本文来自微信公众号：经纬创投 （ID：matrixpartnerschina），作者：经纬创投主页君，原文标题：《钙钛矿如何突破大面积制备与稳定性难题？我们与暨大教授麦耀华聊了聊 |【经纬科创汇*碳中和】》，题图来自：视觉中国


本篇访谈对象是麦耀华教授，他是暨南大学新能源技术研究院院长、广东脉络能源科技有限公司团队带头人。我们与麦教授主要探讨了钙钛矿电池的技术原理、狭缝涂布等关键工艺流程、性能优劣势等等，以及分析了钙钛矿稳定性等难点问题。钙钛矿作为薄膜电池中极具潜力的技术路径，正在以前所未有的速度成熟，未来的钙钛矿叠层电池也具有广阔前景。


降本提效是光伏行业永恒的追求，PERC之后可能是异质结（HJT）、TOPCon或IBC，而再之后很可能是钙钛矿。钙钛矿的光电转化效率上限更高，可以突破晶硅电池极限，并且原材料从硅料换成钙钛矿，成本更低廉。



经纬：从原理上看，钙钛矿的优势很大，它的光电转化效率很高，同时制备成本还很低，工序也大大简化，在这些优势背后，钙钛矿太阳能电池的结构原理是怎样的？


麦耀华：钙钛矿是一款优秀的光伏材料，首先，它的光学带隙可以在相当大的范围内调整，因此容易获得光电特性优异、同时带隙合适的材料。


第二，钙钛矿可以传导电子和空穴，且在钙钛矿光吸收层中都具有较大的扩散长度。


第三，钙钛矿对缺陷和杂质不敏感。传统的晶体硅太阳电池，如PERC、TOPCon等，以及CIGS、CdTe等无机薄膜太阳电池，对缺陷和杂质都是相当敏感的，通常要高纯度的半导体材料，严格抑制缺陷和杂相的形成，而钙钛矿可以通过较低纯度的原材料合成，工艺窗口宽、原材料成本低。


钙钛矿太阳电池的结构类似于一个“三明治”，中间为吸收层，两端为电荷传输层，原理和结构都很简单，但想要做好并不容易，需要做很多细致的工作，比方说缺陷钝化等。


经纬：钙钛矿的吸光层厚度，比晶硅来说可以做到非常薄，这个是如何实现的？


麦耀华：钙钛矿光吸收层的厚度通常是在一微米左右，甚至低于一微米。这主要是因为钙钛矿具有非常高的光吸收系数，在很宽的光谱范围内光吸收系数都超过104cm-1，使得很薄的钙钛矿就能实现较完全的光吸收。


晶体硅太阳电池以硅片为基础，需要实现自支撑，考虑到生产过程中的破片率等问题，晶体硅电池的厚度通常都在100微米以上。另外，晶体硅作为一种间接带隙材料，光吸收系数比钙钛矿低，太薄的硅片也会带来光吸收不充分的问题。


经纬：钙钛矿其实有很多种配方，现在最主流的可能是甲脒铅碘，为什么是它？


麦耀华：最主流的是被很少量的铯或者甲胺取代的甲脒铅碘。主要有三个原因：


1）甲脒基钙钛矿材料具有更适宜的带隙，理论转化效率最高；

2）甲脒离子相较于甲胺离子可以与铅碘正八面体提供更多的氢键作用，热稳定性更佳；

3）甲脒基钙钛矿材料的容忍因子趋近于1，晶格畸变较小，载流子寿命更长。目前的实验结果也证明这点，甲脒基的钙钛矿太阳电池稳定性好，转换效率也很高，因此具有较强的竞争力。


经纬：影响钙钛矿电池稳定性的有很多方面元素，温度、水汽、封装技术等等，您怎么看待稳定性问题对钙钛矿当前发展的影响？


麦耀华：根据目前的研究结果，高温、光照、水汽入侵、电场作用带来的离子迁移等因素都有可能会影响钙钛矿电池的稳定性。我们不要求一个绝对稳定的材料，但非常关键的问题是什么样的稳定是够用的。


目前钙钛矿电池的稳定性是不如晶硅的，但不如硅就不好吗？不见得，因为在钙钛矿电池平时的使用过程中，一般来说所测到的工作温度是40多度，极端情况可能到60多度，超过100摄氏度是几乎不可能的。所以钙钛矿电池在正常的温度下工作是没有问题的。


