明星材料分子引领光伏产业革命性发展——钙钛矿材料分子与新型太阳能电池效率攀升

把太阳能转化为电能是人类孜孜以求的目标，上世纪五十年代贝尔实验室发明了有实际应用价值的硅材料太阳能电池，硅材料太阳能电池不断推陈出新，已经开发出单晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜太阳能电池，其中单晶硅太阳能电池实验室最高光电转换效率为25.6%，工业化规模生产组件光电转化效率达15%，非晶硅太阳能电池光电转化效率为10%。硅基太阳能电池是目前在规模化生产和实际应用中占主导地位的太阳能电池类别，有90%的市场占有率。制备单晶硅太阳能电池需要纯度为99.9999%的硅，使得电池成本太高；多晶硅太阳能电池生产也需要使用高真空设备和高洁净厂房，生产成本仍然很高；非晶硅薄膜太阳能电池则有稳定性不好，效率较低的问题。从生产和运行成本上讲，硅基太阳能电池产品目前还不具备和水电、火电等进行完全市场竞争的能力。硅基太阳能电池民用产品产业化发展的瓶颈是成本和污染问题，在过去60多年时间里这些问题并没有得到根本解决，硅基太阳能发电产品目前主要用于航天、军工等高端产品中，民用产品主要靠政府补贴推广。最近几年，欧美日等国家开始对光伏补贴政策进行调整并开展针对中国产品的“双反”调查，国内硅基太阳能电池厂家马上进入产业发展“寒冬”季节，这个事实说明开发具备真正市场竞争力的新型太阳能电池是产业发展现实需要。 新型太阳能电池一旦达成效率、成本和寿命方面的突破，会带来光伏产业的革命性变化和实现巨大商业价值。到目前为止，许多新的无机、有机电池材料分子不断被开发出来，涌现出大量新型太阳能技术，其中有多元化合物薄膜太阳能电池（如碲化镉、砷化镓和铜铟镓硒薄膜电池），有机材料薄膜太阳能电池，有机无机杂化太阳能电池（如染料敏化太阳能电池和钙钛矿材料太阳能电池）等，这些第二代和三代太阳能电池实现了10%到20%甚至更高的光电转换效率，已经进入产业化门槛阶段（附图1）。在各类太阳能电池发展过程中，新材料分子的发现和性能改进，电池结构的优化均不同程度帮助提升太阳能电池的光电转换效率，其中以钙钛矿材料分子表现最为突出。2013年12月20日， 美国《科学》（Science）杂志推出了他们的2013年十大科学突破评选结果，其中钙钛矿（Perovskites），一种1839年由Gustav Rose首次发现并根据俄罗斯矿物学家Lev Perovski名字命名的有机无机杂化分子材料因为在太阳能电池中的应用和电池效率快速提升而入选。“钙钛矿材料便宜、易于制备，已经取得15%的光电转换效率；虽然比目前商业化的硅基太阳能电池效率低，但是钙钛矿型材料太阳能电池效率提升迅速，它和其它类型太阳能电池集成以后可以捕捉和转换更宽光谱范围的太阳光”，美国《科学》杂志这样给出钙钛矿材料入选理由。事实上，自从2009年日本科学家Tsutomu Miyasaka将钙钛矿材料用于染料敏化太阳能电池作为吸光材料取得3.8%光电转换效率以来，钙钛矿材料太阳电池效率已经跃升到2013年底的15%和目前的19.3%，并且还在迅速攀升中，有望年内突破20%大关。仅仅用了5年时间，钙钛矿材料太阳电池就超越了许多太阳能电池技术数十年所积累的效率增长，这是从无先例和引人注目的。钙钛矿材料太阳能电池可能引起光伏产业革命性的变局，已经引起了国内外学术界和工业界广泛关注和兴趣。过去五年内钙钛矿材料太阳能电池领域的进展显示出这类材料分子具有改变整个太阳能电池产业格局的潜力，目前众多的国内外研究机构和企业已经开始投入力量进行钙钛矿材料太阳电池技术研究和材料开发，发展增速会明显加快。最近，国家科技部863项目、973项目和自然科学基金委重大专项均安排了经费支持钙钛矿材料太阳能电池的基础研究和应用开发工作。作为市场主体的企业也敏锐的捕捉到光伏产业未来发展方向的这一变化，凯惠科技发展（上海）有限公司就在染料敏化太阳能电池研发工作基础上迅速投入力量开始了钙钛矿太阳电池材料和器件的研制工作。凯惠科技进行新材料和新能源领域的创新研发工作目的是为企业发展寻找新的增长点，以开发有自主知识产权的技术和产品为目标。凯惠科技研发团队2010年开始和上海交通大学韩礼元教授合作开展了染料敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池技术、材料与器件的研发工作，已经开发新型有机敏化剂材料三类，制得电池模块和初级应用器件产品原型一批，完成电池关键材料、模块和器件国家发明专利申报七项、国际专利一项。凯惠科技建立起持续的有机敏化剂材料、电荷传输材料和钙钛矿有机-无机杂化电池材料的设计、开发和生产能力，目前已经开始染料敏化太阳能电池应用产品工业设计和中试制造工作，正在找寻相关项目产业发展合作伙伴。人类面临的能源和环境问题的日益突出，开发包括太阳能在内的新能源和可再生能源成为全世界范围重大课题，随着政府、研究机构和企业投入的不断加大，光伏产业革命性发展结果可以预期。未来各类光伏电池的市场需求将实现共存，效率、成本、寿命、柔性将成为各类技术发展与产业化的重要挑战，找到像钙钛矿材料这样的明星分子和进行光伏器件结构创新将成为产业发展重要的内容。我们认为到2030年，光伏将成为成熟的主要的能源技术，到2050年，光伏电能可能成为全球性主导能源之一，作为市场主体的企业和研究机构携手加上政府的战略性新兴产业支持可以确保和加速这个进程的实现，光伏产业发展的未来定会更加绚烂多彩。（作者供职于凯惠科技发展（上海）有限公司）