明星材料分子引領(lǐng)光伏產(chǎn)業(yè)革命性發(fā)展——鈣鈦礦材料分子與新型太陽(yáng)能電池效率攀升

把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能是人類孜孜以求的目標(biāo)，上世紀(jì)五十年代貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的硅材料太陽(yáng)能電池，硅材料太陽(yáng)能電池不斷推陳出新，已經(jīng)開發(fā)出單晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池，其中單晶硅太陽(yáng)能電池實(shí)驗(yàn)室最高光電轉(zhuǎn)換效率為25.6%，工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)組件光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)15%，非晶硅太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化效率為10%。硅基太陽(yáng)能電池是目前在規(guī)模化生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用中占主導(dǎo)地位的太陽(yáng)能電池類別，有90%的市場(chǎng)占有率。制備單晶硅太陽(yáng)能電池需要純度為99.9999%的硅，使得電池成本太高；多晶硅太陽(yáng)能電池生產(chǎn)也需要使用高真空設(shè)備和高潔凈廠房，生產(chǎn)成本仍然很高；非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池則有穩(wěn)定性不好，效率較低的問(wèn)題。從生產(chǎn)和運(yùn)行成本上講，硅基太陽(yáng)能電池產(chǎn)品目前還不具備和水電、火電等進(jìn)行完全市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的能力。硅基太陽(yáng)能電池民用產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的瓶頸是成本和污染問(wèn)題，在過(guò)去60多年時(shí)間里這些問(wèn)題并沒(méi)有得到根本解決，硅基太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)品目前主要用于航天、軍工等高端產(chǎn)品中，民用產(chǎn)品主要靠政府補(bǔ)貼推廣。最近幾年，歐美日等國(guó)家開始對(duì)光伏補(bǔ)貼政策進(jìn)行調(diào)整并開展針對(duì)中國(guó)產(chǎn)品的“雙反”調(diào)查，國(guó)內(nèi)硅基太陽(yáng)能電池廠家馬上進(jìn)入產(chǎn)業(yè)發(fā)展“寒冬”季節(jié)，這個(gè)事實(shí)說(shuō)明開發(fā)具備真正市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的新型太陽(yáng)能電池是產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)實(shí)需要。 新型太陽(yáng)能電池一旦達(dá)成效率、成本和壽命方面的突破，會(huì)帶來(lái)光伏產(chǎn)業(yè)的革命性變化和實(shí)現(xiàn)巨大商業(yè)價(jià)值。到目前為止，許多新的無(wú)機(jī)、有機(jī)電池材料分子不斷被開發(fā)出來(lái)，涌現(xiàn)出大量新型太陽(yáng)能技術(shù)，其中有多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池（如碲化鎘、砷化鎵和銅銦鎵硒薄膜電池），有機(jī)材料薄膜太陽(yáng)能電池，有機(jī)無(wú)機(jī)雜化太陽(yáng)能電池（如染料敏化太陽(yáng)能電池和鈣鈦礦材料太陽(yáng)能電池）等，這些第二代和三代太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)了10%到20%甚至更高的光電轉(zhuǎn)換效率，已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化門檻階段（附圖1）。在各類太陽(yáng)能電池發(fā)展過(guò)程中，新材料分子的發(fā)現(xiàn)和性能改進(jìn)，電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)化均不同程度幫助提升太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，其中以鈣鈦礦材料分子表現(xiàn)最為突出。2013年12月20日， 美國(guó)《科學(xué)》（Science）雜志推出了他們的2013年十大科學(xué)突破評(píng)選結(jié)果，其中鈣鈦礦（Perovskites），一種1839年由Gustav Rose首次發(fā)現(xiàn)并根據(jù)俄羅斯礦物學(xué)家Lev Perovski名字命名的有機(jī)無(wú)機(jī)雜化分子材料因?yàn)樵谔?yáng)能電池中的應(yīng)用和電池效率快速提升而入選。“鈣鈦礦材料便宜、易于制備，已經(jīng)取得15%的光電轉(zhuǎn)換效率；雖然比目前商業(yè)化的硅基太陽(yáng)能電池效率低，但是鈣鈦礦型材料太陽(yáng)能電池效率提升迅速，它和其它類型太陽(yáng)能電池集成以后可以捕捉和轉(zhuǎn)換更寬光譜范圍的太陽(yáng)光”，美國(guó)《科學(xué)》雜志這樣給出鈣鈦礦材料入選理由。