钙钛矿如何突破大面积制备与稳定性难题？我们与暨大教授麦耀华聊了聊 |【经纬科创汇*碳中和】
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本篇是我们碳中和系列的第7篇文章，访谈对象是麦耀华教授，他是暨南大学新能源技术研究院院长、广东脉络能源科技有限公司团队带头人，国家引进海外高层次人才特聘专家入选者，长期从事硅基太阳电池、钙钛矿太阳电池、硫系薄膜太阳电池等方向的研究和产业化工作，主持了包括国家重点研发计划项目等省部级以上项目20余项，并取得一系列的研究进展。
我们与麦教授主要探讨了钙钛矿电池的技术原理、狭缝涂布等关键工艺流程、性能优劣势等等，以及分析了钙钛矿稳定性等难点问题。钙钛矿作为薄膜电池中极具潜力的技术路径，正在以前所未有的速度成熟，未来的钙钛矿叠层电池也具有广阔前景。
第二，钙钛矿可以传导电子和空穴，且在钙钛矿光吸收层中都具有较大的扩散长度。
第三，钙钛矿对缺陷和杂质不敏感。传统的晶体硅太阳电池，如PERC、TOPCon等，以及CIGS、CdTe等无机薄膜太阳电池，对缺陷和杂质都是相当敏感的，通常要高纯度的半导体材料，严格抑制缺陷和杂相的形成，而钙钛矿可以通过较低纯度的原材料合成，工艺窗口宽、原材料成本低。
钙钛矿太阳电池的结构类似于一个“三明治”，中间为吸收层，两端为电荷传输层，原理和结构都很简单，但想要做好并不容易，需要做很多细致的工作，比方说缺陷钝化等。
晶体硅太阳电池以硅片为基础，需要实现自支撑，考虑到生产过程中的破片率等问题，晶体硅电池的厚度通常都在100微米以上。另外，晶体硅作为一种间接带隙材料，光吸收系数比钙钛矿低，太薄的硅片也会带来光吸收不充分的问题。
目前钙钛矿电池的稳定性是不如晶硅的，但不如硅就不好吗？不见得，因为在钙钛矿电池平时的使用过程中，一般来说所测到的工作温度是40多度，极端情况可能到60多度，超过100摄氏度是几乎不可能的。所以钙钛矿电池在正常的温度下工作是没有问题的。
当然，在一些特殊情况下，比如在电场作用下，可能会发生离子迁移的问题，以及电化学腐蚀反应过程有可能更严重，这些问题还有待进一步研究。
现在不少研究结果表明，钙钛矿光伏组件可以通过IEC 61215的加严测试或者部分测试，这对钙钛矿电池来说是非常大的进步，大大坚定了大家将这种技术产业化的信心。IEC61215是一个地面用光伏组件的产品定型测试标准，根据当前对光伏组件失效机制的理解，晶硅太阳能电池和无机薄膜太阳能电池如果能通过IEC 61215测试，大家就认可其具有二十年的寿命。但是，IEC61215这个标准是否适用于钙钛矿光伏组件还是一个问题，如果钙钛矿组件的失效机制和传统光伏组件相似，这个标准是适用的，否则，我们还需要更多的实证测试来研究钙钛矿组件在不同工作环境下的失效机制，并根据研究结果编制新的产品定型标准。
不过，把狭缝涂布技术用在钙钛矿电池制备上，还是有很多不同的。钙钛矿光吸收层是一种半导体材料，除了要均匀地涂布外，还必须控制结晶质量，减少晶界和缺陷的产生，这比原来涂布锂离子电池电极的要求复杂得多，而且要加上溶剂萃取、退火结晶等后续工艺，这些工艺需要与涂布紧密配合，对设备、工艺和环境要求也是相当高的。
总体来说，对于钙钛矿的薄膜制备，想要实现均匀制备并不困难，但对结晶工艺过程的控制还是很有挑战性的。这就是最主要影响钙钛矿电池在大规模生产中良品率的关键因素，当下具备平方米级以上制备技术的企业还非常少，还需要更多这方面的研究。
除了狭缝涂布技术，现在也有不少人在研究蒸发技术，蒸发也可能实现大面积镀膜。当然蒸发也有自己的问题，第一就是它的成膜速度比较慢；第二是设备成本现在还比较高。这些都还需要花更多的精力来研究，提高工艺成熟度。
钙钛矿电池制备温度低，可以用高分子材料，如PET和PEN等，作为衬底，但是塑料衬底的水汽透过率是相当高的，而钙钛矿电池恰恰对水汽又是非常敏感的。所以我们需要在衬底上沉积高光透过率和高水汽阻隔的薄膜来实现适当的寿命。
水汽高阻隔薄膜通常由多层有机和无机薄膜组成的复合材料，然后在边缘处，必须要采用阻隔水汽的密封胶，才有可能实现较长期的稳定性。目前，水汽高阻隔薄膜成本很高，而且被国外企业所垄断。
目前，钙钛矿基的叠层太阳电池主要有钙钛矿-晶硅叠层、钙钛矿-铜铟镓硒叠层和钙钛矿-钙钛矿叠层三种结构，钙钛矿-晶硅叠层电池有非常成熟的晶硅电池的产业基础，但钙钛矿-钙钛矿叠层电池也有它的优势，因为它的底电池和顶电池的工艺兼容性最好，基本上一条生产线就可以完成所有生产环节。目前来看各有各的优势。我认为钙钛矿-钙钛矿的叠层电池未来可能具有最低的生产成本，但效率不见得最高，钙钛矿-晶硅在效率上可能更有优势，但最终大家可以应用于不同场景的市场。
不过，我认为叠层电池现在还解决顶底电池的寿命失配的问题。现在晶硅电池寿命相当长，如果采用双玻封装的话，很多企业都承诺30年的寿命，而且已经有企业在探讨40年寿命的可能性。如果钙钛矿顶电池的寿命相对较短，例如只有20年，那么顶底电池的寿命失配可能会影响整体器件平准化电能成本的竞争力。
另一方面，我认为现在钙钛矿基叠层电池的产业化还必须考虑规避专利风险，牛津光伏（Oxford PV）作为最早的叠层电池企业，拥有钙钛矿基叠层电池的结构专利，这对其他叠层电池生产企业来说无疑是一个重大风险，必须考虑如何规避。
对于钙钛矿太阳电池来说，一个巨大的优势就是它的组件成本比较低，但是目前的转化效率还需要进一步提升，和晶体硅组件超过20%的转换效率，未来达到23%-24%的转换效率比起来还不够。因此钙钛矿的发展路径，就是要在已有的低成本的同时，逐步提高转化效率，而且要确保足够长的寿命，最终才能算出一个足够性价比的LCOE，否则市场会缺乏驱动力来用一款新技术。
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