研 究 背 景
随着研究的不断深入，钙钛矿太阳能电池(PSCs)已经初步具备了商业化应用的基础。但目前的实现情况却是：在光伏地面电站等大型应用场景中，PSCs还不具备与成熟的晶硅光伏技术正面竞争的条件。就众所周知的制约光伏技术应用的效率、寿命和成本的 “黄金三角” 而言，PSCs在量产初期阶段，仅仅在成本方面会有优势，而效率最多追平，寿命方面的劣势比较明显，需要持续爬坡。
以TOPCon和HJT为代表的新型晶硅光伏技术，在不久的将来将实现23-25%的量产效率，使用寿命可达20年。相比之下，PSCs仅在0.1 cm2的实验室规模电池中实现了25.7%的记录效率，对于面积为~20 cm2 的迷你组件，记录效率为22.4%，而对于面积为~800 cm2 的小型组件，记录效率则仅为17.9%。在与大型晶硅组件 (> 10000 cm2) 尺寸相当的情况下，PSCs要想实现22% 以上的量产效率，在短期内仍然是不可能实现的目标（尽管这个目标理论和技术上已经没有障碍，实现只是时间问题）。此外，效率 >25%的高效PSCs通常依赖于使用不稳定的Spiro-OMeTAD空穴传输材料和昂贵的金电极，这阻碍了它们在工业上放大应用的可能性。
在使用寿命方面，只有少数研究机构报告了PSCs的运行稳定性在1000小时的连续光照下不会下降（保持率100%的很少，保持率>95%的渐渐增多），而光照工作稳定性达到10000小时的报道则更为稀少（基于光热敏感材料的很多新型光伏技术都要求将持续光照老化实验做到10000小时，才有可能保证足够的户外使用寿命）。因此，目前迫切需要大幅提高PSCs的使用寿命。
简而言之，目前很确定的阻碍PSCs快速商业化的主要瓶颈是大面积高效率和长期稳定性。针对上述两个主要瓶颈展开论述，可以考虑从以下几个亟需解决的突出矛盾进行进一步的分析。
图文
导读
01
小面积高效率和大面积低效率的突出矛盾
从图1(a)可以看出，大面积钙钛矿太阳能组件(PSMs)的效率明显低于小面积器件，且效率随着器件面积的增加而过快下降。与其他类型的商用薄膜太阳能电池相比，PSCs的效率下降速度要快得多(图1(b))。基于经验值，太阳能电池面积每增加一个数量级，其绝对光电转换效率会下降约0.8%。而PSCs效率记录从0.1cm2的25.7%，下降到PSMs 800cm2的17.9%，显然超出了上述理想范围。这种过大的效率损失意味着PSCs在放大生产方面面临的第一个重大挑战，需要在短期内克服。造成这一现象的原因，主要是由于大面积钙钛矿薄膜的可控制备还没有优化到位。需知，大面积钙钛矿薄膜制备工艺采用的是与历史上所有半导体主流制造工艺都不同的溶液涂布技术，产业界对这一技术的工程放大还很陌生。一方面需要对钙钛矿溶液的胶体和溶剂化学加深理解，对大面积溶液制膜过程中的结晶成膜机理进行深入的基础研究；另一方面，涂布工艺和涂布装备也需要跟进改进。
图1
(a) 不同尺寸的PSCs和PSMs 的功率转换效率（PCE）显著提高；(b) 不同尺寸及类型太阳能电池的记录PCE演变
02
高效率和高稳定性不统一的突出矛盾
目前，基于正式n-i-p结构的高效器件主要采用纯α-FAPbI3和掺杂Spiro-OMeTAD作为光吸收和空穴传输材料(HTM)。α-FAPbI3的相不稳定性问题已经得到了充分的证明，此外，掺杂Spiro-OMeTAD还引起了公认的额外的稳定性问题。
如图2所示，基于正式结构的小面积PSC获得了25.2%的PCE，但其稳定性并不理想，经过500小时连续光照后，封装的器件仅保留了约80%的初始PCE，这对于商业应用来说太短了。
图2
(a) PCE的统计分布显示为长方体和晶须图，蓝色点表示内部测量的PCE水平，而红色点表示认证的PCE值；(b) 冠军设备的J-V曲线，显示了传统的J-V扫描和经认证的准稳态测量；(c) AM 1.5G太阳辐射和45°C器件温度下的长期光浸泡稳定性
