從目前的情況來看，鈣鈦礦太陽能電池離產業化還有多遠？

01-03

2015-12-23

近年來鈣鈦礦
(perovskite) 太陽電池因其創紀錄的高效能、低廉的製造成本而備受矚目。最近，美國科學家研發出製造毫米級鈣鈦礦晶體的溶液製程技術，製造出之成品較先前的奈米級、次微米級晶體材料大上幾個數量級。粒徑越大代表缺陷較少，而鈣鈦礦的特性可媲美其他無機太陽電池材料，成本卻低廉許多。從 2009 年到 2014 年的短短 5 年間，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率從 3.8% 一下子躍升至 19.3%，提高了 5 倍。其效率進步之快，成本之便宜，生產之容易，以至於被《Sciences Journals》評為 2013 年的 10 大科學突破之一。

洛斯阿拉莫斯 (Los Alamos) 國家實驗室的研究員 Aditya Mohite 表示，在短短兩年之中，鈣鈦礦太陽電池的效能已經達到20%，相形之下，其他奈米材料花了二十年才達到 9% 的效能。Mohite 也認為，其團隊所研發出提升鈣鈦礦晶體質量的方法，也可望應用來提升晶體質量，以獲得更佳的光電特性。納米材料科技雖然能得到好的光學質量，但因具有多重介面會造成電子-空穴的複合。若能製造質量更佳的晶體，將能改善此狀況。另外，缺陷與晶界產生的陷獲態 (trap
state) 會限制電荷載子的活動，因此晶體質量可由逆轉電壓掃描時是否產生遲滯現象 (hysteresis) 得知；而上述方法的到的鈣鈦礦晶體並無遲滯現象。此外，該團隊也測量了開路電壓與光強度之間的關係，顯示雙分子複合過程主導材料的光電行為。

但這畢竟是學術上的研究，在進行商轉前我們必須先解決以上鈣鈦礦電池的難題：

1). 有毒 → 鈣鈦礦電池材料含有鉛，不過鉛跟其他類型電池含有的砷、鎵、碲、鎘相比，簡直就是小巫見大巫。而美國西北大學也已研發出一種用錫代替鉛的鈣鈦礦太陽能電池，不過這種電池的轉換效率還只有 6％，目前處於研發初級階段，效率還有提升空間；

2). 不穩定 → 鈣鈦礦中的鉛容易氧化揮發，而當晶體遇水時則易分解。如果我們使用鈣鈦礦電池發電，它很有可能滲出流到屋頂或土壤中；

3). 壽命不長 → 目前，壽命最長的鈣鈦礦太陽能電池可達到 1000 小時，由華中科技大學和洛桑聯邦理工學院合作研發。而傳統晶硅電池壽命一般可達到 25 年，比鈣鈦礦電池長得多。

我還是看好鈣鈦礦電池的未來，也相信研究人員會找出最佳方案來取代現有技術，但你要問甚麼時候可以來臨，很多事都說不準。舉例來說，電動車應該可以取代汽油車，汽油也降價了，又跑出來一個頁岩氣來攪局。所以說，技術是可以先突破放在哪裡等機會上位，但如果原先消費習慣及性價比一時之間還沒有被接受，也不見得最佳方案就能成功上市。

先說結論，目前還看不到實用化的希望。

不過這不是說沒前途，只是說，現在還有根本問題沒解決。鉛的毒性是個問題，但是不是根本問題。first solar的CdTe，兩種元素都是有毒的，毒性還不比鉛低，人家一樣早就大規模商業化了。錫取代是沒啥希望的，錫是解決了毒性問題但卻加重了一個更根本的問題，就是穩定性。鉛都有穩定性問題，二價錫氧化又帶來一個新的穩定性問題。並且我不覺得可遇見的將來能把二價錫穩定下來，效率反倒是肯定可以提高的。

根本問題只有一個，也是這個材料的穩定性。壽命問題也是穩定性問題。這就是這個材料的死穴，解決了並且沒有新的問題的話，大規模產業化就不遠了，現在就是卡在這裡。這個問題研究有進展，但是比較緩慢沒有質變。什麼時候能到可產業化的程度，現在還沒人能下定論。

估計還需要很遠的，現在的熱門應該是multi-junction solar cell吧，其他的要不性價比太低，要不技術不成熟。感覺光伏產業整體的能量轉化率都處在一個較低的水平。

面積問題很好解決，之前國內韓禮元課題組36平方厘米已經可以做到百分之12的效率，杭州纖納16平方厘米模塊效率也達到百分之十五點四，而且據答主所在課題組所做成果表明大面積效率仍在穩步突破中。相比其他薄膜電池，鉛的毒性問題並不是十分顯著，學過環境化學都知道現在所謂的Sn取代都是一幫不懂的人瞎扯，錫的毒性也不小，所以取代鉛並不存在太大的必要性。目前最難解決的還是鈣鈦礦電池各層的穩定性問題，因為此類實驗所需周期較長，而且空氣，水，熱穩定性都是需要考慮的問題，若能在這方面取得突破，鈣鈦礦大規模商業化便指日可待。

個人畢設就是研究鈣鈦礦太陽能電池，對目前的perovskite結構的電池的發展前景和目前的前沿研究也有所接觸。

截止到現在為止，世界上有記載的鈣鈦礦太陽能電池最高效率大約19％，非專業領域的人可能認為這不是一個很高的能量轉換效率，但是我們首先要了解到，此類電池從0.4％左右的效率發展到如今的19％左右只經歷了短短的十幾年，其整個效率發展曲線在NREL的一個從1975年開始的各類電池效率記錄圖表上，相對於其他類電池的效率曲線要陡峭的多，這也表明鈣鈦礦太陽能電池的效率可能還有很大的進步空間。

另一方面，如今實驗室中研究的鈣鈦礦太陽能電池中是含鉛的，雖然我們發展的是可持續清潔能源，但是其載體卻是有毒的。然而我們知道，在能源問題面前，這並不是最大的問題。

如今限制其產業化的重要因素個人認為主要有兩點:

1.穩定性。現在用的最廣的單晶硅太陽能電池，其製備過程耗能巨大，而且會產生重污染，但現如今成熟的工藝能讓其穩定工作20年。而鈣鈦礦太陽能電池可能現在在實驗室環境都無法穩定工作幾天。

2.規格。畢設實驗室里的標準電池面積大概1.5cm*1.5cm，其有效工作面積就更小了，所以這也是遠遠無法達到大規模民用的要求的。

以上。

初學者，感覺opv染敏不太好做了，都開始轉perovskite了。個人認為首先鈣鈦礦毒性問題，超純的碘化鉛也不便宜。其次是穩定性，做電池的時候都不敢對著膜呼吸好嗎！！雖然一直有人在優化，放在室內3個月效率下降不多，但是然並卵。還有做大面積等等等等，個人拙見opv近幾十年是不會大規模生產了吧，畢竟市面上的太陽能電池還是一二代而且還在補貼==

我們實驗室專門做鈣鈦礦電池產業化的，大家的方向是用印刷的方式做太陽能電池。只能說發展太快，頂多半年到一年內就能有實際應用. 全世界的同行們都太努力了，