Nature鈣鈦礦領(lǐng)域最新綜述：可持續(xù)能源正在來臨，鈣鈦礦串聯(lián)電池爭奪霸權(quán)
導(dǎo)語：在太陽能領(lǐng)域，一場革命正醞釀。鈣鈦礦技術(shù)的崛起引領(lǐng)著一系列對太陽能電池的全新探索，特別是其串聯(lián)結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。這意味著不僅僅是硅，太陽能電池的未來可能由更為創(chuàng)新和高效的鈣鈦礦-硅串聯(lián)電池來主導(dǎo)。本文深入剖析了這一前沿技術(shù)的種種可能性、挑戰(zhàn)和市場動態(tài)，揭示了這場能源變革的潛力以及各方力量在推動可再生能源未來方面的貢獻(xiàn)。隨著綠色能源的崛起，讓我們一同探尋太陽能的新篇章。
位于德國勃蘭登堡州布蘭登堡哈韋爾郊區(qū)的一家兩層樓的工廠，坐落在汽車經(jīng)銷商和五金店之間，充斥著太陽能秘密。在這里，英國公司牛津光伏（Oxford PV）利用鈣鈦礦制造商業(yè)太陽能電池，這種材料是一種廉價(jià)、豐富的光伏材料，被一些人譽(yù)為綠色能源的未來。工廠周圍是荒草叢生和雜草叢生的停車場，對于這樣一種潛在的革命性技術(shù)來說，這個工廠顯得相當(dāng)不起眼，但該公司的首席技術(shù)官克里斯·凱斯（Chris Case）顯然對這個地方情有獨(dú)鐘?！斑@是我夢想的巔峰，”他說。
Rooftop solar panels in China. Tandem cells could boost power density in crowded urban areas. Credit: VCG/Getty
這家公司是十幾家公司之一，押注于鈣鈦礦最終將全球向可再生能源的過渡推向快車道。一些基于鈣鈦礦的太陽能產(chǎn)品已經(jīng)在市場上，但今年的一些公告表明，將有更多的產(chǎn)品加入市場。例如，牛津光伏表示，最終用戶應(yīng)該能在明年年中左右購買到由其生產(chǎn)的太陽能電池板?？偛课挥谑谞柕拇笮凸杼柲茈姵刂圃焐添n華Qcells于五月表示，計(jì)劃投資1億美元建設(shè)一條試點(diǎn)生產(chǎn)線，預(yù)計(jì)在2024年底前投入運(yùn)營。
硅是太陽能電池板內(nèi)部的主要材料，占95%。牛津光伏、Qcells等公司并沒有打算取代硅，而是在硅基底上層疊鈣鈦礦，創(chuàng)建所謂的串聯(lián)電池。由于每種材料吸收不同波長的陽光能量，串聯(lián)電池的潛在發(fā)電效率可能比單獨(dú)使用硅電池高出至少20%；一些科學(xué)家預(yù)測效益更大。隨著鈣鈦礦-硅串聯(lián)電池接近市場，激動情緒甚至漫過頭條，預(yù)測這種“革命性”的“奇跡材料”即將“改變世界”。然而，現(xiàn)實(shí)是，該行業(yè)在轉(zhuǎn)變太陽能市場的過程中面臨至少兩個重大挑戰(zhàn)。
首先，已發(fā)表的研究顯示，與硅相比，鈣鈦礦在潮濕、高溫甚至光照條件下的性能下降更快。牛津光伏表示已經(jīng)做了私人研究，解決了這個問題。但是，“對于商業(yè)生產(chǎn)來說，我會說穩(wěn)定性仍然是一個關(guān)鍵的挑戰(zhàn)，”韓華Qcells公司的晶體和電池研發(fā)總監(jiān)法比安·費(fèi)爾蒂希（Fabian Fertig）表示，他負(fù)責(zé)公司的鈣鈦礦-硅串聯(lián)電池研發(fā)。
