很多人听 "钙钛矿太阳能电池",第一反应是 "应该含钙又含钛吧?" 其实真不是,这东西既不含钙也不含钛,却是当下光伏领域最受关注的新材料。
钙钛矿只是个俗称,本质是拥有 ABX3 晶体结构的材料统称。咱们光伏领域用的钙钛矿,准确说是金属卤化物钙钛矿,属于完全人工合成的材料,自然界里本来没有。早在固体化学领域,类似的晶体结构多到数不清,比如大家熟悉的氯化钠结晶,只是钙钛矿的结构最特别。
近 30 年来,行业一直在找新一代光伏材料,最好能像 "印报纸、摊煎饼" 一样简单,不用复杂的高温、提纯工序。从晶硅开始,还有一类 Ⅲ-Ⅴ 族的标杆光伏材料,都是单晶材质,不仅制备难度高,能耗也不小,光是生长单晶硅锭就需要上千摄氏度的高温,后续还要切割成薄片,整体成本和能耗都居高不下,迟迟没法大规模普及。
钙钛矿的出现刚好补上了这个缺口。它是多晶薄膜,厚度只有 500 纳米到 1 微米,相当于晶硅的几百分之一,吸光效率却拉满,几乎能把所有光都吸收进去,用料省到惊人。仅仅几百纳米的厚度,就能满足发电的吸光需求,比起动辄几百微米的晶硅材料,省下来的材料成本可不是一星半点。
而且制备过程格外简单,用溶液刮涂就行,和摊煎饼差不多,制备温度仅需 100 多度,整体能耗比晶硅低很多。不需要大型高温炉,不需要复杂的真空环境,就连普通的实验室都能完成基础制备,这也是行业对它青睐有加的核心原因。更关键的是,它的缺陷容忍度极高 —— 哪怕有不少结构缺陷,也不会大幅影响性能,这给研发省了不少事,不像其他材料,稍有缺陷就会直接报废。
2012 年左右,就有科研团队在博士研究阶段切入钙钛矿领域,最早的研究是通过第一性原理计算来验证材料潜力。计算结果显示,这种材料不仅形成难度低、热稳定性好,而且缺陷容忍度极高,这给后续的研发打了一针强心剂。
到如今,实验室里的钙钛矿电池效率已经能达到26%-28%,和主流晶硅电池的效率不相上下,而其他新型光伏材料的效率大多还在 20% 左右。这意味着,钙钛矿已经追上了行业标杆的性能,而且成本和制备难度都更低。
从理论到落地,行业已经探索了几十年,钙钛矿能从众多备选材料中突围,算是终于摸到了产业化的门槛。不过要真正走进普通人的屋顶、大型光伏电站,还需要解决长期稳定性、大规模制备等细节问题,但毫无疑问,它已经成为了下一代光伏技术的最有力竞争者。
不管是叫什么名字,能让太阳能发电更简单、更省钱的材料,都是好材料。钙钛矿的出现,或许真的能让光伏产业迎来新一轮的变革,让更多人用上更便宜的清洁能源。