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鹑火光电蔡冰博士：钙钛矿电池转化率十余年由3%提升到26%以上，发展速度最快
小财2024-01-30【金融】117264人已围观
1月10日，索比光伏网主办的第二届光能杯・创新分享会在苏州盛大召开。会上，众位大咖围绕新技术、新产品、新模式三大主题展开讨论，并对2024年年度创新产品作出表彰。
湖州市鹑火光电有限公司蔡冰博士表示，与其他类型的电池相比，钙钛矿电池发展时间最短，但发展速度最快，仅仅十余年的时间，钙钛矿电池转化率由3%提升到26%以上，钙钛矿电池与晶硅叠层电池的效率更达到了33.9%。目前市场上仍然缺乏成熟、系统化的制备工艺和设备解决方案，这也是鹑火光电公司正在致力于的发展方向。在高质量钙钛矿薄膜及电池制备技术方面，鹑火光电采用超低气流气淬成膜技术和双重后期处理策略，使得器件良品率从50%提高至90%，实现超过20%效率的大面积电池制备。目前，公司单节0.09CM2小面积电池最高效率25.71%，并正在采用钙钛矿与异质结技术，实现钙钛矿晶硅叠层产业和设备的全自主研发。
以下为嘉宾发言实录：
感谢索比光伏的邀请，大家好，我叫蔡兵，我本人是来自云南大学张文华研究员的课题组，我们课题组的研究方向是钙钛矿太阳能电池，我们与鹑火光电有限公司是长期战略合作关系，因此这次受黄跃龙总经理的委托来作本次报告。
报告的题目是《钙钛矿与太阳能电池产业化发展的机遇与挑战》。
报告内容主要分为以下三个部分。
一、钙钛矿电池的研究背景和产业化趋势
化石燃料的大量开采和利用，在全球范围内导致了一系列的环境污染和能源问题，对于我国来说，这个问题是尤为严重的。一方面，我国的石油和天然气大量依靠进口。另一方面，雾霾等问题逐渐暴露，受到了国民的广泛关注。包括我国在内，世界各国都在大力地推行政策，发展可再生能源技术。我国于2020年提出碳达峰、碳中和的目标。为实现这一目标，根据BP Energy预测，2060年光伏发电需要占到整体能源结构的三分之一以上。在各种光伏系统中，传统晶硅电池的技术和产业化是最为成熟的，已经占到目前市场份额的95%以上，最高的认证记录接近27%，但最近几年提升是比较慢的，性能遇到明显瓶颈。此外，最近几年由于产业化规模的扩大，原材料成本一再降低。但考虑到硅电池产业链比较长，流程工艺相对比较复杂，进一步降低成本比较困难，因此有必要开发高性能、低成本的新型太阳能电池。
钙钛矿材料是19世纪发现的钛酸钙矿石材料，它展现了许多优异的物理化学性质，应用于LED等各种各样的光电器件中，其中最成功、最受瞩目的就是钙钛矿的光伏电池。
与其他类型的电池相比，钙钛矿电池发展时间最短，但发展速度最快。自2009年日本宫坂力教授发明太阳能电池以来，仅仅十余年的时间，转化率由3%提升到26%以上，目前已接近单晶硅电池记录，并且远优于碲化镉、铜铟镓硒等传统的薄膜电池。钙钛矿电池与晶硅叠层电池的效率更达到了33.9%。
通过改变钙钛矿的化学组成，可以调变其光学带隙，不仅可以获得SQ极限下最佳的带隙，还可以提升单节电池效率。通过叠层的方法，还可以进一步提升电池效率，突破单节电池的极限。此外，还可以通过带隙控制得到各种不同颜色的半透明电池，应用于光伏玻璃、BIPV等不同的领域。
此外，钙钛矿材料在成本方面也有巨大优势。晶硅材料对纯度要求比较高，至少需要99.9999%以上才能用于制造太阳能电池，但晶硅的提纯温度在1100-1700℃，拉晶温度在1400℃以上。而钙钛矿材料对纯度要求不高，对杂质不敏感，提纯工艺简单，制造过程能耗低，消耗的能量不到晶硅的1/10。
钙钛矿材料由于是直接带隙，比间接带隙的晶硅要好。为了充分吸光，目前晶硅电池中的晶片厚度通常在100μm左右，可应用于航空航天、可穿戴电子设备等不同领域。钙钛矿进行带隙优化之后，还可以应用于室内弱光情景，广泛应用于物联网、智能家居等领域。目前室内光伏的转化效率已达到44%，展现出较高的应用潜力。由此我们可以看出，钙钛矿虽然完全取代硅是不太可能的，但是在很多应用场景上，还是有不少机会的。
钙钛矿不仅材料成本低廉，制备方法也多种多样，尤其是溶液法，相对来说比较简单，可以快速制备，所需设备成本低廉，因此有利于大幅降低成本。钙钛矿材料仅占电池总成本的5%，而对于晶硅电池来说，硅片成本一般占到60%以上。据推测，钙钛矿产线投资成本仅需晶硅电池的一半，高效+低成本，使钙钛矿电池具有极大的市场化优势。
资本市场目前对钙钛矿电池的认可度是比较高的，像纤纳、协鑫、极电、仁烁等企业正在快速崛起，而钙钛矿上市企业，像晶科、比亚迪、宁德时代等巨头也在积极布局钙钛矿。区别在于，新兴企业的技术路线还主要是单节钙钛矿电池，少数是钙钛矿与钙钛矿的叠层，而传统晶硅企业更多关注的是自身所掌握的晶硅电池技术与钙钛矿相叠层。除此之外，还带动了上下游的光伏玻璃、封装、胶膜等产业链的发展。
