新突破！中国科大提高无铅钙钛矿太阳能电池效率至13.2

瞻观前沿

目前，高效率钙钛矿光伏器件以铅基钙钛矿半导体为主，这种材料所含的重金属铅对环境和健康构成的潜在威胁，促使科学家们不断寻求更为环保的替代品。非铅锡基钙钛矿半导体因其较高的理论效率和较低的毒性，成为了一个极具吸引力的选择。

然而，非铅锡基钙钛矿半导体在实际应用中面临着一系列挑战。其结晶速率快、p型自掺杂严重以及与传输层能级匹配不佳等问题，导致光伏器件在载流子提取和光电转换效率上表现出明显的不足。这一困境成为了制约非铅锡基钙钛矿光伏器件发展的主要瓶颈。

最近，中国科学技术大学微电子学院特任研究员胡芹课题组在解决这一问题上取得了重大突破。据科技日报报道，该课题组成功构建了一种钙钛矿同质结，有效解决了非铅锡基钙钛矿半导体存在的自掺杂严重、缺陷密度高、非辐射复合损失大等问题。这一成果不仅展示了同质结构筑策略在锡基钙钛矿太阳能电池领域的巨大潜力，也为非铅光伏器件的发展开辟了新的道路。

胡芹课题组通过对锡基钙钛矿半导体材料进行掺杂设计，成功引入了锗离子，并在活性层中实现了锗离子的梯度掺杂和同质结构筑。这种梯度掺杂的设计使得钙钛矿半导体吸收层的能级发生变化，进而增强了内建电场，有效促进了光生载流子的分离和提取。

通过一系列的实验表征和理论计算，研究团队验证了锗离子梯度掺杂的效果，并揭示了构建同质结的内在机制。进一步的器件工艺优化后，同质结光伏器件的暗电流降低了两个数量级，缺陷密度降低了一个数量级，功率转换效率也从11.2%提升至13.2%。该器件在最大功率点连续运行250分钟后，仍能保持初始效率的95%以上，展现出了良好的稳定性。

(图片来源：摄图网)

技术价值观察

钙钛矿电池属于第三代新型太阳能电池，产品结构原理和硅基电池差异较大，需全新的工艺流程和产线设备，因此产业链环节差异较大。

钙钛矿电池产业链上游包括TCO玻璃、靶材、POE胶膜、丁基胶等辅材以及镀膜设备、涂布设备、激光设备、封装设备等设备，其中以镀膜设备(PVD、RPD)、涂布机、激光设备为核心;中游为钙钛矿电池及组件制造;下游为钙钛矿电池应用，包括BIPV(光伏建筑一体化)、车载光伏、室内光伏等。

中国科学技术大学微电子学院特任研究员胡芹课题组通过对锡基钙钛矿半导体材料进行掺杂设计，成功引入了锗离子，并在活性层中实现了锗离子的梯度掺杂和同质结构筑，使无铅钙钛矿太阳能电池功率转换效率也从11.2%提升至13.2%。，该技术处于钙钛矿电池产业链中游环节。

宏观市场观察

钙钛矿电池转换效率进步快、理论极限高

钙钛矿电池的研究起步较晚，但其转换效率进步速度远快于晶硅电池。单结钙钛矿电池仅用十余年时间就将转换效率从3.8%提升至26.1%，晶硅/钙钛矿叠层电池转换效率更是迅速升至33.9%，而晶硅太阳能电池达到26.1%的转换效率用了近40年。

钙钛矿电池突飞猛进的发展得益于其优秀的光电性质。相比晶硅材料，钙钛矿材料具有更高的光吸收系数，且其电子和空穴的扩散长度大于百微米，远远大于钙钛矿材料对光子的吸收深度，有利于自由电子和空穴的输运，可被阴阳电极完全收集，进而实现高效的光电转化效率。

钙钛矿电池主要结构有三种

常见高效钙钛矿太阳能电池结构是由透明导电氧化物(FTO或ITO)、电子传输层(ETL)、钙钛矿吸光层、空穴传输层(HTL)、金属电极(背电极)组成的。根据电子传输层与空穴传输层位置不同，可分为正式结构电池(n-i-p)与反式结构电池(p-i-n);根据电荷传输层的形貌结构，可分为介孔结构和平面结构。目前反式平面结构为钙钛矿电池产业化进程中较为主流的选择，布局该类电池的企业包括协鑫光电、极电光能等。

需求端应用前景广阔

钙钛矿电池在分布式光伏市场具备竞争力，可广泛应用于BIPV幕墙，也是光伏车顶的优良材料。钙钛矿电池下游应用场景广泛主要得益于钙钛矿材料吸光系数大，厚度较薄就能实现对太阳光的有效利用，同时钙钛矿材料特性决定了钙钛矿电池的制作可采用轻薄、柔性基底。

此外，钙钛矿太阳能电池的带隙可调性使其具有室内光伏电池理想的宽带隙，将钙钛矿电池的下游应用范围拓展至弱光及室内光伏，进而可以广泛应用于工业物联网、智能家居和智能出行等领域。目前已有相关企业布局该应用领域的研究，经国家光伏产业计量测试中心认证，广东脉络能源科技有限公司研发的钙钛矿室内光伏电池光电转换效率在1000luxU30光源照射下达到44.72%。

中国钙钛矿电池技术赛道热力图

根据产业热力图显示，目前钙钛矿电池关键技术强相关的城市集群主要集中在华东地区，尤其是扬州市成为重点发展区域。这些城市群已投入大量政策、资金、环境和人才资源用于钙钛矿电池研发，成为潜在的钙钛矿电池技术发展中心。根据热力图的分布华东地区有极大的可能性成为钙钛矿电池技术的先导区域。重点关注江苏省扬州市高邮市、江苏省常州市天宁区、江苏省常州市钟楼区等地的相关企业，以及这些地方对钙钛矿电池产业发展的投资环境和潜力市场。

经济学人APP资讯组

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标签： 钛矿 电池 光伏 随笔