清华太阳能厂(钙钛矿电池—太阳能电池的终极？)

Posted 2023-06-01

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清华太阳能厂(钙钛矿电池—太阳能电池的终极？)

文|王子琦

1 什么是钙钛矿电池？

太阳能电池主要分为两大类——晶硅电池与薄膜电池。现阶段，晶硅电池占比约95%，为绝对主流的太阳能电池，以单晶硅电池为主；另一边，薄膜电池虽然目前占比很低，但是是未来太阳能电池发展的重要方向，相较于晶硅电池，薄膜电池具有理论转换效率高、制造成本低、应用领域广等特点。

薄膜电池中钙钛矿型太阳能电池（perovskite solar cells），即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，来源于染料敏化太阳电池。

钙钛矿指一类陶瓷氧化物柔性材料，呈现立方体晶形。钙钛矿光伏材料分子式为ABX3，A位离子为大半径阳离子，B位离子为小半径阳离子，X位离子为卤素阴离子。当太阳光照在钙钛矿材料上时，太阳光强度大于禁带宽度时，钙钛矿吸收光子产生电子-空穴对。被激发的电子从价带跃迁到导带上流向电子传输层，空穴流向空穴传输层，电子与空穴流动起来形成外部电流，实现光能向电能的转换。

2 钙钛矿的魔

得钙钛矿者得‘涨声’。”此言之于2022年的资本市场毫不夸张。截至8月23日，一个月间，Wind“钙钛矿电池”指数涨幅达24%，不可谓不惊人。到底钙钛矿有什么样的魔力能吸引到大量资金的青睐？这还要从一张图说起。

更高的转化效率

当2013年美国《科学》杂志将钙钛矿评为年度十大科学突破，在彼时仍由晶硅完全“统治”的光伏世界中，钙钛矿还在实验室里力证自己在光电效应上的巨大潜力。到了2020年，钙钛矿太阳能电池的实验室效率就已经赶超了晶硅。在过去相当长一段时间里，晶硅光伏电池都是成本和效率极佳的统一体。相伴而生的，是天然矿物转化太阳能效率的局限性。29.43%的理论极限值成为晶硅材料“一眼到头”的屏障。早在2017年以来，其实验室效率就一直在26.7%，“原地踏步”，再未实现新的突破。而另一边的钙钛矿，单层理论效率就达33%，双层可达45%以上，具备晶硅无法达到的高度潜力。事实上，钙钛矿在实验室里的表现也没有任何颓势，2021年，亥姆霍兹中心（HZB）科学家制备的钙钛矿/Si叠层太阳能电池转换效率进一步提升至29.80%。

更低的成本

“降本增效”一直是光伏产业化的核心要义，也是光伏企业追逐的终极命题。自光伏技术诞生起，这个行业就围绕着“效率与成本”不断掀起新的技术变革。

一、投资成本

按单位产能投资来看，1GW晶硅电池，以目前最主流的PERC电池为例，硅料、硅片、电池片、组件环节单GW投资额分别为3.45亿元、4亿元、1.5亿元、0.65亿元，合计为9.6亿元。相比较而言，钙钛矿1GW投资额，从化工原料到组件环节，合计约5亿元左右，投资成本约为晶硅电池的50%。

二、制造成本

相较于晶硅电池，钙钛矿电池组件成本构成中，钙钛矿材料占比约5%，总成本约0.5~0.6元，同样也仅为晶硅电池极限成本的50%左右。昆山协鑫光电CEO范斌甚至认为：“钙钛矿的度电成本有望比火电还低，跟火电拉开一毛钱到一毛五的成本差异，从而实现光伏对火电的大规模替代。”

便捷的制造

对比来看，钙钛矿对杂质不敏感，通常90%左右纯度的钙钛矿就可以用于制造效率超20%的电池；而晶硅对杂质非常敏感，纯度必须达到99.9999%以上才能用于制造。

另外，晶硅电池产业链需要硅料、硅片、电池、组件4个工厂，而钙钛矿仅需1个工厂，产业链显著缩短，大幅降低了物流、时间成本。

受温度影响小

钙钛矿电池组件温度系数约为-0.001，趋近于零；而晶硅电池组件温度系数约为-0.3，即每上升1摄氏度，功率将下降0.3%。由于趋近于零的温度系数，钙钛矿电池的实际发电效率还将远高于高于晶硅电池。

