25.09！科学家开发出新的CBD制造方法 实现了柔性钙钛矿太阳能电池最高功率转换效率

瞻观前沿

柔性太阳能电池在航空航天和柔性电子领域具有许多潜在应用，但较低的能量转换效率限制了其实际应用。一种新的制造方法提高了由钙钛矿制成的柔性太阳能电池的功率效率，钙钛矿是一类具有特定晶体结构的化合物，有助于将太阳能转化为电能。

目前的柔性钙钛矿太阳能电池(FPSC)的功率转换效率比刚性钙钛矿太阳能电池低，因为FPSC的钙钛矿薄膜由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成的柔性基材具有柔软且不均匀的特性。FPSC的耐用性也低于使用玻璃作为基板的刚性太阳能电池。柔性太阳能电池基板中的孔隙允许水和氧气侵入钙钛矿材料，导致它们降解。

为了解决当前FPSC技术的这些问题，清华大学电力系统运行与控制国家重点实验室和中国北京国家纳米科学中心纳米科学卓越中心的材料科学家团队开发了一种新的制造技术提高了FPSC的效率，为更大规模地使用该技术铺平了道路。该团队在iEnergy上发表了他们的研究。清华大学电力系统运行与控制国家重点实验室副教授、该论文的资深作者 Chenyi Yi表示：提高 FPSC的电力转换效率至关重要，原因如下：更高的效率，使FPSC与其他太阳能电池技术更具竞争力，降低每瓦发电成本，以及生产同等电量所需的资源，并增加了FPSC的实际应用范围，包括空间和重量都很重要的航空航天和柔性电子。

具体来说，该团队开发了一种新的化学浴沉积(CBD)方法，可以在柔性基板上沉积氧化锡(SnO 2)，而不需要强酸，而许多柔性基板都对强酸敏感。这项新技术使研究人员能够更好地控制柔性基板上氧化锡的生长。氧化锡充当FPSC中的电子传输层，这对于功率转换效率至关重要。

Yi说：这种CBD方法与之前的研究不同，它使用SnSO 4硫酸锡而不是SnCl 2氯化锡作为沉积SnO 2的锡前体，使得新方法与酸敏感的柔性基材兼容。重要的是，新的制造方法还解决了FPSC的一些耐用性问题。 由于钙钛矿中的Pb 2+铅与SnO 2中的SO 4 2-之间的强协调作用，基于SnSO 4的CBD后留下的残留SO 4 2-硫酸盐另外有利于 PSC的稳定性。因此，我们可以制造更高质量的SnO 2以实现更高效、更稳定的 FPSC。

该团队实现了FPSC最高功率转换效率25.09%的新基准，并获得了24.90%的认证。 SnSO 4基柔性太阳能电池的耐用性也得到了证明，电池弯曲10000次后仍能保持90%的功率转换效率。与基于SnCl 2的柔性太阳能电池相比，基于SnSO 4的柔性太阳能电池还表现出改善的高温稳定性。研究团队开发的新制造方法产生了可重复的结果，并允许制造商重复使用化学浴，提高了可扩展FPSC生产的实用性。

图片来源：摄图网

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。

科学家开发出新的CBD制造方法，使用SnSO 4硫酸锡制成的柔性基板，实现了柔性钙钛矿太阳能电池(FPSC)最高功率转换效率，也实现了超强的耐用性。因此，从太阳能电池产业链上看，该电池技术处于产业链的上游原材料环节。

宏观市场观察

——钙钛矿电池优点分析

总结来看，钙钛矿电池的降本增效优势明显，产业化潜力十足。钙钛矿电池相对于晶硅电池效率上限更高，单结钙钛矿电池效率上限超30%，双结叠层效率上限更有望接近45%，而晶硅电池效率难以突破30%。此外，钙钛矿电池相对于晶硅电池成本更低，可实现全口径平价上网，而晶硅电池成本较高。同时，钙钛矿电池相对晶硅电池具备高弱光效应，钙钛矿材料在阴雨天气和日出日落等弱光环境均能工作。

——钙钛矿电池痛点分析

钙钛矿及电池器件各材料稳定性存在先天缺陷，容易导致组件在运行过程中寿命衰减。钙钛矿电池组件的不稳定性主要来自于钙钛矿材料自身的不稳定，以及器件各层材料之间的接触面对器件性能的影响。

钙钛矿自身的不稳定性可分为：1)物理不稳定性，即材料本身分解能较低，离子容易发生扩散，温度或者组分的差异会导致钙钛矿材料发生成分偏析或者相分离，影响钙钛矿层的光电性能和长期稳定性;2)化学不稳定性，即钙钛矿具有离子键合特性，并且组成离子均为离子势较小的软离子，且含有较易分解的有机铵离子，这使得钙钛矿体系形成能较小、缺陷密度较高、各组分反应活性大，容易与环境中的水分子、空气发生反应，光照下发生相分离，同时大量缺陷的存在也使得离子迁移很容易发生，是钙钛矿太阳能电池存在退常现象的重要原因，离子迁移的累积会造成钙钛矿晶体结构的崩塌，极大地损害器件的长期稳定性。

——钙钛矿叠层电池实验室最高转换效率达33.9%

根据NERL公布的最新数据，截至2023年11月，钙钛矿单结电池最高实验室转换效率达26.1%，钙钛矿/晶硅叠层电池最高实验室转换效率更是高达33.9%，由隆基绿能的研发团队创造。整体来看，钙钛矿/钙钛矿、钙钛矿/晶硅、钙钛矿/薄膜等叠层电池为当前研发的热点之一，构建叠层电池能大幅提升光电转换效率。

——供给端产业化方向存在差异

目前，钙钛矿电池行业正处于从实验室到产业化的重要阶段，产业化元年或已悄然而至。当前，国内钙钛矿电池厂商可分为上市企业和非上市企业两大竞争派系。上市企业包括宁德时代、隆基绿能、天合光能、晶澳科技等电池行业龙头企业，多具有晶硅电池背景，正向钙钛矿/晶硅叠层电池方向努力;非上市企业包括协鑫光电、纤纳光电、大正微纳、极电光能、万度光能等，以单结钙钛矿电池为主要产业化方向。

——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 钛矿 电池 随笔