钙钛矿能成为光伏行业的未来吗？我们与浙大教授左立见聊了聊 |【经纬科创汇*碳中和】
经纬科创汇碳中和专场又与大家见面了，我们邀请学界与业界的资深专家，以及行业投资人与创业者来进行交流。
本篇是我们碳中和系列的第6篇文章，访谈对象是左立见博士，他是浙江大学高分子科学与工程学系“百人计划”研究员、浙江大学-杭州国际科创中心青年PI，多年聚焦在高性能、低成本聚合物和钙钛矿光伏器件技术，并取得了一系列进展。
我们与左博士主要探讨了钙钛矿电池的技术原理、关键工艺流程、性能优劣势等等，以及分析了钙钛矿稳定性和含铅的难点问题。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。
如果你想更系统地了解碳中和（光伏、储能、碳捕捉等），请参考我们本期科创汇的其他文章，未来我们还会分享一系列分析研究。降本提效是光伏行业永恒的追求，PERC之后可能是异质结（HJT）、TOPCon或IBC，而再之后很可能是钙钛矿。钙钛矿的光电转化效率上限更高，可以突破晶硅电池极限，并且原材料从硅料换成钙钛矿，成本更低廉。在上一篇我们聊了HJT和TOPCon，这篇我们聊聊钙钛矿。以下，Enjoy：
钙钛矿由三种不同的组分组成，我们通常把它定义成ABX3，其中B-X会组成一个正八面体结构。正八面体结构在通过“尖”共享（corner-sharing）形成一个三维的“离子型”晶体，原子之间相互作用力比较弱。B-X键及其组成的钙钛矿结构决定了钙钛矿半导体材料的绝大多数性质。而A组分则嵌入到正八面体之间的空隙之中，通过更弱的氢键和静电吸引与B-X组成的八面体结构相互作用，但是对光电性质贡献相对较小。
钙钛矿这种材料的性质有点像我们常用的食盐——氯化钠，氯化钠是一种晶体，靠离子键组合在一起，用水可以轻松地把他们之间的化学键破坏掉，就溶解了，当水干了，它就又析出来了。钙钛矿也类似，由于其化学键比较弱，所以我们可以通过溶液法来制备钙钛矿太阳能电池，这是跟硅非常不同的地方。这种可以通过溶液法加工制备的特点，给钙钛矿太阳能电池带来了工艺成本低的先天优势。钙钛矿晶格结构弱的特点也使钙钛矿内部容易形成缺陷态，同时造成了钙钛矿不稳定。
不过研究发现，钙钛矿对缺陷态具有非常好的包容性，这是一种非常重要的性质。人们发现，虽然钙钛矿中很容易出现缺陷，比如由于B-X键能较低，很容易在室温激发下破坏，形成点缺陷等。有趣的是，在钙钛矿里面，这些缺陷态在能级上都是非常“浅”的缺陷态（陷阱能级靠近价带或者导带），并不会对电荷传输和电荷复合过程造成太大影响。这里涉及一些半导体物理，可能有些难理解。
打个比方，电荷传输的过程就像我们在路上开车，路上的一些坑坑洼洼的地方就是缺陷态，假如路上都是一些非常小的小坑，对我们开车不会造成太大影响，钙钛矿对缺陷的包容性也与之类似。
基质上的钙钛矿晶体。图片来源：Wikipedia
经纬：钙钛矿太阳能电池只是一个大类的名称，它还有无数种配方，对于学界和产业界来说，对最终有可能走向商业化的配方有形成共识吗？
左立见：目前还不能说共识，但目前大家普遍都在做的方向是FAPbI3(甲脒铅碘盐），就是基于FAPbI3为主体的钙钛矿，再掺一些杂原子进去，构筑的高性能器件。该组分也实现了当前钙钛矿太阳电池的最高效率，算是现在的一种主流选择，也是目前最具有商业化前景的组成。
值得一提的是，现在即便是FA，也没有到达理想带隙，对于太阳能电池理想带隙是900多纳米。我相信钙钛矿在材料探索上，还有很大空间，而这种探索也会带来更高的效率前景。
第二点是，基于FA导致的晶体结构表现出更优异的电荷传输性能。
第三，FA体系的钙钛矿具有更优异的稳定性。FA相对于MA不好的地方在于其对水汽变得更为敏感。
此外，FA相对于MA来说，成膜特征也不一样。在加工制备上也具有一定优势。需要强调的是，钙钛矿材料体系一直在发展，期待未来能有更优异的体系出现。
用于太阳能电池的金属卤化物钙钛矿
经纬：对于钙钛矿这个ABX3，中间的“B”现在用铅比较多，效率比较高，但铅肯定有污染性，这也是大家对钙钛矿劣势讨论比较多的地方，现在可以把铅换成锡或者别的材料吗？含铅会阻碍钙钛矿的应用前景吗？
左立见：首先，至少目前来看铅对于高性能钙钛矿是必要的，因为目前还没有发现任何一个不含铅的方法，能让效率超过20%。锡基钙钛矿可以做到16%左右，但还不太成熟。期待未来能有对环境污染和人体伤害比较小，同时又可以实现高光电转换效率的材料体系出现吧。