在图3中，正式结构的小型钙钛矿组件获得了19.3%的认证高效率，但同样存在稳定性差的问题，在85°C干燥空气中老化时，该装置的效率很快下降到初始值的80%以下，也不能满足IEC61215稳定性标准的基本要求。因此，发展可替代Spiro-OMeTAD的HTM，兼顾实现高效率和高稳定性非常重要。另一方面，基于p-i-n结构的反式结构器件，如果采用NiO/C60界面材料体系，其稳定性相对较好，但效率又相对偏低；如果采用有机HTL/C60界面材料体系，认证效率也可达到25%以上，但在稳定性方面又有所牺牲。因此，平衡获得高效率和高稳定性是PSCs领域一个非常重要的课题。
图3
大面积模块的性能和热稳定性数据。(a) 通过使用槽模涂布法制造的大面积钙钛矿膜迷你模块（100.0 cm2衬底面积，65.0 cm2孔径面积）的冠军J-V曲线；(b) PSCs和PSMs最近的最高效率与设备面积的函数关系；(c) 在85°C的环境空气中（相对湿度~15±5%），对未密封装置进行500小时稳定性试验
03
各类型稳定性参数不能兼顾实现的突出矛盾
部分器件在特定指标上通过了标准老化试验，如湿热试验(85°C /85%相对湿度1000小时)和热循环试验(-40°C至85°C, 200次循环)，但其光照稳定性较差。这一矛盾意味着，基于关键薄膜材料的不同组合，具有特定结构的PSCs可能对不同的应力源(如光、热、偏压和湿度等)表现不同。
在图4(a)中，采用封装后的PSCs进行稳定性测试，结果显示该器件具有优异的湿热和湿冻循环稳定性，通过了IEC61215标准测试。但其光照稳定性较差，当器件温度稍微升高到45°C时，器件效率在数十小时内下降明显(图4(b))。此外，基于相对稳定的p-i-n结构（glass/ITO/PTAA/perovskite/PCBM/ZnO np/AZO/Ni-Al grid/MgF2），在较低温度范围(<60°C)下的光照老化条件下，通常具有较长的工作寿命。
图4
(a) 超过湿热和湿冻试验要求的稳定PSCs（根据IEC61215标准）；(b) 在25°C和45°C温度下对相同装置进行光浸试验
如图5(a)所示，我们可以发现，在60°C的N2环境下连续光照1000小时后，器件的初始效率(13.6%)仅略微下降到12.7%。相比之下，同一个器件继续在80°C下额外光照320小时后，效率急剧下降到4.1% (图5(b))。对比图5(c)-(e)和图5(b)可以看出，与60°C光照相比，80°C光照时器件退化明显，高温光老化器件中出现了大面积的无活性黄色区域（钙钛矿释放有机组分分解为PbI2），而60°C光照下器件老化前后几乎没有明显的颜色变化。这表明，较高的温度和光照联合作用下，钙钛矿材料的分解速度显著加速。
图5
(a) PSCs横截面的SEM图像，器件结构为glass/ITO/PTAA/perovskite/PCBM/ZnO np/AZO/Ni-Al grid /MgF2；(b) 不同应力温度条件下PSCs的J-V曲线；(c-e) 在不同阶段下拍摄的PSCs照片，即在任何应力之前(c)，在60°C下进行1000小时的光浸泡之后(d)，以及在80°C下进行320小时的光浸泡之后(e)
此外，钙钛矿和器件的降解可能不是线性的，如图6所示，当材料的损伤积累到一定程度时，可能会出现跳跃式的降解。不同器件稳定性的下降趋势是不可预测的，从最初1000小时的老化试验开始做超长T80寿命的外延推测是不合适的。因此，真正需要判断钙钛矿的实际使用寿命，需要做全寿命的加速老化试验，比如将光老化试验从通常的1000小时延长到足够长的10000小时。10000小时持续1sun的光照量相当于户外数年乃至10年左右累计的光通量（根据各地全年光照小时数不同而有所差异）。
图6
(a) PSCs横截面的SEM图像，器件结构为glass/ITO/PTAA/perovskite/PCBM/ZnO np/AZO/Ni-Al grid /MgF2；(b) 不同应力温度条件下PSCs的J-V曲线；(c-e) 在不同阶段下拍摄的PSCs照片，即在任何应力之前(c)，在60°C下进行1000小时的光浸泡之后(d)，以及在80°C下进行320小时的光浸泡之后(e)
04
高性能与低成本之间不统一的突出矛盾