其次，一些分析師認(rèn)為，至少在短期內(nèi)，鈣鈦礦對太陽能增長來說并不重要。在過去的十年里，硅模塊變得異常便宜而高效，中國公司繼續(xù)以驚人的速度擴(kuò)大制造能力。截至2022年，全球太陽能發(fā)電裝機(jī)容量約為1.2太瓦（TW），為全球電力總量提供約5%。能源戰(zhàn)略家建議，到2050年，世界將需要75 TW的發(fā)電容量以實(shí)現(xiàn)氣候目標(biāo)。這要求到2030年中期的安裝量超過3 TW，但硅光伏行業(yè)預(yù)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)，使其成為少數(shù)按計(jì)劃推進(jìn)的綠色技術(shù)領(lǐng)域之一（見“太陽能的擴(kuò)張計(jì)劃”）。
鈣鈦礦支持者表示，這種額外的電力產(chǎn)能可能會彌補(bǔ)串聯(lián)電池的額外成本，尤其是在城市擁擠或工業(yè)用地空間有限的地區(qū)。“我們最初的需求最大的來自公用事業(yè)，因?yàn)樗麄兏緵]有足夠的可用土地，”凱斯表示。
來源：文獻(xiàn)1
“我們擁有的技術(shù)絕對足夠在全球范圍內(nèi)產(chǎn)生盡可能多的太陽能電力，”瑞士蘇黎世的咨詢公司BloombergNEF的太陽能分析師珍妮·查斯（Jenny Chase）表示。因此，鈣鈦礦將迎來其最大的考驗(yàn)：與太陽能市場上那個以殘酷經(jīng)濟(jì)著稱的PV市場的交鋒。
打破記錄
對鈣鈦礦的熱情一直得到其性能顯著提升的支撐，通過調(diào)整晶體和由其制成的太陽能電池的組成，取得了顯著的進(jìn)展。2009年，由一種名為甲基銨鉛碘化物的簡單鈣鈦礦制成的電池僅將太陽能能量的3.8%轉(zhuǎn)化為電力。如今，僅由鈣鈦礦材料制成的電池的效率紀(jì)錄達(dá)到26.1%。這僅比硅電池的冠軍稍微低了一點(diǎn)（見“鈣鈦礦效率提升”）。此外，鈣鈦礦電池需要非常薄的吸光層，而所涉及的材料通常價(jià)格低廉且豐富。支持者認(rèn)為，如果鈣鈦礦電池能夠像硅電池一樣大規(guī)模生產(chǎn)，它們將具有更低的能源和材料足跡。
來源：美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室
然而，這些創(chuàng)紀(jì)錄的效率比較并不反映商業(yè)現(xiàn)實(shí)。實(shí)驗(yàn)室中制造的最佳鈣鈦礦電池通常比郵票還小——目前的領(lǐng)先者接近芝麻大小——它們可能只能在幾天或幾周內(nèi)運(yùn)行，然后性能就會下降。它們通常是通過滴送材料溶液到旋轉(zhuǎn)盤上的過程制造的，這個過程被稱為旋涂，這對大規(guī)模制造來說是不切實(shí)際的。“大多數(shù)非常高效的報(bào)告中都包含一些明顯會導(dǎo)致不穩(wěn)定的組件，” 牛津大學(xué)聯(lián)合創(chuàng)始人和首席科學(xué)家亨利·斯內(nèi)斯（Henry Snaith）表示。將它們制造成大尺寸并將其整合到太陽能電池板中，進(jìn)一步削弱了實(shí)際效率。
已經(jīng)上市的非串聯(lián)鈣鈦礦電池提供了相對較低的效率和較短的壽命?？偛课挥谌A沙的Saule Technologies生產(chǎn)柔性鈣鈦礦電池，用于為小型電子價(jià)格標(biāo)簽供電或作為能量收集的遮陽簾，全日照條件下的效率為10%，壽命為“數(shù)年”?？偛课挥谥袊贾莸腗icroquanta已經(jīng)交付了足以為其客戶提供5兆瓦的電力的鈣鈦礦太陽能電池板，其效率約為13%，性能降解速度是硅模塊的兩倍。“在這一刻，我不得不承認(rèn)鈣鈦礦還不如硅穩(wěn)定，”該公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官嚴(yán)步一表示。
商業(yè)硅電池電池通常比A5紙張大，這些電池組裝成2米長的模塊，這是更大的電池板和陣列的基石，其效率約為22-24%。這些模塊通常配有保證書，保證其在25年后至少保持80%的初始性能——即每年不到1%的效率下降。
