零碳建筑迎来重磅希望：钙钛矿光伏改变全球太阳能市场

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介绍建筑领域碳中和的实施路径，科普零碳建筑、被动式超低能耗建筑相关标准、政策和技术策略

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气候变化使清洁能源、全电动的未来成为全球的当务之急。我们的硅基钙钛矿太阳能电池以低成本提供高效率——对于太阳能替代化石燃料、满足不断增长的能源需求并最终为全电力世界提供动力至关重要。

今天，主流太阳能技术——晶硅——正在达到其实用和经济的光伏效率极限。我们现在看到了钙钛矿太阳能电池技术将使硅太阳能电池和组件制造商突破性能障碍。显着提高硅光伏的性能将降低成本，从而改变经济并加速全球太阳能的增长。

为什么是钙钛矿光伏？

因为钙钛矿光伏技术：

还因为它：

牛津光伏创造钙钛矿太阳能电池的世界纪录：他们的钙钛矿-硅太阳能电池已达到 29.52% 的认证转换效率。这超过了有史以来性能最高的单结硅太阳能电池——验证了钙钛矿提高硅基光伏性能的能力。

什么是钙钛矿太阳能电池？

钙钛矿是一系列具有特定晶体结构的材料，以具有该结构的矿物命名。当用于制造太阳能电池时，它们已显示出高性能和低生产成本的潜力。

近年来，钙钛矿太阳能电池取得了显着进步，转换效率迅速提高，从 2006 年报道的约 3% 到今天的25% 以上。虽然钙钛矿太阳能电池在很短的时间内变得高效，但在它们成为具有竞争力的商业技术之前仍然存在许多挑战。

最近关于钙钛矿太阳能电池的大部分工作都以基于甲基铵卤化铅的吸收材料为主。尽管钙钛矿材料已经研究了一个多世纪，但对用于半导体应用的甲基铵卤化铅的初步研究是在过去二十年开始的。钙钛矿吸收剂在太阳能电池中的首次应用发生在 2006 年，并于 2009 年发表。然而，这些电池效率不高（低于 4%）并且不稳定，因为它们依赖腐蚀性液相，缓慢破坏内部的其他层。装置。到 2012 年，液相组件已被固态触点取代，效率提高到 10%。通过对新材料、新器件架构、

研究方向

SETO 已经确定了钙钛矿技术要在商业上取得成功必须同时解决的四个主要挑战。每项挑战都代表一组独特的障碍，需要实现特定的技术和商业目标。该办公室正在通过SETO 2020和SETO FY20 PVSK资助计划以及钙钛矿创业奖支持解决这些挑战的项目。

基本挑战框架如下所示，包括解决每个挑战的先前和当前项目努力的示例。

优先事项一——电源转换效率：钙钛矿器件在电源转换效率方面已经超过了除III-V 族技术以外的所有薄膜技术，在过去五年中显示出快速提升。然而，高效设备不一定与可行的稳定性和制造特性相结合。对于钙钛矿的大规模地面部署，保持这些高效率同时实现稳定性和规模化将是必要的。与此同时，持续提高效率本身对于移动、灾难响应或运营能源市场来说可能是有价值的，在这些市场中，轻量级、高功率设备至关重要。

钙钛矿可以通过改变材料成分来调整以响应太阳光谱中的不同颜色，并且各种配方都表现出高性能。这种带隙灵活性为高性能串联器件架构中钙钛矿太阳能电池的另一个有用应用开辟了道路，潜在的功率转换效率超过 30%。在这些结构中，钙钛矿与另一种不同调谐的吸收材料相结合，以提供更大的功率。某些成分的钙钛矿太阳能电池可以非常有效地将紫外线和可见光转化为电能，这意味着它们可能是吸收剂材料（如有效转化红外光的晶体硅）的极好混合串联搭档。也可以将两个不同成分的钙钛矿太阳能电池组合在一起，以生产仅含钙钛矿的串联电池。这样做可以带来更高的效率和更具成本效益的串联光伏 (PV) 应用。仅钙钛矿串联在移动、灾难响应和国防作战能源领域可能特别具有竞争力，因为它们可以在具有高功率重量比的柔性基板上生产。

优先事项二 – 稳定性和降解性：钙钛矿太阳能电池已显示出具有竞争力的效率和更高性能的潜力，但与领先的光伏技术相比，它们的稳定性非常有限：它们不能很好地抵御潮湿、氧气和长时间的光照，或高温。为了提高稳定性，研究人员正在研究钙钛矿材料和接触层的降解。提高电池的耐用性对于商业钙钛矿太阳能产品的开发至关重要。

尽管在理解钙钛矿太阳能电池的稳定性和退化方面取得了重大进展，但目前的使用寿命在商业上并不可行。移动市场可能会容忍较短的使用寿命，但存储期间（使用前）的稳定性仍然是该领域的关键性能标准。对于主流的太阳能发电，不管其他好处如何，不能运行超过二十年的技术不太可能可行。

早期的钙钛矿设备退化迅速。几年前，典型的钙钛矿设备会在几分钟或几小时内退化到非功能状态。现在，多个小组已经证明了几个月的运行寿命。对于商业电网级电力生产，SETO 的目标是运营寿命至少为 20 年，最好超过 30 年。

