，通过不断 的技术创新和研究突破，有望克服这些挑战，实现钙钛矿光伏的大规 模商业化应用，为全球能源转型和可持续发展做出重要贡献。