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摘要：钙钛矿太阳能电池能够将太阳能直接转换为电能，现已广泛应用于普通家庭。钙钛矿太阳能电池由于可使用涂布和印刷技术大量生产，因此有望降低成本。此外，由于它不易翘曲并且可以减轻重量，因此有望安装在硅太阳能电池无法安装的地方。什么是钙钛矿太阳能电池？为实现实用化正在做出怎样的努力，它的商机又在哪里？

关键词：钙钛矿、太阳能电池、能量转换效率、实用化、大面积电池、太阳能电池模块

摘要

一种将太阳能直接转换为电能的太阳能电池，现已广泛应用于普通家庭。太阳能电池根据用作原材料的半导体有多种类型，但在过去十年中，“钙钛矿太阳能电池”的开发取得了快速进展，这种电池使用具有被称为钙钛矿的晶体结构的化合物。人们对实现一种可使用涂布和印刷技术大量生产，且不易翘曲的轻型太阳能电池寄予了厚望。

钙钛矿太阳能电池由于可使用涂布和印刷技术大量生产，因此有望降低成本。此外，由于它不易翘曲并且可以减轻重量，因此有望安装在硅太阳能电池无法安装的地方。在性能方面，它实现了可与硅太阳能电池相媲美的能量转换效率。为全面实现实用化，世界各国都在进行相关研究。

什么是钙钛矿太阳能电池？为实现实用化正在做出怎样的努力，它的商机又在哪里？就此，本文咨询了从早期就参与开发的有机太阳能电池研究小组的组长村上拓郎。

目录

•什么是钙钛矿太阳能电池？

•1-1(1)什么是钙钛矿？

•1-2(2)钙钛矿太阳能电池的特征

•为实现钙钛矿太阳能电池的实用化所做出的努力

•2-1(1)为实现实用化，世界各国都在进行相关研究

•2-2(2)产综研为实现实用化所做出的努力

•2-3(3)钙钛矿太阳能电池的性能评估

•私营公司的参与是实现实用化的关键

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什么是钙钛矿太阳能电池？

(1)什么是钙钛矿？

太阳能电池有多种类型，但基本上，当光照射到它们时，会产生电子(-)和空穴(+)，它们的运动会产生电能。目前主流的硅太阳能电池中，当硅半导体暴露在阳光下时也会发生这种现象。

钙钛矿（perovskite），其独特的晶体结构被称为“钙钛矿结构”。还有其他具有这种晶体结构的物质，由于它们可以通过合成各种物质而制成，因此被统称为“钙钛矿”。

钙钛矿已被广泛用作压电材料等。另一方面，作为一种将电能转化为光能的发光材料，研究人员研究了含有有机物的钙钛矿晶体，但桐荫横滨大学教授宫坂力的研究小组想出了将其用于太阳能电池的想法，并通过将其整合到含有电解液的染料敏化太阳能电池中，成功地将光能转换为电能，但是其转换效率只有3%左右，因此并没有引起太多关注。几年后，牛津大学和产综研联合研究，成功开发出一种固态太阳能电池，其效率在10%以上，使该技术在世界范围内得到推广。

钙钛矿太阳能电池的原理

(2)钙钛矿太阳能电池的特征

钙钛矿太阳能电池有几个优点。首先，与硅基太阳能电池不同，其可以通过涂布或印刷制成，产量大，有望降低成本。

由于它不易翘曲，因此可以减轻重量也是一个优点。作为硅太阳能电池基础材料的硅晶圆由于薄而易碎，因此通常将它们贴在厚度约为3mm的玻璃上，并夹在聚合物片之间，市售的产品通常每平方米重约11kg至13kg。而钙钛矿太阳能电池由小晶体的集合体形成薄膜，因此它们不易弯曲和变形，目标重量约是硅太阳能电池的十分之一。可安装在停车场、工厂、仓库、临时商店等承载能力不大的建筑物的屋顶等。