然而，钙钛矿电池还具有不少没有解决的问题，对钙钛矿产业发展提出了严峻挑战。首先，对于人体健康和环境造成的损害风险，包括组成配方中不可避免地使用了铅元素，以及制备过程中使用有毒有害溶剂，但值得注意的是，它的有害量并不高，但泄漏到空气中还是会有中毒风险，需要避免。目前铅元素发展较慢，最有效的解决方案还是使用具有吸铅、固铅能力的封装材料，在极端条件下，例如冰雹、暴雨，破坏钙钛矿电池的时候，可以牢牢吸附铅元素，减少其泄漏到环境中。另外，除了可以采用气相法避免溶剂使用之外，随着工艺配方迭代，我们也可以采用安全环保的绿色溶剂将其取代。
稳定性的问题，从2009年首次提出钙钛矿电池开始，钙钛矿电池就一直伴随着稳定性的问题，受到湿度、温度、光照、应力等内外多重因素的影响。最早的钙钛矿电池采用的是液态电解质结构，寿命甚至只有几十秒。但目前随着材料和技术的迭代，研究者们采用了各种技术对电池稳定性进行大幅改善。目前小面积电池方面，根据Nat. Energy的最新报道，连续光照下超过9年的理论寿命，纤纳α组件通过了IEC61215、IEC61730稳定性认证。此外，在一些特殊场景，比如室内光伏、高纬度或高海拔的低温地区，对钙钛矿电池的稳定性会有所提升，因此它的衰减性也不是那么明显。
除了以上两点以外，目前最重要的挑战是大面积的制备问题。随着面积的放大，我们在小面积上取得的高效率，会出现明显的下降。一方面是由于实验室所采用的小面积旋涂法，放大后不均匀，且原料浪费严重。因此，目前都在开发一些代替旋涂的大面积制备工艺，包括热蒸镀、喷墨打印、卷对卷、喷涂、刮涂、狭缝涂布等。但这些工艺或多或少都存在一些问题，比如在气相法中，有机、无机不同组分的蒸发速率相差很多，很难精确控制沉积比例，达到组分的良好平衡。在液相法中，高沸点溶剂去除存在困难。如果采用低沸点的溶剂，大部分低沸点溶剂不仅溶解度不好，而且挥发速度太快，也不容易控制。目前市场上仍然缺乏成熟、系统化的制备工艺和设备解决方案，这也是鹑火光电公司正在致力于的发展方向。
二、鹑火光电公司简介
鹑火，是中国古代十二星次之一，代表朱雀的心脏，具有燃烧不尽的生命力。
鹑火公司致力于提供新型、高效、平价光伏电池技术解决方案。“锲而不舍，致在登峰”，是鹑火公司的信念。
鹑火公司成立于2021年，目前在职员工超过100人，国家特聘专家2名，省级特聘专家3名。主要产品是全尺寸钙钛矿太阳能电池核心工艺设备。不仅面向企业提供高性价比的量产工艺，还向科研团队提供开放的中试实验平台设备。
公司目前搭建了较为完备的研发、测试平台，包括量子效率测试、吸收、X扫描等大型设备，并与德国Jülich研究中心、云南大学、南科大、伦敦大学、清华大学能源与动力工程学院持续保持合作关系。
三、公司工艺路线与自研设计
在高质量钙钛矿薄膜及电池制备技术方面，采用超低气流气淬成膜技术和双重后期处理策略(特定溶剂蒸汽和甲胺气体)，使得器件良品率从50%提高至90%，实现超过20%效率的大面积电池制备;2019年钙钛矿电池效率首次获得认证纪录19.6%@1CM2;目前，单节0.09CM2小面积电池最高效率25.71%。证明了电池技术的先进性。
在大面积方面，基于高精度狭缝涂布的原理，开发拥有自主知识产权的涂布技术、材料配方和结晶工艺;开发了可扩展化大面积制备的设备，实现了实验室小面积到可扩展化大面积组件制备的高效率低损耗工艺目标。
此外，我们还对工艺进行了拓展。针对目前钙钛矿制备过程中对于环境条件的十分依赖，尤其是空气中的湿度，要求是比较高的，我们开发了适应高湿度环境的钙钛矿前躯体配方和低温成膜工艺，组件效率达到21.76%，认证效率最高达到20.8%。目前公司主攻30cm×30cm及以上的技术，采用的是自研设备。
叠层方面，采用钙钛矿与异质结技术，实现钙钛矿晶硅叠层产业和设备的全自主研发。
先进的技术，需要先进的设备来支撑，公司的全自主研发设备，涵盖组件制备的大部分流程。公司自主研发设备，具有高稳定性和高匹配性，可以提供针对性和系统性的解决方案。包括磁控溅射设备，基于自主磁场、电场耦合设计，具有旋转靶、孪生靶的独特设计，可以提供高稳定性、适合钙钛矿电池工艺的技术。此外还有激光划刻设备，采用的是全自主光学和运动控制设计，划线精度和重复性可满足各类电阻及成膜工艺的需求。
为了辅助钙钛矿结晶，开发设计了真空闪蒸设备及工艺，相比于风道，可实现更好的制备性，获得致密、结晶良好的钙钛矿薄膜。
ALD设备体积紧凑，配置单元多样化，适合后续工艺研发及量产。
目前的合作客户包括北大、西安交大、北理工等高校及国内多家企业，优质的服务受到了国内的广泛好评。
以上就是本次报告的全部内容，感谢您的聆听，感谢关注鹑火光电。
