全球最高21.68！韩国科学家实现透明太阳能电池效率新突破

瞻观前沿

韩国能源研究所光伏研究部与KIER能源人工智能和计算科学实验室合作，拥有显著先进的半透明钙钛矿太阳能电池技术，达到破纪录的21.68%，成为全球使用透明电极的钙钛矿太阳能电池中效率最高的。此外，它们还表现出卓越的耐用性，研究表明，在黑暗储存400小时和连续照明操作条件下240小时以上，其初始效率仍保持在99%以上。

这一突破旨在增强太阳能电池在窗户和串联配置中的应用，解决了到2050年实现碳中和的关键挑战。通过创新研究，该团队提高了这些电池的稳定性和效率，为太阳能领域做出了重大贡献活力。

研究人员利用电光分析和原子级计算科学来确定半透明钙钛矿太阳能电池制造过程中电荷传输特性和稳定性降低的原因。通过这一点，他们发现，为了增加空穴传输层的电导率而添加的锂离子(Li)会扩散到用作缓冲层的金属氧化物层中，最终将金属氧化物缓冲层的电子结构改变为降低其特性。

此外，除了确定原因外，研究人员还通过优化空穴传输层的氧化时间来解决问题。他们发现，通过优化氧化将锂离子转化为稳定的氧化锂(LixOy)可以缓解锂离子的扩散，从而增强器件的稳定性。这一发现表明，锂氧化物，以前被认为是一种简单的反应副产物，可以在提高效率和稳定性方面发挥关键作用。

该研究的负责人、光伏研究部的Ahn SeJin博士表示，这项研究代表了该领域的重大进展，通过检查有机化合物和金属氧化物缓冲层界面处发生的降解过程，这是独特的半透明钙钛矿太阳能电池，并补充道，我们的解决方案易于实施，展示了我们开发的技术未来使用的巨大潜力。

图片来源：韩国能源研究所

技术价值观察

太阳能电池产业链一般包括上游的原材料，如硅片、银浆、纯碱、石英砂等，以及将原材料进行加工，制造成硅棒、硅锭和硅片等;中游分为两大部分，光伏电池板及光伏组件;下游为太阳能电池，光伏的应用领域，包括电站系统的集成和运行。目前中国太阳能行业的产业链较为完整，市场需求量大。

韩国科学家实现半透明钙钛矿太阳能电池技术的显著突破，实现了世界领先的21.68%效率。因此，从太阳能电池产业链上看，该电池技术处于产业链的中游电池环节。

宏观市场观察

——全球太阳能电池技术来源国分布：中国占比最高

目前，全球太阳能电池第一大技术来源国为中国，我国太阳能电池专利申请量占全球太阳能电池专利总申请量的42.31%;其次是日本，日本太阳能电池专利申请量占全球太阳能电池专利总申请量的20.70%。韩国和美国分别排名第三和第四，占比也均超过10%。

——全球太阳能电池行业专利申请人竞争：LG电子株式会社夺得桂冠

全球太阳能电池行业专利申请数量TOP10申请人分别是LG电子株式会社、浙江爱旭太阳能科技有限公司、广东爱旭科技有限公司、松下知识产权经营株式会社、钟渊化学工业株式会社、苏州阿特斯阳光电力科技有限公司、夏普株式会社、阿特斯阳光电力集团股份有限公司、太阳电子公司和天合光能股份有限公司。

其中，LG电子株式会社太阳能电池专利申请数量最多，为932项。浙江爱旭太阳能科技有限公司排名第二，其太阳能电池专利申请数量也超过600项。

——太阳能电池分类

太阳能电池可以分为三类：第一代晶硅电池、第二代化合物薄膜电池以及第三代新型电池。钙钛矿电池属于第三代新型太阳能电池，具有原料无毒且储量丰富、成本低、工艺简单且可柔性制备等优点，产业化发展潜力巨大，目前发展仍处于中试线阶段。