在材料方面也没有使用特别昂贵的贵金属等，一般以相对容易获得的碘化铅和甲基铵等为基本材料。由于可以采用涂布技术进行加工，因此有望降低制造成本。

此外，能量转换效率也得到了提高，可与主流的硅太阳能电池相媲美。如上所述，2009年左右开始研究钙钛矿太阳能电池时，其转换效率只有3%左右，但也有论文表示，通过将其固态化，效率提高到10%以上，材料和制造方法得到改进，目前转换效率超过25%。

钙钛矿太阳能电池（资料图）

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为实现钙钛矿太阳能电池的实用化所做出的努力

(1)为实现实用化，世界各国都在进行相关研究

世界各国都在进行相关研究，尤其是韩国和中国发表了许多论文，风险投资公司的数量也有所增加。韩国目前拥有世界上最高的转换效率，尽管仅仅是在不到1平方厘米的小型研究尺寸上实现的。一些风险投资公司也在欧洲如雨后春笋般涌现。

日本用面积约为30平方厘米的太阳能电池模块实现了世界最高效率。此外，日本的材料制造商实力雄厚，市场占有率大，为全球钙钛矿太阳能电池供应材料。此外，电子制造商、材料制造商、化学品制造商等也在致力于实用化。

(2)产综研为实现实用化所做出的努力

为实现实用化，必须解决在保持高效率的同时提高耐久性、开发量产技术等问题。

产综研计划解决企业难以关注到的重要研究问题。例如，除了材料研究和转换效率提高本身，还需要阐明劣化的原因、机理以及材料之间的相互作用等。此外，产综研正在利用其广泛研究领域的综合实力，为企业实际生产和量产时的基础研究铺平道路。例如通过利用AI的材料信息学和过程信息学等方法探索影响性能的原因，并在增大电池面积，开发太阳能电池模块时利用激光切割加工技术等。例如，对于需要掺杂剂（添加剂）才能实现高效率的空穴传输材料，产综研成功实现了无掺杂剂。掺杂剂经过很长一段时间后，会导致耐久性下降，但通过消除掺杂剂，耐久性得到了显著提高。

(3)钙钛矿太阳能电池的性能评估

产综研的另一个重要作用是建立钙钛矿太阳能电池的评估方法。目前，产综研、美国国家可再生能源实验室（NREL）和德国弗劳恩霍夫研究机构是拥有准确评估太阳能电池技术的机构。如果一家企业要致力于开发钙钛矿太阳能电池，就需要准确评估大面积太阳能电池模块，但这其实是相当困难的，需要大型设备，评估方法也不统一。产综研计划到2025年备齐评估所需的设备，并正在进行相关研究，以建立一种具有良好再现性并能准确评估性能的方法。

此外，研究小组也在考虑开发一种企业可以立即使用的评估方法。自然阳光是评估大面积太阳能电池模块的最理想光源。有必要制定测量指标和程序，例如在多少阳光下应该达到多少转换效率，并将其用于企业研发。

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私营企业的参与是实现实用化的关键

建立市场是实现钙钛矿太阳能电池实际应用的关键。

从向工厂或家庭等特定场所供电开始，随着物联网设备的普及和发展，以及移动通信网络的发展，可以说不仅是大型设施，个人设备、移动设备和传感器等都可以发电的时代正在到来。

作为新时代需要的新型太阳能电池，钙钛矿太阳能电池具有构建不同于硅太阳能电池的供应链的潜力。由于钙钛矿太阳能电池目前还没有打开市场，因此无论此前是否有涉足太阳能电池的实绩，所有企业都有平等的机会。相反，正因为不存在先入之见，或许可以萌生更多应用创意。

再优秀的技术，如果没有市场，也不会普及。产综研也正在研究一个让新加入企业可以咨询并试制的机制。希望有更多的企业能够进入这一领域，让其充满活力。

翻译：王宁愿

审校：李涵

通稿：李涵

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