這些產(chǎn)品的大多數(shù)電池以及幾乎所有組成這些產(chǎn)品的硅晶片都是在中國制造的，那里的規(guī)模經(jīng)濟(jì)和技術(shù)改進(jìn)已經(jīng)將太陽能電池板的成本削減了約90%（見“太陽能電力成本極低”）。事實(shí)上，現(xiàn)在安裝硅電池并將其連接到電網(wǎng)的成本比制造硅電池本身還要高。在大多數(shù)陽光充足的國家，硅太陽能陣列的壽命發(fā)電成本現(xiàn)在通常低至每千瓦時(shí)0.03-0.06美元，使其成為大多數(shù)國家最便宜的電力來源，查斯表示。
來源：Our World In Data
與硅取得的成功相比，鈣鈦礦產(chǎn)品不太可能顛覆太陽能電力市場，查斯說：“沒有人想要壽命不到25年的太陽能模塊。它們根本不值得?！?/p>
串聯(lián)技術(shù)
但鈣鈦礦的支持者表示，串聯(lián)電池在其他方面優(yōu)于硅。硅電池的性能接近頂峰：理論預(yù)測它們的效率不可能超過29%，實(shí)際模塊的效率可能在24-27%左右。馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學(xué)院的光伏研究員托尼奧·布納西西說：“我們正在接近使用硅的合理極限?！比欢砑逾}鈦礦電池可使理論最大效率達(dá)到大約45%?！斑@提供了從電池中獲得25-50%更多電力的潛力。我認(rèn)為這是一個令人興奮的愿景，”科羅拉多大學(xué)博爾德分校的鈣鈦礦研究員邁克爾·麥基希說。
在典型的串聯(lián)裝置中，鈣鈦礦電池位于硅電池上方；每個電池由多個層組成，所有層都參與將光轉(zhuǎn)化為電力（見“串聯(lián)太陽能電池解剖圖”）。陽光首先照射到鈣鈦礦上，釋放出電子，留下帶有正電的“空穴”。電子進(jìn)入相鄰的電荷收集層，然后到電極；空穴則相反方向遷移。類似的過程發(fā)生在硅電池中，它更擅長吸收鈣鈦礦電池錯過的低能量光子。通過調(diào)整鈣鈦礦電池的化學(xué)成分和納米尺度工程，取得了性能提升，這迅速轉(zhuǎn)化為更好的串聯(lián)電池。今年11月初，總部位于西安的中國太陽能巨頭隆基宣布已經(jīng)制造出一個面積為1平方厘米的串聯(lián)電池，經(jīng)過獨(dú)立驗(yàn)證，其效率達(dá)到33.9%。
來源：Adapted from Ref. 2
制造商尚未展示商業(yè)規(guī)模串聯(lián)電池的這種效率，但牛津光伏在五月宣布了一種在生產(chǎn)線上生產(chǎn)的性能最高的鈣鈦礦-硅串聯(lián)電池，效率為28.6%。盡管該設(shè)備略小于典型的硅電池，該公司在其勃蘭登堡工廠正在制造更大的串聯(lián)電池，這些電池正在組裝成效率約為24%的全尺寸模塊，這一數(shù)字還在不斷上升。
節(jié)儉的方法
牛津光伏的制造過程始于主要從中國進(jìn)口的硅晶片。這些晶片通過一系列類似于連接的冰箱的腔室。在腔室內(nèi)，離子云以所謂的物理氣相沉積過程構(gòu)建電池的層。這個過程比基于溶液的方法慢，但產(chǎn)生質(zhì)量極高的薄膜。類似的過程創(chuàng)建鈣鈦礦電池。
該公司于2016年從德國制造商博世手中購得其勃蘭登堡工廠，包括太陽能電池生產(chǎn)設(shè)備?！白畛?，幾乎所有東西都是我們通過拍賣或使用的，”克里斯·凱斯興奮地說。他對太陽能創(chuàng)新的節(jié)儉方法可以追溯到20世紀(jì)80年代——作為一個熱情的20多歲的年輕人，他購買了大量打折的光伏電池，為自己的“太陽能房”構(gòu)建模塊。這種自助式方法在工廠中得以體現(xiàn)：凱斯特別設(shè)計(jì)了一個框架，使牛津光伏的電池與博世的傳統(tǒng)設(shè)備兼容。
