光伏革命性發展-鈣鈦礦材料分子與新型太陽能電池效率攀升

把太陽能轉化為電能是人類孜孜以求的目標，上世紀五十年代貝爾試驗室發明了有實際使用價值的硅材料太陽能電池，硅材料太陽能電池不斷推陳出新，已經開發出單晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜太陽能電池，其中單晶硅太陽能電池試驗室最高光電轉換效率為25.6%，工業化規模加工組件光電轉化效率達15%，非晶硅太陽能電池光電轉化效率為10%。硅基太陽能電池是目前在規模化加工和實際使用中占主導地位的太陽能電池類別，有90%的市場占有率。制備單晶硅太陽能電池要純度為99.9999%的硅，使得電池成本太高；多晶硅太陽能電池加工也要使用高真空設備和高潔凈廠房，加工成本依然很高；非晶硅薄膜太陽能電池則有穩定性不好，效率較低的問題。

從加工和運行成本上講，硅基太陽能電池產品目前還不具備和水電、火電等進行完全市場競爭的能力。硅基太陽能電池民用產品產業化發展的瓶頸是成本和污染問題，在過去60多年時間里這些問題并沒有得到根本處理，硅基太陽能發電產品目前緊要用于航天、軍工等高端產品中，民用產品緊要靠政府補貼推廣。

最近幾年，歐美日等國家開始對光伏補貼政策進行調整并開展針對我國產品的“雙反”調查，國內硅基太陽能電池廠家馬上進入產業發展“寒冬”季節，這個事實說明開發具備真正市場競爭力的新型太陽能電池是產業發展實際要。

鈣鈦礦材料分子與新型太陽能電池效率攀升

新型太陽能電池一旦達成效率、成本和壽命方面的沖破，會帶來光伏產業的革命性變化和實現巨大商業價值。到目前為止，許多新的無機、有機電池材料分子不斷被開發出來，涌現出大量新型太陽能技術，其中有多元化合物薄膜太陽能電池（如碲化鎘、砷化鎵和銅銦鎵硒薄膜電池），有機材料薄膜太陽能電池，有機無機雜化太陽能電池（如染料敏化太陽能電池和鈣鈦礦材料太陽能電池）等，這些第二代和三代太陽能電池實現了10%到20%甚至更高的光電轉換效率，已經進入產業化門檻階段（附圖1）。

在各類太陽能電池發展過程中，新材料分子的發現和性能改進，電池結構的優化均不同程度幫助提升太陽能電池的光電轉換效率，其中以鈣鈦礦材料分子表現最為突出。2013年十二月二十日，美國《科學》（Science）雜志推出了他們的2013年十大科學沖破評選結果，其中鈣鈦礦（perovskites），一種1839年由GustavRose首次發現并依據俄羅斯礦物學家Levperovski名字命名的有機無機雜化分子材料因為在太陽能電池中的使用和電池效率快速提升而入選。“鈣鈦礦材料便宜、易于制備，已經取得15%的光電轉換效率；雖然比目前商業化的硅基太陽能電池效率低，但是鈣鈦礦型材料太陽能電池效率提升迅速，它和其它類型太陽能電池集成以后可以捕捉和轉換更寬光譜范圍的太陽光”，美國《科學》雜志這樣給出鈣鈦礦材料入選理由。

事實上，自從2009年日本科學家TsutomuMiyasaka將鈣鈦礦材料用于染料敏化太陽能電池作為吸光材料取得3.8%光電轉換效率以來，鈣鈦礦材料太陽電池效率已經躍升到2013年底的15%和目前的19.3%，并且還在迅速攀升中，有望年內沖破20%大關。僅僅用了5年時間，鈣鈦礦材料太陽電池就超越了許多太陽能電池技術數十年所積累的效率上升，這是從無先例和引人注目的。

鈣鈦礦材料太陽能電池可能引起光伏產業革命性的變局，已經引起了國內外學術界和工業界廣泛關注和興致。過去五年內鈣鈦礦材料太陽能電池范疇的進展顯示出這類材料分子具有改變整個太陽能電池產業格局的潛力，目前眾多的國內外研究機構和公司已經開始投入力量進行鈣鈦礦材料太陽電池技術研究和材料開發，發展增速會分明加快。

最近，國家科技部863項目、973項目和自然科學基金委重大專項均安排了經費支持鈣鈦礦材料太陽能電池的基礎研究和使用開發工作。作為市場主體的公司也敏銳的捕捉到光伏產業將來發展方向的這一變化，凱惠科技發展（上海）有限公司就在染料敏化太陽能電池研發工作基礎上迅速投入力量開始了鈣鈦礦太陽電池材料和器件的研制工作。凱惠科技進行新材料和新能源范疇的創新研發工作目的是為公司發展尋找新的上升點，以開發有自主知識產權的技術和產品為目標。凱惠科技研發團隊2010年開始和上海交通大學韓禮元教授合作開展了染料敏化太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池技術、材料與器件的研發工作，已經開發新型有機敏化劑材料三類，制得電池模塊和初級使用器件產品原型一批，完成電池關鍵材料、模塊和器件國家發明專利申報七項、國際專利一項。凱惠科技建立起繼續的有機敏化劑材料、電荷傳輸材料和鈣鈦礦有機-無機雜化電池材料的設計、開發和加工量力，目前已經開始染料敏化太陽能電池使用產品工業設計和中試制造工作，正在找尋相關項目產業發展合作伙伴。

人類面對的能源和環境問題的日益突出，開發包括太陽能在內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、研究機構和公司投入的不斷加大，光伏產業革命性發展結果可以預期。將來各類光伏電池的市場需求將實現共存，效率、成本、壽命、柔性將成為各類技術發展與產業化的緊要挑戰，找到像鈣鈦礦材料這樣的明星分子和進行光伏器件結構創新將成為產業發展緊要的內容。我們認為到2030年，光伏將成為成熟的緊要的能源技術，到2050年，光伏電能可能成為全球性主導能源之一，作為市場主體的公司和研究機構攜手加上政府的戰略性新興產業支持可以確保和加速這個進程的實現，光伏產業發展的將來定會更加絢麗多彩。

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