打破世界纪录！科学家开发出新型三结钙钛矿太阳能电池

瞻观前沿

太阳能电池是一种利用太阳能转化为电能的装置，可以为人们提供清洁能源。为了提高太阳能电池的效率，科学家们一直在不断寻找新的材料和技术。多结太阳能电池是一种可以制造成两层以上并组装成多结太阳能电池以提高效率的技术。然而，当前的多结太阳能电池技术存在许多问题，例如能量损失导致电压低以及设备在运行过程中不稳定。

新加坡国立大学 ( NUS ) 的研究人员开发出一种新型的三结钙钛矿 / 硅串联太阳能电池，在 1 平方厘米的太阳能吸收面积上可实现 27.1% 的电力转换效率，创下了世界纪录。标志着迄今为止三结钙钛矿 / 硅串联太阳能电池的最高性能。这一突破是通过开发一种新型氰酸盐集成钙钛矿太阳能电池实现的，该电池以其稳定性和高能效而闻名。

NUS 的侯毅助理教授带领科学家团队首次展示了氰酸盐成功整合到钙钛矿中太阳能电池开发出尖端的三结钙钛矿 / 硅串联太阳能电池，其性能超越了其他类似的多结太阳能电池。该突破性发现的实验过程发表在《自然》杂志上。

NUS 的团队对氰酸盐进行了实验，以替代溴化物。研究人员采用各种分析方法证实氰酸盐成功整合到钙钛矿结构中，并制备了氰酸盐集成钙钛矿太阳能电池。进一步分析表明，掺入氰酸盐有助于稳定其结构并在钙钛矿内形成关键相互作用，证明它如何成为基于钙钛矿的太阳能电池中卤化物的可行替代品。

在评估性能时，NUS 的科学家发现，掺有氰酸盐的钙钛矿太阳能电池可以达到更高电压，并且能量损失显着减少。研究人员还测试了新设计的钙钛矿太阳能电池，在受控条件下以最大功率连续运行 300 小时。测试期结束后，太阳能电池保持稳定，其容量达到 96% 以上。


技术价值观察

钙钛矿电池属于第三代新型太阳能电池，产品结构原理和硅基电池差异较大，需全新的工艺流程和产线设备，因此产业链环节差异较大。

钙钛矿电池产业链上游包括 TCO 玻璃、靶材、POE 胶膜、丁基胶等辅材以及镀膜设备、涂布设备、激光设备、封装设备等设备，其中以镀膜设备 ( PVD、RPD ) 、涂布机、激光设备为核心 ;中游为钙钛矿电池及组件制造 ;下游为钙钛矿电池应用，包括 BIPV ( 光伏建筑一体化 ) 、车载光伏、室内光伏等。

新加坡国立大学 ( NUS ) 的研究人员开发出一种新型三结钙钛矿 / 硅串联太阳能电池，将一种新的阴离子氰酸盐集成到钙钛矿结构中，在 1 平方厘米的太阳能吸收面积上可实现 27.1% 的电力转换效率。该电池处于钙钛矿电池产业链中游环节。


宏观市场观察
钙钛矿电池发电原理为光生伏特效应

钙钛矿太阳能电池是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池，其发电原理基于半导体的光生伏特效应，利用电子和空穴对产生电流。钙钛矿电池器件的工作机制总体可以被划分为五个过程：光子吸收过程、激子扩散过程、激子解离过程、载流子传输过程以及电荷收集过程。经过五个过程后，自由电子通过电子传输层后被阴极层收集，自由空穴通过空穴传输层后被阳极收集，两极形成电势差，电池与外加负载构成闭合回路，回路中形成电流。


钙钛矿电池优点：转换效率高 + 成本低
钙钛矿电池的研究起步较晚，但其转换效率进步速度远快于晶硅电池。单结钙钛矿电池仅用十余年时间就将转换效率从 3.8% 提升至 26.1%，晶硅 / 钙钛矿叠层电池转换效率更是迅速升至 33.9%，而晶硅太阳能电池达到 26.1% 的转换效率用了近 40 年。

钙钛矿电池突飞猛进的发展得益于其优秀的光电性质。相比晶硅材料，钙钛矿材料具有更高的光吸收系数，且其电子和空穴的扩散长度大于百微米，远远大于钙钛矿材料对光子的吸收深度，有利于自由电子和空穴的输运，可被阴阳电极完全收集，进而实现高效的光电转化效率。


钙钛矿设备端各环节均有本土化布局
钙钛矿电池组件生产共需要镀膜设备、涂布设备、激光设备、封装设备四种设备，其中，镀膜设备供应商包括捷佳伟创、京山轻机、微导纳米、众能光电、理想晶延、红太阳、奥来德等 ; 涂布设备供应商包括德沪涂膜、曼恩斯特 ; 激光设备供应商包括大族激光、帝尔激光、德龙激光、迈为股份、杰普特等 ; 封装设备供应商主要有弗斯迈。钙钛矿组件生产中材料、工艺、设备互相配合铸就钙钛矿企业的核心竞争力。

钙钛矿设备端发展较快，各工艺环节均有国内本土公司布局，且领先企业已经拥有整线设备的生产能力。目前捷佳伟创与众能光电具备整线设备的生产能力，捷佳伟创设备种类涵盖 RPD、PVD、PAR、CVD、蒸发镀膜及精密狭缝涂布、晶硅叠层印刷等 ; 众能光电已与国内大型央国企、民营企业和知名高校科研机构累计完成近 200 个单体工艺设备交付，产品包括涂布机、刮涂机、激光刻蚀机、PVD 和 ALD 等。


根据前瞻产业热力图显示，目前钙钛矿电池关键技术强相关的城市集群主要集中在华东地区，尤其是 扬州市成为重点发展区域。这些城市群已投入大量政策、资金、环境和人才资源用于钙钛矿电池研发，成为潜在的钙钛矿电池技术发展中心。根据热力图的分布华东地区有极大的可能性成为钙钛矿电池技术的先导区域。重点关注江苏省扬州市高邮市、江苏省常州市天宁区、江苏省常州市钟楼区等地的相关企业，以及这些地方对钙钛矿电池产业发展的投资环境和潜力市场。