碲化镉薄膜电池中的镉，也是有毒的，但美国还是支持这个行业，因为碲化镉不是水溶的，不会对环境带来太大的影响。像我们做实验的时候，毒性固体肯定比液体、气体要危害性小，因为固体不会挥发或是渗透，与身体接触的概率并不大，做好防范就基本可以了。当然，钙钛矿的技术在快速进步，相信这些问题在不同领域的专家努力下会迎刃而解。
经纬：所以此时钙钛矿的封装技术就非常重要了。特别是钙钛矿的另一个劣势是稳定性的问题，它遇水气等会有一定的寿命衰退。您怎么看钙钛矿的稳定性问题？
左立见：是的，这里的封装应该包含两个目的，一方面要防止铅泄露；另一方面，要防止外界的气氛，如水汽等对钙钛矿产生致命影响，保护钙钛矿太阳能电池。
稳定性问题对于所有电池来说都是存在的，包括硅基电池，硅基电池如果不封装的话，寿命也不长。封装针对光伏器件本身的弱点本身的特性来量身定制，比如硅可能对氧气、水汽更敏感，并可以耐高温，因此采用EVA或者POM加上玻璃背板的技术。
钙钛矿的弱点体现在化学键比较脆弱，溶剂分子或水汽可以很容易把它的化学键破坏掉，一旦被破坏，器件衰减就是一个必然的过程，比如有水汽渗进去，就会造成不稳定。并且钙钛矿本身在高温下会变得不稳定，所以我们需要找到一种具有很强针对性、效果好，同时又很便宜的封装技术，来把器件保护到十年以上都不出问题，这是钙钛矿领域长期发展很重要的一件事情，需要不同领域的人共同攻克。
所以钙钛矿的封装，可能需寻找一种新材料，封装温度低，同时在室温下阻隔效果又好，寻找这种材料无论在科学上还是技术上都具有一定挑战。
经纬：我们刚刚谈到封装的问题，那其他工艺环节，有遇到什么难点吗？现在的三大流程：镀膜、激光刻蚀、封装，激光刻蚀可能相对成熟一些，镀膜成熟度如何？
左立见：在制备环节，最核心的问题还是成膜性。理想的钙钛矿太阳能电池薄膜，应该是一层表面光滑平整，同时结晶度又高的钙钛矿多晶薄膜。这在技术上是有一定难度的，因为通常来讲，结晶度高表面就会比较粗糙。
举个简单的例子，刚才我们提到过钙钛矿的化学本质有些像我们平时用的“食盐”。当我们把海水晒干，会结晶出一些盐粒，而不是一层光滑的“盐膜”，从这个方面来讲，钙钛矿成膜性并不好。因此，如何制备高质量钙钛矿薄膜也成为了制备高性能钙钛矿太阳能电池的重要挑战之一。
目前制备钙钛矿薄膜的过程多采用狭缝涂布的方式。就是将钙钛矿配成溶液，然后通过一个狭缝均匀涂布到衬底，有点像“钢笔写字”的过程。采用狭缝涂布制备的小组件器件效率可以超过20%。薄膜制备虽然在日趋成熟，但很多工艺环节依然需要继续改进，要更高效的调控晶体生长的技术，实现大面积钙钛矿快速、高效、高质量制备。
不过以上的前提就是钙钛矿和硅基太阳能电池有相似的使用寿命。如果钙钛矿电池的寿命和硅基电池是不匹配的，那叠起来就可能得不偿失。比如，如果未来硅电池寿命做到五十年，钙钛矿只有二十年，对于硅电池来讲无端缩短几十年的寿命，从成本收益上来看就有些得不偿失了。
如果寿命的问题解决了，相信钙钛矿太阳能电池无论单结器件或者钙钛矿-钙钛矿叠层发展前景也会非常好。最核心的一个问题还是围绕经济效益展开：成本-效率-寿命。
经纬：市场的另一大预期，基于钙钛矿可以做成刚性，又可以做成柔性，而柔性场景比如放在建筑的外立面，或者放在电动车的玻璃顶，极大丰富了太阳能电池的应用场景。当刚性钙钛矿电池完善之后，是不是很快就能实现柔性？
左立见：从刚性到柔性并不是简单地换个衬底就可以，其中需要解决各种工艺问题和挑战，其中显而易见的一个问题就是柔性封装。通常的刚性封装技术采用的是封装胶加光伏玻璃。而对于柔性器件，要求封装材料本身也必须是柔性的。但柔性封装是一件挺难的事情，并且成本很高。并且这种封装的效果怎么样还未知，这是一个值得不同领域的专家学者一起协作解决的问题。
另外是制备的问题，钙钛矿高质量规模化成膜是制备高性能器件的关键，目前狭缝涂布是最受推崇的涂布技术之一。狭缝涂布对衬底的平整度要求极高，而柔性薄膜在运动过程中可能出现的高低起伏或成为加工柔性太阳能电池的一个挑战。不过，柔性器件在制备上有一个天然的优势，就是可以采用滚筒印刷技术实现真正意义上的连续生产，生产效率会进一步提高。
所以柔性钙钛矿电池，绝不是做完刚性，很容易就能出现的，它还是需要大量的研发和新技术突破。
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