钙钛矿太阳能电池：新能源变革中的黑马
钙钛矿太阳能电池：新能源变革中的黑马
近日，钙钛矿太阳能电池领域传来重大突破：协鑫光电成功实现1.71㎡、稳态效率26.36%的钙钛矿叠层组件，打破了世界纪录。这一突破不仅解决了钙钛矿电池大面积化的技术瓶颈，更为其商业化应用开辟了新路径。作为下一代光伏技术的有力竞争者，钙钛矿太阳能电池正以其卓越性能和成本优势，向传统晶硅电池发起挑战。
技术突破：效率与稳定性双提升
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新型光伏技术。其最大特点是具有高光电转换效率和低成本。2024年9月，华中科技大学武汉光电国家研究中心陈炜、刘宗豪团队在Nature Communications发表论文，提出了一种创新的表面重构策略，通过1,4-丁二胺（BDA）和乙二胺碘化铵（EDAI2）作为表面改性剂，有效减少了Sn-Pb混合钙钛矿薄膜表面缺陷，实现了28.49%的第三方认证效率。
这一突破性进展解决了钙钛矿电池在产业化过程中面临的关键问题。Sn-Pb混合钙钛矿薄膜表面缺陷会导致非辐射复合损失，影响器件效率。华中科技大学团队的表面重构策略通过化学抛光和钝化作用，不仅优化了钙钛矿薄膜的表面质量，还改善了钙钛矿/电子传输层界面的能级对准，减少了非辐射复合损失。基于该方法的1.32和1.25 eV带隙Sn-Pb钙钛矿单结电池光电转化效率分别达到了22.65%和23.32%。此外，该方法也能够兼容大面积模组器件制备，基于该方法的孔径面积为11.3 cm2的模组获得了23.39%的最佳效率。
钙钛矿太阳能电池相对于传统晶硅电池具有显著优势。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。
产业化现状：从实验室到生产线
尽管钙钛矿太阳能电池展现出巨大潜力，但其产业化进程仍面临诸多挑战。目前，钙钛矿电池主要处于研发和中试阶段，大规模商业化应用尚需时日。据统计，2023年我国钙钛矿电池新增产能约为0.5GW，主要来自仁烁光能150MW钙钛矿光伏组件项目和万度光能200MW级可印刷介观钙钛矿太阳能电池大试线等项目投产。钙钛矿电池渗透率约为0.2%，随着技术提升，未来有望增长。
主流光伏晶硅电池的光电转换效率已接近天花板29.4%，在理论极限下，晶硅太阳能电池、PERC单晶硅电池、HJT电池、TOPcon电池的极限转换效率分别为29.40%、24.50%、27.50%、28.70%。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。
市场前景：百亿蓝海待开拓
全球钙钛矿太阳能电池市场规模预计从2024年的1.0523亿美元增长到2032年的17.6059亿美元，复合年增长率为42.21%。这一高速增长主要得益于钙钛矿电池在多个领域的广泛应用前景。钙钛矿太阳能电池不仅适用于刚性组件，还可制成柔性组件，广泛应用于光伏建筑一体化（如窗户、墙面）、便携式设备（如手机、穿戴设备）以及地面电站等领域。
政策支持为钙钛矿电池的发展提供了有力保障。2023年1月，工信部等六部门印发《关于推动能源电子产业发展的指导意见》，提出要统筹开发钙钛矿电池（含钙钛矿/晶硅叠层电池）、非晶硅/微晶硅/多晶硅薄膜电池、化合物薄膜电池等高效薄膜电池技术。2023年11月，工信部等五部门印发《关于开展第四批智能光伏试点示范活动的通知》，提出先进光伏产品。包括高效晶硅太阳能电池（转换效率在25%以上）、钙钛矿及叠层太阳能电池、先进薄膜太阳能电池，以及相关产业链配套高质量、高可靠、低成本设备及材料等方向。2024年3月，河南省人民政府办公厅印发《河南省加快制造业“六新”突破实施方案的通知》，提出要重点发展晶体硅光伏电池材料和化合物薄膜，开发大尺寸单晶硅、多晶硅太阳能硅材料、多晶硅薄膜等，研发新型高效钙钛矿电池材料和铜铟镓硒等薄膜电池材料，打造“硅烷—颗粒硅—单晶硅片—电池片—组件—电站”产业链。
此外，私人和政府机构的投资也在不断增加。例如，2023年，钙钛矿太阳能技术先驱Tandem PV获得了额外600万美元的融资，使其资本和政府支持总额达到2700万美元。钙钛矿组件的私人投资约为 5 亿元人民币/吉瓦（约合 57.53 亿美元），与 style 多晶硅投资 11 亿元人民币/吉瓦（约合 126 亿美元）相比，经济显着。
竞争格局：多方角逐，协鑫领跑
在钙钛矿电池产业链中，上游辅材和设备企业、中游电池及组件制造商以及下游应用领域都在积极布局。上游辅材企业如安彩高科、亚玛顿等，设备企业如捷佳伟创、京山轻机等，中游企业如宁德时代、隆基绿能、纤纳光电等在技术上具有优势。
协鑫光电在钙钛矿叠层技术方面取得突破性进展。2023年底，协鑫光电接连刷新钙钛矿组件世界纪录。12月14日，钙钛矿叠层26.34% @2048cm²（36.9cmx55.5cm），该成果伴随朱雀二号遥三火箭成功发射进入太空测试；11月30日，钙钛矿叠层26.17% @1032cm²（27.9cmx37.0cm）；11月23日，钙钛矿单结18.04% @2m² (100cm x200cm )。不到5个月的时间，协鑫光电实现了钙钛矿叠层组件面积从2048cm²到1.71m²的飞跃，扩大近8倍。
未来展望：机遇与挑战并存
钙钛矿太阳能电池的未来发展充满机遇，但也面临不少挑战。技术方面，如何进一步提高电池效率和稳定性，解决大面积制备过程中的均匀性问题，是当前研究的重点。产业化方面，如何实现从实验室到生产线的顺利过渡，降低成本，提高良品率，是企业需要解决的关键问题。市场方面，如何在与传统晶硅电池的竞争中占据优势，开拓更多应用场景，是行业发展的关键。
尽管面临诸多挑战，但钙钛矿太阳能电池凭借其独特优势和巨大潜力，已成为全球光伏产业关注的焦点。随着技术的不断进步和产业化的持续推进，钙钛矿太阳能电池有望在不久的将来实现大规模商业化应用，为全球能源转型注入新的动力。