事實(shí)上，自從2009年日本科學(xué)家Tsutomu Miyasaka將鈣鈦礦材料用于染料敏化太陽(yáng)能電池作為吸光材料取得3.8%光電轉(zhuǎn)換效率以來(lái)，鈣鈦礦材料太陽(yáng)電池效率已經(jīng)躍升到2013年底的15%和目前的19.3%，并且還在迅速攀升中，有望年內(nèi)突破20%大關(guān)。僅僅用了5年時(shí)間，鈣鈦礦材料太陽(yáng)電池就超越了許多太陽(yáng)能電池技術(shù)數(shù)十年所積累的效率增長(zhǎng)，這是從無(wú)先例和引人注目的。鈣鈦礦材料太陽(yáng)能電池可能引起光伏產(chǎn)業(yè)革命性的變局，已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界廣泛關(guān)注和興趣。過(guò)去五年內(nèi)鈣鈦礦材料太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的進(jìn)展顯示出這類材料分子具有改變整個(gè)太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)格局的潛力，目前眾多的國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)已經(jīng)開始投入力量進(jìn)行鈣鈦礦材料太陽(yáng)電池技術(shù)研究和材料開發(fā)，發(fā)展增速會(huì)明顯加快。最近，國(guó)家科技部863項(xiàng)目、973項(xiàng)目和自然科學(xué)基金委重大專項(xiàng)均安排了經(jīng)費(fèi)支持鈣鈦礦材料太陽(yáng)能電池的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)工作。作為市場(chǎng)主體的企業(yè)也敏銳的捕捉到光伏產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展方向的這一變化，凱惠科技發(fā)展（上海）有限公司就在染料敏化太陽(yáng)能電池研發(fā)工作基礎(chǔ)上迅速投入力量開始了鈣鈦礦太陽(yáng)電池材料和器件的研制工作。凱惠科技進(jìn)行新材料和新能源領(lǐng)域的創(chuàng)新研發(fā)工作目的是為企業(yè)發(fā)展尋找新的增長(zhǎng)點(diǎn)，以開發(fā)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品為目標(biāo)。凱惠科技研發(fā)團(tuán)隊(duì)2010年開始和上海交通大學(xué)韓禮元教授合作開展了染料敏化太陽(yáng)能電池和鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)、材料與器件的研發(fā)工作，已經(jīng)開發(fā)新型有機(jī)敏化劑材料三類，制得電池模塊和初級(jí)應(yīng)用器件產(chǎn)品原型一批，完成電池關(guān)鍵材料、模塊和器件國(guó)家發(fā)明專利申報(bào)七項(xiàng)、國(guó)際專利一項(xiàng)。凱惠科技建立起持續(xù)的有機(jī)敏化劑材料、電荷傳輸材料和鈣鈦礦有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化電池材料的設(shè)計(jì)、開發(fā)和生產(chǎn)能力，目前已經(jīng)開始染料敏化太陽(yáng)能電池應(yīng)用產(chǎn)品工業(yè)設(shè)計(jì)和中試制造工作，正在找尋相關(guān)項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)發(fā)展合作伙伴。人類面臨的能源和環(huán)境問(wèn)題的日益突出，開發(fā)包括太陽(yáng)能在內(nèi)的新能源和可再生能源成為全世界范圍重大課題，隨著政府、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)投入的不斷加大，光伏產(chǎn)業(yè)革命性發(fā)展結(jié)果可以預(yù)期。未來(lái)各類光伏電池的市場(chǎng)需求將實(shí)現(xiàn)共存，效率、成本、壽命、柔性將成為各類技術(shù)發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化的重要挑戰(zhàn)，找到像鈣鈦礦材料這樣的明星分子和進(jìn)行光伏器件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新將成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展重要的內(nèi)容。我們認(rèn)為到2030年，光伏將成為成熟的主要的能源技術(shù)，到2050年，光伏電能可能成為全球性主導(dǎo)能源之一，作為市場(chǎng)主體的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)攜手加上政府的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)支持可以確保和加速這個(gè)進(jìn)程的實(shí)現(xiàn)，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的未來(lái)定會(huì)更加絢爛多彩。（作者供職于凱惠科技發(fā)展（上海）有限公司）