牛津PV的勃蘭登堡工廠生產(chǎn)的串聯(lián)鈣鈦礦-硅太陽能電池。圖片來源：牛津PV
成品串聯(lián)電池交付給牛津光伏的客戶：主要是歐洲太陽能電池板制造商，他們將電池組裝成更大的模塊。目前，這些制造商仍在對模塊進(jìn)行自己的測試?？赡芤?024年末，才會有任何設(shè)備安裝到最終用戶，其中包括已經(jīng)訂購了模塊的一家大型建筑公司和一家能源公司。
在全力運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，該工廠每年最多可生產(chǎn)50兆瓦的電池——大約500萬個。但與中國龐大的硅太陽能工廠相比，它是一個小魚小蝦，后者每年生產(chǎn)數(shù)十吉瓦（GW）的電池。由于其小規(guī)模運(yùn)營，牛津PV的串聯(lián)電池制造成本是硅電池的兩倍。
但如果牛津PV也能實(shí)現(xiàn)千兆瓦級別的生產(chǎn)，凱斯說，這種價(jià)格差異將大幅縮小，從而將串聯(lián)電池發(fā)電的成本降至硅模塊以下。
穩(wěn)定性挑戰(zhàn)
從勃蘭登堡工廠南行約90分鐘車程，在薩爾海姆，牛津PV的競爭對手之一正在測試自己的原型串聯(lián)電池。在歐洲補(bǔ)貼開始枯竭、亞洲公司嶄露頭角之前，薩爾海姆及其周邊地區(qū)是光伏制造的中心，也被稱為太陽能之谷。在這里，德國的Qcells擁有一個龐大的光伏研發(fā)設(shè)施。Qcells的場地沒有草坪上的雜草，而是小型機(jī)器人割草機(jī)在地面上蜿蜒行駛，保持草坪整潔，然后返回到使用太陽能供電的車庫。
在該場地的一個巨大建筑內(nèi)，Qcells進(jìn)行“加速老化”測試，以檢查其硅模塊是否牢固——包括將模塊密封在潮濕、桑拿般的條件中約四個月，暴露于明亮的模擬陽光和人工冰雹的襲擊。盡管這些測試是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，Qcells以使用特別極端條件而自豪。他們對串聯(lián)電池進(jìn)行類似的測試，結(jié)果用于預(yù)測在現(xiàn)實(shí)世界使用多年后電力輸出將如何下降。
穩(wěn)定性測試的細(xì)節(jié)可能決定鈣鈦礦串聯(lián)電池的成敗。鈣鈦礦效率記錄成為頭條新聞，但只有在過去幾年中，研究人員才開始在其穩(wěn)定性方面取得重大進(jìn)展。堪培拉的澳大利亞國立大學(xué)的鈣鈦礦研究員何平·申說：“實(shí)際上，穩(wěn)定性是瓶頸?！北M管鈣鈦礦在接觸空氣或水時(shí)有降解的惡習(xí)，但通過將串聯(lián)電池封裝在不透水的涂層中，可以防止這種情況，這在太陽能行業(yè)很常見。但與硅不同，鈣鈦礦還具有內(nèi)置的降解機(jī)制，封裝無法解決。例如，一些鈣鈦礦離子在操作過程中可能會移動，或者逃逸到相鄰層。這可能產(chǎn)生缺陷，使電子和空穴在轉(zhuǎn)化為電力之前重新結(jié)合，浪費(fèi)了產(chǎn)生它們的能量。光和熱往往會加劇這些降解機(jī)制。
為了保持鈣鈦礦離子處于正確的位置，研究人員對它們的組成進(jìn)行了微調(diào)，并向電池添加了納米厚的保護(hù)層。這些措施是否有效是歐盟1900萬歐元（2070萬美元）PEPPERONI項(xiàng)目的一個關(guān)鍵任務(wù)，該項(xiàng)目是2022年11月啟動的一個學(xué)術(shù)與產(chǎn)業(yè)合作伙伴關(guān)系，其中包括Qcells。這個為期四年的項(xiàng)目旨在開發(fā)效率達(dá)到26%、在30多年的時(shí)間里可靠運(yùn)行且適合大規(guī)模制造的串聯(lián)模塊。如果這些模塊能夠大規(guī)模生產(chǎn)，費(fèi)爾蒂希說它們應(yīng)該能夠以每千瓦時(shí)0.025歐元的典型成本發(fā)電，與硅光伏相競爭。