更为丰富的应用场景

不同于晶硅电池，钙钛矿电池是将钙钛矿材料涂布在基板表面后再涂上一层保护材料完成生产。因此，其不同于一般太阳能电池的工艺特性也赋予了钙钛矿电池更为丰富的应用场景。不仅可以简单地印刷在玻璃表面，制备玻璃基底的太阳能电池，还可以印刷在其他材料，比如轻薄柔软的塑料或者窗帘表面。具备大尺度弯曲能力的电池，还可以将自己的应用场景延伸至我们随身的电子设备、日用家电智能设备以及光伏建筑一体化等。

3 产业化道阻且长

尽管在理论上、实验室中钙钛矿电池有相当大的优势，可是从产业化角度来看，钙钛矿电池还有很长的路要走。

稳定性弱

钙钛矿材料比较脆弱，不同材料与结构可能存在不耐高温、不耐光照、易水解、易氧化等，在大面积衬底下难以控制薄膜均匀性，效率与稳定性会有所下降。

对环境造成潜在威胁

目前的合成钙钛矿的原材料一般是有机—无机金属卤化物钙钛矿，其中包含铅、碘等，叠加钙钛矿电池不稳定的特性，当晶体遇湿、遇热、被氧化都会造成材料的分解，使得其中的重金属渗透进土壤，对环境造成破坏。

电池寿命不长

目前，寿命最长的钙钛矿太阳能电池只能达到到1000小时，由华中科技大学和洛桑联邦理工学院合作研发。而传统晶硅电池寿命一般可达到25年，即219000小时，比钙钛矿电池长得多。

4 各路玩家纷纷入局

即使在产业化方面面对重重困难，钙钛矿电池的前景依然值得期待，从2021年以来，钙钛矿电池的研发团队就持续受到一级市场上资本的青睐。

2021年1月，纤纳光电完成C轮融资3.6亿元，由三峡资本领投，京能集团、衢州金控、三峡招银等资方跟投。主要用于钙钛矿光伏百兆瓦级产线扩建、叠层产品升级、应用产品研发与生产等。

2021年3月，协鑫光电完成新一轮过亿融资，凯辉能源基金领投。

2021年8月，曜能科技完成数千万A轮融资，高瓴资本领投。

2021年10月，极电光能完成Pre-A轮融资，由碧桂园创投、九智资本联合领投，建银国际、云林基金跟投，募集资金2.2亿元，主要用于新技术研发和试制线建设。

2022年5月，宁德时代董事长曾毓群在业绩说明会上称，公司钙钛矿光伏电池研究进展顺利，正在搭建中试线。

2022年5月，协鑫光电获得数亿元B轮融资，腾讯创业入局协鑫光电，持股比例5.97%。融资将用于进一步完善公司100MW钙钛矿生产线和工艺。

2022年6月，无限光能完成数千万元天使轮融资，由耀途资本、光跃投资、碧桂园创投等参投。无限光能承接了清华大学太阳能转化与存储实验室的科研成果，本轮融资主要用于大尺寸钙钛矿太阳能电池组件试验线的建设、扩充研发及量产技术团队。

5 小结

可以看出，钙钛矿的商业化仍处于起步阶段，但不少产业资本已经跑步入局。统计来看，今年预计有2GW的钙钛矿电池产能实现量产。

光伏技术产业化主要看三大要素——成本、效率、寿命。钙钛矿在成本和效率方面远胜于晶硅电池，但其寿命短、稳定性差、天然不稳定，导致效率衰减过快，这是钙钛矿技术产业化落地的最大掣肘。要知道，目前的光伏电池普遍寿命在25-30年。因此，在提升产品尺寸和能量效率的同时，如何将钙钛矿的寿命提升至25年，将是押注钙钛矿技术的企业亟需解决的问题。

而提升电池寿命，背后又涉及到材料体系、电池结构、封装等等环节。当前，全球光伏界正在对钙钛矿的效率衰减和稳定性进行科技攻关，新的解决方案不断涌现，也许很快就会有最佳的解决办法。作为世界经济论坛（WEF）认定的“改变人类生活的10大新兴技术”之一，钙钛矿电池的前景已经愈发清晰，一幅宏伟的产业蓝图正徐徐展开。