当然，在一些特殊情况下，比如在电场作用下，可能会发生离子迁移的问题，以及电化学腐蚀反应过程有可能更严重，这些问题还有待进一步研究。


现在不少研究结果表明，钙钛矿光伏组件可以通过IEC 61215的加严测试或者部分测试，这对钙钛矿电池来说是非常大的进步，大大坚定了大家将这种技术产业化的信心。IEC61215是一个地面用光伏组件的产品定型测试标准，根据当前对光伏组件失效机制的理解，晶硅太阳能电池和无机薄膜太阳能电池如果能通过IEC 61215测试，大家就认可其具有二十年的寿命。


但是，IEC61215这个标准是否适用于钙钛矿光伏组件还是一个问题，如果钙钛矿组件的失效机制和传统光伏组件相似，这个标准是适用的，否则，我们还需要更多的实证测试来研究钙钛矿组件在不同工作环境下的失效机制，并根据研究结果编制新的产品定型标准。


经纬：封装技术会不会是钙钛矿电池的一个瓶颈？因为如果封装不严，最直接的影响就是水汽会进来。


麦耀华：我认为目前的封装技术可以很好地解决这个问题。IEC 61215就有相关的测试来考验水汽入侵的问题，其中最直接的就是所谓的双85测试：85摄氏度和85%相对湿度下1000小时的测试。因为电池如果处在这样高温高湿的环境，水汽就会快速侵入，非常考验电池的封装性能。以目前的封装结构和封装材料，我觉得还是能够保证钙钛矿电池在双85环境下的稳定性。当下主要采用的是双玻的封装结构，两片玻璃之间采用PVB或POE材料，边缘用丁基热熔胶密封，这个结构还是很可靠的。


经纬：钙钛矿整个制备工艺，包括薄膜制备、激光刻蚀、封装等，其中激光刻蚀因为半导体的发展，已经比较成熟了。那在薄膜制备方面，如果想大面积制备的话，目前工艺的成熟度怎么样？哪些难点还有待突破？


麦耀华：对于任何光伏组件来说，都需要有适当的面积，起码是平方米级别以上的光伏组件，才能够实现足够低的平准化度电成本（LCOE）。如果组件做的太小，它的安装成本、其它部件的成本都会很高。目前使用最广泛的大面积制备方法是狭缝涂布技术，狭缝涂布并不是一种新技术，它已经广泛应用于锂离子电池、平板显示、集成电路等领域。


不过，把狭缝涂布技术用在钙钛矿电池制备上，还是有很多不同的。钙钛矿光吸收层是一种半导体材料，除了要均匀地涂布外，还必须控制结晶质量，减少晶界和缺陷的产生，这比原来涂布锂离子电池电极的要求复杂得多，而且要加上溶剂萃取、退火结晶等后续工艺，这些工艺需要与涂布紧密配合，对设备、工艺和环境要求也是相当高的。


总体来说，对于钙钛矿的薄膜制备，想要实现均匀制备并不困难，但对结晶工艺过程的控制还是很有挑战性的。这就是最主要影响钙钛矿电池在大规模生产中良品率的关键因素，当下具备平方米级以上制备技术的企业还非常少，还需要更多这方面的研究。


经纬：之前我看一个资料说，钙钛矿电池的生产过程有点像打印机喷墨，把一些化合物混合在一起，然后像喷墨打印机一样均匀的喷出来，但是因为钙钛矿本身的成膜性不好，所以导致中间会有难点，可以这么理解吗？


麦耀华：还不能完全这样理解。狭缝涂布和喷墨打印有相似的地方，但是差别也是不小的。此外，钙钛矿的成膜性并不是大问题，均匀制备相对容易， 但是要形成一个高质量的多晶半导体薄膜要求对结晶过程进行严格控制，我认为这是难点。


除了狭缝涂布技术，现在也有不少人在研究蒸发技术，蒸发也可能实现大面积镀膜。当然蒸发也有自己的问题，第一就是它的成膜速度比较慢；第二是设备成本现在还比较高。这些都还需要花更多的精力来研究，提高工艺成熟度。