——钙钛矿电池发电原理为光生伏特效应

钙钛矿太阳能电池是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，其发电原理基于半导体的光生伏特效应，利用电子和空穴对产生电流。钙钛矿电池器件的工作机制总体可以被划分为五个过程：光子吸收过程、激子扩散过程、激子解离过程、载流子传输过程以及电荷收集过程。经过五个过程后，自由电子通过电子传输层后被阴极层收集，自由空穴通过空穴传输层后被阳极收集，两极形成电势差，电池与外加负载构成闭合回路，回路中形成电流。

——钙钛矿电池理论极限转换效率高

从技术路线来看，钙钛矿电池主要有单结钙钛矿电池和叠层钙钛矿电池。如果一个钙钛矿电池只有钙钛矿本身的三明治结构，那么就是单结钙钛矿电池。所谓叠层钙钛矿电池，是指钙钛矿层可以堆叠在彼此之上，也可以堆叠在传统晶硅太阳能电池之上，形成能够吸收更宽太阳光谱的串联电池。按照不同材料的堆叠，叠层钙钛矿电池的技术路线有晶硅/钙钛矿叠层电池、全钙钛矿叠层电池、薄膜电池(如铜铟镓硒)/钙钛矿叠层电池等。

钙钛矿电池拥有更高的理论转换效率，未来发展空间更大。追求持续的降本增效一直是光伏行业发展的主旋律，目前晶硅电池越来越接近29.4%的理论极限，发展潜力有限;而钙钛矿电池拥有更高的31%理论转换效率上限，且可与其他电池进行双结、三结叠层，分别达到35%和45%的转换效率。

——太阳能电池产业将进入整合阶段

十四五规划提出要构建现代能源体系，推进能源革命，建设清洁低碳、安全高效的能源体系，提高能源供给保障能力。大力提升光伏发电规模，加快发展东中部分布式能源，建设一批多能互补的清洁能源基地，十四五期间非化石能源占能源消费总量比重提高到20%左右。

2021年5月11日，国家能源局发布《关于2021年风电、光伏发电开发建设有关事项的通知》，明确提出2021年全国风电、光伏发电发电量占全社会用电量的比重达到11%左右，后续逐年提高，确保2025年非化石能源消费占一次能源消费的比重达到20%左右。

随着我国太阳能电池行业的快速发展，光伏技术的不断成熟，太阳能电池产品发展将趋于智能化、轻量化和集成化;而行业补贴的不断滑坡，将不断促使行业的市场化发展，因此降低成本仍将是行业发展未来几年的主题，并且在这一大背景下，行业整合将进一步加剧，企业间兼并重组事件数量预计将大幅增加。

——需求将推动太阳能电池产量持续快速增长

认为2021年我国太阳能电池行业产量将随着碳中和碳达峰政略的落实以及全球对环保能源需求的快速增加，从而继续保持高增长，行业产量将突破23000万千瓦。在随后的几年，我国太阳能电池行业虽然将受国家补贴下滑的负面影响，但由于整体绿色能源市场需求潜力巨大，因此太阳能电池需求仍将快速增长，而更多的则是行业内部的兼并重组，企业通过这一形式获取规模收益。预计2027年，我国太阳能电池产量将达到85000万千瓦，年复合增速约30%。

中国太阳能电池技术赛道热力图

 

根据产业热力图显示，与太阳能电池关键技术强关联的城市集群主要集中在华东和华南地区，并且以江苏、广东省为重点发展区域，未来布局太阳能电池技术及其他相关技术的发展路径，极大可能性在于华东华南优先导入，其中可重点关注江苏省扬州市高邮市、广东省深圳市福田区、龙华区、宝安区所处太阳能电池的相关企业，以及该地方对于太阳能电池的产业发展投资环境、供给市场的潜力空间。

经济学人APP资讯组

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标签： 太阳能电池 电池 钛矿 随笔