“材料、成分、工藝，一切都朝著技術(shù)在不久的將來能夠大規(guī)模應(yīng)用的方向發(fā)展，”柏林工業(yè)大學(xué)的鈣鈦礦研究員史蒂夫·阿爾布雷赫特說。他還領(lǐng)導(dǎo)了柏林能源與材料赫姆霍茲中心的一個團(tuán)隊(duì)，該中心參與了PEPPERONI項(xiàng)目。
盡管加速老化測試提供了有希望的結(jié)果，但串聯(lián)模塊的真正測試是將其安裝在戶外，監(jiān)測其多年的性能。到目前為止，只有少數(shù)戶外研究的結(jié)果已經(jīng)發(fā)表，其中大多數(shù)來自學(xué)術(shù)團(tuán)體而不是商業(yè)化串聯(lián)電池的公司?！皵?shù)據(jù)真的很少，”在沙特阿拉伯的阿卜杜拉國王科技大學(xué)的光伏研究員斯蒂凡·德沃爾夫說，他的團(tuán)隊(duì)在今年2月報(bào)告了串聯(lián)電池在該國炎熱潮濕條件下快速降解的情況4。
Qcells solar modules undergo accelerated testing checks at the company’s test centre in Thalheim, Germany.Credit: Hanwha Qcells GmbH
Qcells太陽能模塊在德國薩爾海姆公司的測試中心進(jìn)行加速測試檢查。圖片來源：漢華Qcells GmbH
Qcells并未透露有關(guān)其戶外測試的詳細(xì)信息，盡管在其薩爾海姆工廠進(jìn)行了一些測試。至于牛津PV，凱斯表示，該公司進(jìn)行了加速老化測試和幾年的戶外測試。這些測試的結(jié)果尚未公開發(fā)表，但他表示，目前最好的串聯(lián)電池在首年運(yùn)行中僅損失約1%的效率，此后下降速度較小。目前，他告訴客戶，串聯(lián)電池的運(yùn)行壽命應(yīng)與傳統(tǒng)硅模塊相當(dāng)。
盡管人們對鈣鈦礦中存在有毒的鉛表示擔(dān)憂，但越來越多的研究表明，在良好封裝的電池板中，它可能并不構(gòu)成太大威脅。有人指出，一個標(biāo)準(zhǔn)的硅電池的焊接接觸點(diǎn)中含有的鉛可能是整個鈣鈦礦電池的十倍以上。盡管如此，大多數(shù)公司仍計(jì)劃實(shí)施回收計(jì)劃，以管理和回收電池壽命結(jié)束的產(chǎn)品。
對于未來的期望
有研究者認(rèn)為，如果鈣鈦礦公司的期望能夠?qū)崿F(xiàn)，串聯(lián)結(jié)構(gòu)提供的更大功率密度可能會受到消費(fèi)者的歡迎。如果能夠?qū)崿F(xiàn)這一點(diǎn)；并且它是穩(wěn)定的，那么制造設(shè)備或工藝方面的成本不會太高，這將是相當(dāng)令人振奮的，因?yàn)槟憧赡軙玫揭粋€成本更低、價(jià)值更高的模塊。但其中有很多假設(shè)。
鈣鈦礦研究人員相信他們能夠?qū)⑦@些“假設(shè)”變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。他們補(bǔ)充說，屋頂太陽能電池板的業(yè)主迫切希望從屋頂太陽能電池中獲取更多電力，并可能為能夠?yàn)樗麄內(nèi)找骐姎饣募彝ヌ峁岜?、電動車輛和其他裝備的串聯(lián)結(jié)構(gòu)支付溢價(jià)?！拔蓓斆娣e現(xiàn)在往往對于家庭需求來說太小了。因此，能夠在每平方米放出更多瓦特是一個巨大的優(yōu)勢，”加利福尼亞州帕薩迪納市Caelux公司的總裁兼創(chuàng)始人John Iannelli表示，該公司正在開發(fā)串聯(lián)結(jié)構(gòu)。