钙钛矿光伏研发界非常关注运行寿命，并正在考虑采用多种方法来了解和改善内在和外在稳定性和退化。努力包括改进吸收层的表面钝化；吸收层、电荷传输层和电极的替代材料和配方；先进的封装材料和方法，可减轻制造和操作过程中的降解源。

评估钙钛矿降解的一个问题与开发一致的测试和验证方法有关。研究小组经常根据不同的测试条件报告性能结果，包括封装方法、大气成分、照明、电偏置和其他参数的可变性。虽然如此多样的测试条件可以提供洞察力和有价值的数据，但缺乏标准化使得直接比较结果具有挑战性，并且难以根据测试结果预测现场性能。这会影响整个钙钛矿研发 (R&D) 社区，独立于任何特定的研究领域、材料集或稳定性改进方法。

优先事项三 - 可制造性：需要扩大钙钛矿制造规模才能生产钙钛矿太阳能电池。使过程具有可扩展性和可重复性可以增加制造量，并使钙钛矿光伏模块能够满足并可能超过办公室的平准化电力成本目标。

这些电池是由多层材料制成的薄膜设备，这些材料是用液体墨水印刷或涂覆的，或者是真空沉积的。在大规模制造环境中生产均匀、高性能的钙钛矿材料很困难，而且小面积电池效率和大面积模块性能之间存在显着的性能差异。钙钛矿制造的未来将取决于解决这一挑战，这仍然是光伏研究界的一个活跃工作领域。

各种方法已被用于生产实验室规模的钙钛矿设备。这些方法中的许多方法都不容易扩展，但是在将高度可扩展的方法应用于钙钛矿制造方面付出了巨大的努力。对于薄膜技术，这些生产线可以分为两大类：

Sheet-to-Sheet：器件层沉积在刚性基板上，该基板通常用作完成的太阳能模块的前表面。这种方法常用于碲化镉薄膜工业。

卷对卷：器件层沉积在柔性基板上，然后可以用作完整模块的内部或外部。研究人员已将这种方法用于其他光伏技术，但由于难以获得高太阳能转换效率（与制造方法无关），因此并未获得显着的商业吸引力。然而，它被广泛用于生产照相和化学胶片和纸制品，例如报纸。

这些制造方法的可扩展性使钙钛矿有可能实现比硅光伏更快的容量扩展。所考虑的工艺在薄膜和显示器行业中已经成熟，可以轻松利用围绕工具和组件的知识和供应链，以进一步降低扩展成本和风险。

商业化的其他障碍是与铅基钙钛矿吸收剂相关的潜在环境影响。因此，正在研究替代材料，以评估、减少、减轻和潜在地消除毒性和环境问题。

优先事项四——技术验证和可融资性：验证、性能验证和可融资性——确保金融机构愿意以合理的利率为项目或提案融资——对于钙钛矿技术的商业化至关重要。测试协议的可变性和最少的现场数据限制了比较钙钛矿设备的性能和建立对长期操作行为的信心的能力。

当前的太阳能光伏设备测试协议是为现有的主流光伏技术开发的。这些使用基于数十年与室外性能相关性验证的协议进行室内测试。它们可能不是新光伏技术长期户外性能的良好预测指标。使用能够充分预测长期户外性能的测试协议进行客观、可信的验证对于获得对钙钛矿技术的足够信心至关重要，从而能够投资于生产放大和部署。钙钛矿太阳能电池快速变化的材料和器件成分使这种标准化验证特别具有挑战性和重要性。

基准和目标

SETO 监控研发和制造社区的进展，并与潜在的感兴趣实体、投资者、金融家和最终用户合作，为大容量发电市场的钙钛矿光伏的商业部署制定基准和目标。这些基准和目标可能会随着人们对千兆瓦级钙钛矿光伏器件的制造和部署的进一步了解而发展。

正在探索各种材料、器件结构和制造技术，目前尚不清楚这些方法中哪一种最有前途。单结钙钛矿电池和模块的目标将与混合钙钛矿串联和全钙钛矿串联的目标不同。以下是一些与刺激钙钛矿光伏商业化相关的广义早期目标。后期目标正在开发中，将在未来发布。

随着钙钛矿光伏的商业化，必须在展示高功率转换效率和高稳定性、利用可扩展的制造工艺以及从单个电池扩展到具有更大活性面积的多电池模块之间取得平衡。这里提供的目标是针对模块而不是单元。有源区效率的一些损失是从电池扩展到模块所固有的.为了使钙钛矿光伏技术走向商业可行性，在早期阶段需要实现 18% 至 25% 的功率转换效率目标，这已通过范围从几十平方厘米到平方米的多电池模块得到证明。器件堆栈中超过一半的层（包括钙钛矿层）应使用可扩展的沉积技术以相关的吞吐量或沉积速度进行沉积，以实现大批量制造。最初，这些模块应该能够证明操作稳定性，在 1,000 小时的加速测试后保持其原始输出的 80% 到 95%。这些数字在未来需要进一步改进，以代表期望的十年运行寿命。