太阳能电池发展过程中出现的第四个突出矛盾：高性能与低成本之间的不统一。除了对中国市场关键材料的价格进行评估之外，我们对于国际上其他地区的关键材料成本也进行了相应的统计分析，如表格1所示。在大多数研究论文当中，进行稳定性试验时，采用的稳定性较好的Au作为电极材料，这在经济性方面毫无价值可言。此外，有些界面材料体系价格显著超过钙钛矿薄膜本身，将成为未来材料选型的重要依据和组件降本的重点突破方向。但对比钙钛矿和晶硅光伏生产工艺路线和材料纯度、用量的需求，钙钛矿光伏技术的廉价化迟早会实现，随着工业化进程的加速，未来钙钛矿光伏组件的成本下降会因为规模化效应而显著加速。
表1
PSMs中关键部件的成本
a: 表示中国地区钙钛矿太阳能电池关键原材料价格
b: 表示国际其他地区钙钛矿太阳能电池关键原材料价格
c: 表示除了钙钛矿层之外其他界面材料的成本之和（例如ETM、HTM以及其他修饰层）
总结与未来展望
PSCs是近期最有可能实现商业化应用的新一代光伏技术。它具备潜在的效率优势和明确的成本优势，而使用寿命方面虽然进展很快，却仍面临一定的技术风险。就目前阶段而言，PSCs的高效率（尤其是大尺寸高效率）、长寿命和低成本之间很难达成一致；基于不同结构和关键材料组成的器件，其光、热、湿稳定性又存在很多不一致的表现，乃至自相矛盾的地方。鉴于此，找准面向应用的研发着力点，提出不可回避的关键问题进行攻关，对于推进钙钛矿光伏技术产业化至关重要。
对于PSCs的商业化应用，主要的瓶颈在于两个方面：
大面积PSMs的高效率
长期稳定性
在PSMs商业化的初期阶段，低成本PSMs是否一定要达到与成熟的晶硅光伏组件相同的20-25年的使用寿命，值得讨论。接下来的重点方向是解决实现应用时面临的四个方面的突出矛盾：
1
小面积PSCs和大面积PSMs之间的效率差距过大
2
高效率与稳定性的不统一
3
各项稳定性参数之间的不统一
4
高性能与低成本之间的矛盾
所有这些都与PSMs的平准化度电成本(LCOE)密切相关。因此，单独突出高效率、高稳定性或低成本并没有那么大的实际意义，一个有用的技术需要三方面兼顾。
在这些挑战性问题中，由于PSCs稳定性的理论上限存在一定的不确定性，因此认为稳定性问题更为关键和迫切需要解决；而解决大面积高效率和低成本对于钙钛矿光伏技术而言只是时间问题，虽然也非常具有挑战性，但由于小型实验室电池的效率已经被证明足够高，其问题解决的速度和程度取决于研发投入和路径正确。解决长期稳定性，PSCs领域目前比较欠缺的是户外不同气候条件下长期老化试验。将系列室内加速老化试验与户外工况条件下的稳定性表现联系起来分析，建立钙钛矿光伏组件寿命预测模型和符合钙钛矿光伏材料自身特点的加速老化测试标准（而非借用晶硅的老化测试标准），对于钙钛矿光伏组件快速实现特定场景下户外应用至关重要。
除了黄金三角关键参数外，基于卤化铅的钙钛矿光伏技术中的铅毒性是这一新兴光伏技术大规模应用的另一个潜在风险。关于PSCs铅毒性问题存在着一些矛盾的观点。一种观点认为钙钛矿组件中铅的含量很少，甚至低于晶硅组件中焊带所使用的Pb。而另一种观点，比较担心钙钛矿中可溶解的离子态铅从PSCs中泄露出，进入地表和地下水。因此，需要对PSCs中铅毒性问题的影响进行进一步的全生命周期评估，对其环境影响进行更精准的分析，以确保这一新兴光伏技术的成功商业化。
作者简介
共同作者
刘宗豪
华中科技大学博士，华中科技大学武汉光电国家研究中心副教授，湖北省杰出青年基金获得者，入选湖北省楚天学者计划“楚天学子”。2017—2019 年日本冲绳科学技术大学院大学博士后。研究领域主要集中于有机-无机钙钛矿太阳能电池与光电器件。
通讯作者
陈炜
清华大学材料科学与工程博士，华中科技大学武汉光电国家研究中心教授，国家优秀青年科学基金获得者。2008-2010 年,中国香港科技大学化学系博士后研究员。2014-2015年,日本国立材料科学研究所访问学者。研究领域涵盖功能纳米材料和半导体薄膜在下一代太阳能电池(包括PSC)中的合成，理解和应用。
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