一些研究人員和公司認(rèn)為，鈣鈦礦電池可能無需達(dá)到硅電池的25年保修期。鈣鈦礦的進(jìn)步如此迅速，以至于如果一個模塊在其前15年的壽命內(nèi)性能下降，可以簡單地更換為更好的單元。這種更新的策略對于老化的硅太陽能電池場越來越普遍，其中更高效技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益超過了更換老化模塊的成本。
政治考慮也推動了對鈣鈦礦的投資。在歐洲，更多的可再生能源意味著對俄羅斯天然氣供應(yīng)的依賴減少，而美國正試圖減少對中國光伏供應(yīng)鏈的依賴，得益于2022年通貨膨脹削減法案的支出和減稅措施。一些公司認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最佳途徑是完全避免使用硅。一些公司正在開發(fā)全鈣鈦礦串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其中包含調(diào)諧以吸收光譜不同部分的兩種鈣鈦礦材料?！斑@意味著你的供應(yīng)鏈將變得非常簡化，”位于加利福尼亞州圣卡洛斯的Swift Solar公司的聯(lián)合創(chuàng)始人Tomas Leijtens表示，該公司正在研發(fā)這種無硅的串聯(lián)結(jié)構(gòu)。
Swift Solar還是一個名為“Tandems for Efficient and Advanced Modules using Ultrastable Perovskites（TEAMUP）”的美國學(xué)術(shù)和工業(yè)合作伙伴關(guān)系的一部分，該合作伙伴關(guān)系于今年4月獲得了900萬美元的美國能源部資助。由McGehee領(lǐng)導(dǎo)，其主要目標(biāo)是開發(fā)具有大于28%效率和每年小于1%性能衰減的鈣鈦礦-硅串聯(lián)電池板。在美國從事鈣鈦礦電池研究的大多數(shù)公司要么參與了這個合作伙伴關(guān)系，要么參與了另一個項(xiàng)目，該項(xiàng)目今年也獲得了美國能源部的資助。由MIT的Buonassisi領(lǐng)導(dǎo)的項(xiàng)目稱為“Accelerated Co-Design of Durable, Reproducible, and Efficient Perovskite Tandems（ADDEPT）”。
然而，許多中國公司也在研發(fā)鈣鈦礦-硅串聯(lián)電池，如果這些設(shè)備成功，它們可能會進(jìn)入市場。例如，Shen表示，隆基有100多人從事鈣鈦礦研究和開發(fā)工作。
Chase表示，“在太陽能制造方面，押注對中國不明智”。她補(bǔ)充說，底線是太陽能電池的效率不再是全球太陽能電力推廣的制約因素。相反，太陽能電力的瓶頸是電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的缺乏以及存儲過剩電力的高成本。她認(rèn)為，在未來十年左右，鈣鈦礦串聯(lián)結(jié)構(gòu)是否成功并不重要，除非對其中涉及的公司來說?！拔易Ｋ麄兒眠\(yùn)，但不管有沒有鈣鈦礦，太陽能都將是巨大的，”她說。
然而，Snaith不同意硅技術(shù)的改進(jìn)已經(jīng)使包含鈣鈦礦的電池市場空間變窄。他說，硅光伏的任何改進(jìn)都將使串聯(lián)結(jié)構(gòu)比以往更具吸引力?！拔覀冋娴氖窃诠枭蠘?gòu)建。如果硅變得更好，我們也會變得更好?！?/p>
（來源：《自然》雜志，2023年623卷902-905頁）DOI：https://doi.org/10.1038/d41586-023-03714-y
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