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光伏产业:钙钛矿电池主流技术路线及国内投产汇总.docx
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光伏产业:钙钛矿电池主流技术路线及国内投产汇总
导 读
随着钙钛矿逐步进入量产化,尽管钙钛矿电池还处于产业化比较早期阶段,诸多
技术工艺细节尚未定型,但目前单结钙钛矿制备流程基本确定,其中激光切割步
骤和结晶步骤为核心步骤,各层的制备手段技术路线也还存在争议。
钙钛矿企业处在 0-1 过程,根据 CPIA,截止 2023 年 2 月底,国内已有协
鑫光电、纤纳光电和极电光能等 3 条百兆瓦以上产能钙钛矿产线投产。产业化
已经拉开序幕。
一、钙钛矿电池产业化的主要挑战
稳定性、大面积制备与环境污染为目前主要挑战。
1、稳定性差是制约钙钛矿电池产业化的重要因素。目前钙钛矿太阳能电池的
T80 寿命(效率下降到初始值的 80%)约 4000 小时, 距当前主流光伏技术
的 25 年寿命相差甚远。从原因来看,钙钛矿太阳能电池不稳定的原因可以分为
吸湿性、热不稳定性、离子迁移等内在因素,和紫外线、光照等外在因素。
钙钛矿电池多采用氧化钛做致密层或纳米多孔载体层,这种结构导致其稳定性对
紫外光照较为敏感。
由于钙钛矿材料的可设计性,研发人员提出了各种应对方案解决稳定性问题。针
对热稳定性和化学稳定性,发展了全无机钙钛矿材料;针对水和高湿度不稳定性,
引进了长链有机分子,发展了二维钙钛矿材料等;常用的锂盐掺杂的 Spiro 空
穴传输层的稳定性比钙钛矿层还要低,因此提出了采用高稳定的无机材料替代有
机功能层材料的解决方案;为应对扩散和离子迁移,提出了发展表面阻挡层、封
装、“零维”钙钛矿材料等方案。
2、目前 PSCs 大面积 模块的 效率仍远 低于小 面积,是 制约产 业化的另 一难题 。
小面积电池与大面积模块之间存在显著的效率差距的原因主要有:(1)溶液处
理法下大面积薄膜的覆盖率、均匀性、平整度控制难度更高;(2)尺寸增大时,
钙钛矿层的缺陷也增加,对光诱导载流子的提取和传输产生负面影响;(3)透
明电极的电阻随面积增大而近似线性增加,使电池的串联电阻增加,性能下降。
高质量均匀大面积薄膜的制备方法有待突破。溶液旋涂法是实验室制备 PSCs
的常用方法,虽然操作简单、成膜速度快、重复性好,但无法满足钙钛矿太阳能
电池大规模工业化生产所需要的大面积、低成本等制造要求。目前常用制备大面
积钙钛矿生产工艺主要有刮涂法、狭缝涂布法、喷涂印刷、气相辅助沉积技术法
等。目前大面积钙钛矿太阳能电池的光电转换效率与旋涂法相比仍存在差距。
3、含铅钙钛矿存在环境污染风险,也是产业化待解决的问题。在典型的有机金
属卤化物钙钛矿电池中含有铅元素,而铅元素一旦泄露会产生严重的环境污染问
题,因此铅元素在国际许多国家和地区都被列为禁止使用的材料,与此同时,含
铅钙钛矿电池的回收也是重要的研究课题。研究者们在努力向无铅化钙钛矿探索,
但相应会带来电池转换效率的降低。
但较晶硅行业用铅量来说,钙钛矿太阳能电池用铅量实际更低。虽然硅片不含铅,
但晶硅电池的焊带是铜箔涂铅的。每一个标准尺寸的晶硅组件中大概有 18 克左
右的铅,而同样尺寸的钙钛矿组件含铅量不超过 2 克,仅为晶硅的 1/10。根
据 RoHS 标准,晶硅组件中的铅含量不能超过 0.1%,而钙钛矿组件中的铅含
量不足 0.01%,相对于晶硅电池更加环保。
二、钙钛矿主流技术路线
随着钙钛矿逐步进入量产化,尽管钙钛矿电池还处于产业化比较早期阶段,诸多
技术工艺细节尚未定型,但目前单结钙钛矿制备流程基本确定,其中激光切割步
骤和结晶步骤为核心步骤,激光切割设备方面目前主流厂商均可以覆盖,而结晶
环节来看,由于其原理是各家企业的核心竞争力所在,基本采用定制零部件,厂
商自行组装的步骤,例如如何结晶甲醚使其保持稳定,甲胺的掺杂比例等。
2.1 钙钛矿薄膜制备方法多样,狭缝涂布为目前主流
各个膜层的制作对于钙钛矿效率起到决定性作用。在钙钛矿电池中,不管是传输
层还是钙钛矿层都是薄膜制备,因此工艺选择对其形成膜层的性质起到关键作用,
例如良好的钙钛矿层显示出结晶颗粒大,层间晶界较少的状态。
干法与湿法工艺多种多样,各有优劣势。由于目前理论上钙钛矿各层材料均有多
重选择,因此其基本都可以使用干法或是湿法工艺进行制作,而在近年逐步商业
化的过程中,不仅成型后材料的稳定性与均匀性需要纳入考虑,经济性也成为重
要的考量因素。从目前产业的实践来看,干法可以获得质量更优的钙钛矿层,而
湿法工艺经济性更强。
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