经纬：钙钛矿电池既可以做成刚性电池，也可以做成柔性，柔性的应用场景就更多了，像光伏建筑一体化，甚至是电动车的玻璃顶，很有想象空间。您觉得目前钙钛矿电池要适用于这些柔性场景，会遇到哪些技术难题？如果做成柔性，目前光电转化效率会不如刚性吗？


麦耀华：从转化效率的角度来看，柔性电池是会稍微低一点的，刚性衬底的钙钛矿电池最高效率达到了25.7%，但柔性电池效率还不到24%。但是我认为，转化效率并不是真正影响柔性钙钛矿电池在特殊场景下应用的核心问题，目前封装技术才是最大的技术难点。


钙钛矿电池制备温度低，可以用高分子材料，如PET和PEN等，作为衬底，但是塑料衬底的水汽透过率是相当高的，而钙钛矿电池恰恰对水汽又是非常敏感的。所以我们需要在衬底上沉积高光透过率和高水汽阻隔的薄膜来实现适当的寿命。


水汽高阻隔薄膜通常由多层有机和无机薄膜组成的复合材料，然后在边缘处，必须要采用阻隔水汽的密封胶，才有可能实现较长期的稳定性。目前，水汽高阻隔薄膜成本很高，而且被国外企业所垄断。


经纬：另一大市场热点是叠层电池，叠层电池有着史上最高的光电转换效率，您看好叠层电池吗？比如晶硅-钙钛矿叠层电池会是最重要的方向吗？这种方案在未来会面临哪些技术、量产方面的难题？


麦耀华：首先，我认为叠层电池是一个重要的发展方向，因为如果我们不做叠层的话，所有单结太阳电池的转换效率都很难突破30%，在产业化上，单结的晶硅太阳电池的转换效率估计很难超过27%。人类对高转换效率的追求驱使我们去突破单结太阳电池的这个 Shockley-Queisser极限。


目前，钙钛矿基的叠层太阳电池主要有钙钛矿-晶硅叠层、钙钛矿-铜铟镓硒叠层和钙钛矿-钙钛矿叠层三种结构，钙钛矿-晶硅叠层电池有非常成熟的晶硅电池的产业基础，但钙钛矿-钙钛矿叠层电池也有它的优势，因为它的底电池和顶电池的工艺兼容性最好，基本上一条生产线就可以完成所有生产环节。目前来看各有各的优势。我认为钙钛矿-钙钛矿的叠层电池未来可能具有最低的生产成本，但效率不见得最高，钙钛矿-晶硅在效率上可能更有优势，但最终大家可以应用于不同场景的市场。


不过，我认为叠层电池现在还解决顶底电池的寿命失配的问题。现在晶硅电池寿命相当长，如果采用双玻封装的话，很多企业都承诺30年的寿命，而且已经有企业在探讨40年寿命的可能性。如果钙钛矿顶电池的寿命相对较短，例如只有20年，那么顶底电池的寿命失配可能会影响整体器件平准化电能成本的竞争力。


另一方面，我认为现在钙钛矿基叠层电池的产业化还必须考虑规避专利风险，牛津光伏（Oxford PV）作为最早的叠层电池企业，拥有钙钛矿基叠层电池的结构专利，这对其他叠层电池生产企业来说无疑是一个重大风险，必须考虑如何规避。


经纬：从技术演进的角度来说，像当年PERC打败BSF，对于当下的很多技术方向的争论，有什么可以借鉴的地方？


麦耀华：为什么当年PERC会取代BSF，仅仅是因为PERC的制备成本更低，或是转换效率更高吗？我觉得不是。一款太阳电池究竟在商业上有没有前景，不应当单单考虑效率或是制备成本，而是要看全生命周期的平准化电能成本（LCOE，Levelized Cost of Energy），就是在全生命周期的时间里，光伏系统发的每一度电的成本是多少，这个成本里包含组件成本、系统平衡成本，也包含维护成本等等很多方面。组件转换效率的提升对降低组件成本和系统平衡成本都至关重要。


对于钙钛矿太阳电池来说，一个巨大的优势就是它的组件成本比较低，但是目前的转化效率还需要进一步提升，和晶体硅组件超过20%的转换效率，未来达到23%~24%的转换效率比起来还不够。因此钙钛矿的发展路径，就是要在已有的低成本的同时，逐步提高转化效率，而且要确保足够长的寿命，最终才能算出一个足够性价比的LCOE，否则市场会缺乏驱动力来用一款新技术。


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