2月27日，杭州纖納光電公司宣布其鈣鈦礦太陽(yáng)能微組件經(jīng)過(guò)美國(guó)Newport認(rèn)證，效率達(dá)到17.4%，這一結(jié)果打破了該公司此前保持的效率記錄。對(duì)比市場(chǎng)上應(yīng)用最廣的多晶硅太陽(yáng)能技術(shù)，從上世紀(jì)50年代由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明之后，直到2010年其組件效率才突破17%(京瓷54片電池組件)。而從技術(shù)潛力來(lái)看，目前實(shí)驗(yàn)室效率最高的鈣鈦礦電池效率已經(jīng)達(dá)到22.7%(小面積)，超越了天合此前21.3%的多晶硅電池效率記錄。以及2017年9月Fraunhofer ISE刷新的多晶硅太陽(yáng)能電池22.3%效率記錄(3.9 cm2)。這一技術(shù)究竟是怎樣自2009年誕生以來(lái)獲得了如此神速的發(fā)展，我國(guó)在2017年又在鈣鈦礦技術(shù)方面取得了哪些突破，下面就為大家盤點(diǎn)一番。

根據(jù)MaterialsViews編輯部對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的介紹：

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池核心是具有鈣鈦礦晶型(ABX3)的有機(jī)金屬鹵化物吸光材料。在這種鈣鈦礦ABX3結(jié)構(gòu)中，A為甲胺基(CH3NH3)，B為金屬鉛原子，X為氯、溴、碘等鹵素原子。目前在高效鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池中，最常見的鈣鈦礦材料是碘化鉛甲胺(CH3NH3PbI3)，它的帶隙約為1.5 eV，消光系數(shù)高，幾百納米厚薄膜就可以充分吸收800 nm以下的太陽(yáng)光。而且，這種材料制備方便，將含有PbI2和CH3NH3I的溶液，在常溫下通過(guò)旋涂即可獲得均勻薄膜。上述特性使得鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)CH3NH3PbI3不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)可見光和部分近紅外光的吸收，而且所產(chǎn)生的光生載流子不易復(fù)合，能量損失小，這是鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的根本原因。

鈣鈦礦薄膜太陽(yáng)能電池的發(fā)展起源于染料敏化太陽(yáng)能電池，且受益于敏化太陽(yáng)能電池和有機(jī)太陽(yáng)能電池等在過(guò)去二十年里積累的相關(guān)技術(shù)，材料方面一經(jīng)突破，就在結(jié)構(gòu)和工藝上得以獲得飛速發(fā)展。從2009年問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)8年時(shí)間，效率已經(jīng)從3.8%提升至22.7%。該技術(shù)被《Science》評(píng)選為2013年十大科學(xué)突破之一，更是在今年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)公布前被廣泛認(rèn)為是有力的競(jìng)爭(zhēng)候選。

2017年7月，由韓國(guó)化學(xué)研究所(KRICT)和韓國(guó)蔚山國(guó)家科學(xué)與技術(shù)研究院(UNIST)的Sang-Il Seok教授團(tuán)隊(duì)的聯(lián)合取得22.1%的效率記錄(小面積)。之后，該團(tuán)隊(duì)又將最新的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率提高到22.7%(面積0.07cm2)。該項(xiàng)目記錄此前也由這支韓國(guó)團(tuán)隊(duì)和洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)交替保持。

韓國(guó)團(tuán)隊(duì)的電池結(jié)果

在國(guó)內(nèi)，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室蔣琦博士今年也在游經(jīng)碧研究員與張興旺教授的指導(dǎo)之下采用兩步連續(xù)沉積法對(duì)平面結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中的PbI2含量進(jìn)行控制，成功獲得了小尺寸21.1%(0.0737 cm2)和大尺寸20.9%(1 cm2)的鈣鈦礦太陽(yáng)能器件。

中科院蔣琦博士結(jié)果

不僅在電池的研發(fā)方面國(guó)內(nèi)學(xué)者緊追不舍，在電池的產(chǎn)業(yè)化方面，國(guó)內(nèi)的科研機(jī)構(gòu)和公司更是站在了世界的前列。2017年9月上海交大材料科學(xué)與工程學(xué)院韓禮元教授團(tuán)隊(duì)宣布經(jīng)過(guò)3年努力，解決了在大面積高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜制備的難題，開發(fā)出了有效面積36.1 cm2的鈣鈦礦電池微組件，在日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所(AIST)獲得了12.1%的認(rèn)證效率。韓禮元教授此前任職于日本國(guó)立材料研究所(NIMS)，在染料敏化太陽(yáng)能電池和鈣鈦礦領(lǐng)域均有重要貢獻(xiàn)。

上海交大團(tuán)隊(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能微組件

而另一支武漢理工大學(xué)的程一兵教授團(tuán)隊(duì)在2017年8月宣布其10cm x 10cm玻璃基板鈣鈦礦太陽(yáng)能電池組件制備技術(shù)也獲得重大突破，在國(guó)家光伏質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心驗(yàn)證的微組件效率為13.98%，10月份的最新研究成果中也披露了其6cm x 6cm的鈣鈦礦微組件也達(dá)到了15.76%的效率，且回滯現(xiàn)象被顯著降低。程一兵教授現(xiàn)目前同時(shí)任教于澳大利亞蒙納什大學(xué)，為澳大利亞工程院院士，其團(tuán)隊(duì)在染料敏化和鈣鈦礦領(lǐng)域同樣起步早發(fā)展快，在反溶劑萃取法制備的鈣鈦礦薄膜等工藝方面做出貢獻(xiàn)。

武漢理工團(tuán)隊(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能微組件及結(jié)構(gòu)

此外值得關(guān)注的是，該團(tuán)隊(duì)使用塑料基板制備了5cmx5cm的柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能微組件，8月8日經(jīng)過(guò)國(guó)家光伏質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心第三方認(rèn)證，效率為11.4%。緊隨其后，日本東芝公司也在9月25日宣布其最新的5cm x 5cm柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能微組件效率達(dá)到10.5%，而后者還宣稱這一結(jié)果在同類別電池中創(chuàng)造了新的“世界紀(jì)錄”。

武漢理工團(tuán)隊(duì)柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能微組件

最后要提到的就是總部位于杭州的纖納納光電科技有限公司，這家成立于2015年7月的公司由三位85后浙大海歸博士創(chuàng)立，致力于成為一家商業(yè)化新型鈣鈦礦型薄膜太陽(yáng)能電池的科技型創(chuàng)新公司。不同于學(xué)校的模式，該公司的研發(fā)不依托任何科研院校，獨(dú)立運(yùn)營(yíng)，目前已經(jīng)累計(jì)融資超過(guò)7000余萬(wàn)元。

纖納更值得一提的成績(jī)是公司2017年在突破效率記錄方面上演的帽子戲法，今年2月，纖納生產(chǎn)的面積超過(guò)16cm²的鈣鈦礦微組件在美國(guó)Newport公司測(cè)試，認(rèn)證的效率達(dá)到15.24%，刷新了此前大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池組件的記錄。而后通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)工藝，纖納在5月宣布其微組件效率達(dá)到16%，打破了自己保持的世界紀(jì)錄。12月27日，公司又對(duì)外宣布其經(jīng)過(guò)認(rèn)證的鈣鈦礦組件的效率已經(jīng)過(guò)認(rèn)證突破17.4%。據(jù)了解，該電池組件是由7節(jié)電池內(nèi)串聯(lián)構(gòu)成，面積為17.8cm2，死區(qū)面積小于0.5%。一年之內(nèi)連續(xù)三次刷新世界效率的記錄，不得不說(shuō)纖納是目前鈣鈦礦太陽(yáng)能方面名副其實(shí)的獨(dú)角獸公司，全球范圍內(nèi)該公司在技術(shù)和工藝方面都具備領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

杭州纖納光電最新鈣鈦礦組件17.35%效率認(rèn)證

目前市場(chǎng)上廣泛使用的傳統(tǒng)晶硅太陽(yáng)能電池面臨材料成本高，制造能耗高和應(yīng)用場(chǎng)景限制的問(wèn)題，而鈣鈦礦太陽(yáng)能電池憑借自身成本低和柔性材料的特點(diǎn)可以作為晶硅技術(shù)的最好補(bǔ)充，幫助擴(kuò)大我國(guó)太陽(yáng)能的利用。具體來(lái)說(shuō)，鈣鈦礦電池所需的材料成本僅有晶硅電池的1/30。從生產(chǎn)的角度考慮，一個(gè)晶硅太陽(yáng)能組件1到2年的發(fā)電量可以抵消其生產(chǎn)中消耗的能量，而對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能組件來(lái)說(shuō)，這一能量補(bǔ)償時(shí)間則可縮短到2到3個(gè)月，也就是說(shuō)鈣鈦礦太陽(yáng)能組件2到3個(gè)月發(fā)出的電量就足夠生產(chǎn)一個(gè)全新的鈣鈦礦組件。最后，鈣鈦礦發(fā)電材料不僅可以制成像晶硅產(chǎn)品類似的光伏組件，還可以與建材結(jié)合，生產(chǎn)出發(fā)電玻璃幕墻，發(fā)電瓦片等建筑光伏一體化產(chǎn)品，大大增加太陽(yáng)能發(fā)電的應(yīng)用場(chǎng)景。如果使用柔性襯底，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池更有望與其他柔性顯示和柔性電子材料相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)柔性可穿戴設(shè)備的隨時(shí)充電。

此外傳統(tǒng)晶硅太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)的大量技術(shù)專利、高附加值核心設(shè)備和原材料的生產(chǎn)仍把持在國(guó)外大公司手中。我國(guó)晶硅太陽(yáng)能產(chǎn)品的制造商不僅在技術(shù)升級(jí)上受制于歐美設(shè)備制造公司，更在產(chǎn)品出口時(shí)受限于市場(chǎng)國(guó)的專利壁壘。在這樣的市場(chǎng)情況下，傳統(tǒng)晶硅技術(shù)路線的發(fā)展恐將走上用國(guó)內(nèi)市場(chǎng)換國(guó)外技術(shù)老路。而反觀鈣鈦礦太陽(yáng)能技術(shù)方面，我國(guó)的科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)研發(fā)都與國(guó)外幾乎同步開展，在大面積器件制備方面還走在了世界領(lǐng)先水平。杭州纖納此次取得的突破也證明了我國(guó)在鈣鈦礦太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)方面有實(shí)現(xiàn)彎道超車的潛力，繼而有望借助鈣鈦礦太陽(yáng)能技術(shù)在太陽(yáng)能產(chǎn)品生產(chǎn)和應(yīng)用方面實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。