鈣鈦礦太陽能電池國際戰(zhàn)略規(guī)劃及發(fā)展態(tài)勢分析*

邊文越 李國鵬 周秋菊

（中國科學院科技戰(zhàn)略咨詢研究院，北京 100190）

鈣鈦礦太陽能電池是以鈣鈦礦材料作為吸光層的太陽能電池，其光電轉換效率從2009年首次報道時的3.8%，到2018年已經(jīng)突破了23%。2013年，鈣鈦礦太陽能電池被《科學》雜志評為年度十大突破之一［1］；2016年，又被“世界經(jīng)濟論壇”評為當年十大新興技術之一［2］。

鈣鈦礦太陽能電池的優(yōu)點主要有三點：鈣鈦礦材料來源豐富、成本低；光電轉換效率高、易于制造；可與硅太陽能電池形成串聯(lián)結構，實現(xiàn)更高效率。同時，其面臨的主要挑戰(zhàn)也有三點：穩(wěn)定性差（受水分、氧氣、熱、紫外線影響）；含有毒物質(zhì)鉛；可放大、可重復的高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜制備過程存在困難［3］。

如表1所示，鈣鈦礦太陽能電池研究主要集中在各種新型電池設計以及鈣鈦礦吸光層材料、電子傳輸材料、空穴傳輸材料等基礎研究方向。特別值得注意的是，“鈣鈦礦薄膜大面積制備”“鈣鈦礦薄膜高質(zhì)量成膜及缺陷修復”等涉及鈣鈦礦材料大規(guī)模高質(zhì)量制備的方向已成為研究前沿，說明鈣鈦礦太陽能電池的研究正在從實驗室向實用化、產(chǎn)業(yè)化方向邁進。

表1 ESI數(shù)據(jù)庫中的鈣鈦礦太陽能電池研究前沿1）Tab.1 Research fronts of perovskite solar cells in the ESI database1）

1 各國戰(zhàn)略舉措

為了盡快將鈣鈦礦太陽能電池從實驗室推向實用化，美國、歐盟、日本和我國采取了一系列戰(zhàn)略舉措。

1.1 美國

1.1.1 戰(zhàn)略規(guī)劃

2011年2月，美國能源部發(fā)起Sunshot重大挑戰(zhàn)計劃，旨在通過提供從研發(fā)、制造到市場化的全面解決方案，加速太陽能發(fā)電技術在全美的廣泛部署，實現(xiàn)2020年太陽能發(fā)電平價上網(wǎng)目標，即大型光伏系統(tǒng)平準化電力成本降至6美分/千瓦時（表2）。2017年，該目標提前實現(xiàn)，新的目標是到2030年將大型光伏系統(tǒng)發(fā)電成本再降低一半［4］。

表2 美國能源部Sunshot重大挑戰(zhàn)計劃Tab.2 The SunShot grand challenge of the U.S.Department of Energy

鈣鈦礦太陽能電池以其高效率、低成本的優(yōu)勢，成為Sunshot計劃支持的研究方向之一。沿著從基礎研究到應用開發(fā)整個創(chuàng)新鏈條，美國能源部通過一系列項目部署、多種協(xié)同創(chuàng)新機制，推動鈣鈦礦太陽能電池從實驗室走向市場。

1.1.2 項目部署

對于鈣鈦礦太陽能電池研究，美國能源部2014年在第三輪“下一代光伏技術”項目中首次資助了 5項［5］；2016年，在“國家實驗室多年合作”項目中資助了 2項［6］（表 3）；2016—2017年，連續(xù)兩年在“光伏研究和開發(fā)”項目中提供支持［7］；2017年，在第三輪“技術到市場”項目中支持了1項［8］（表4）。通過這四類項目，能源部圍繞鈣鈦礦太陽能電池實用化部署了提高電池效率、替代鉛、提高穩(wěn)定性、研究降解機制、開發(fā)新材料等一系列基礎和應用研究，特別是投資發(fā)展低成本、高速卷對卷生產(chǎn)工藝，表明了其積極推動技術從實驗室向產(chǎn)業(yè)化方向轉移的態(tài)勢。

表3 美國能源部“下一代光伏技術”和“國家實驗室多年合作”項目資助的鈣鈦礦太陽能電池研究Tab.3 Projects related to perovskite solar cells in“next generation photovoltaics”and“SunShot national laboratory multiyear partnership”programs from the U.S.Department of Energy

表4 “光伏研究和開發(fā)”和“技術到市場”項目資助的鈣鈦礦太陽能電池研究Tab.4 Projects related to perovskite solar cells in“photovoltaic research and development”and“technology to market”programs

1.1.3 協(xié)同創(chuàng)新

美國能源部通過多種協(xié)同創(chuàng)新機制推動鈣鈦礦太陽能電池研究和實用化。在這些機制中，既有側重基礎研究的能源前沿研究中心、能源材料網(wǎng)絡，也有側重應用開發(fā)的區(qū)域創(chuàng)新聯(lián)盟、工程研究中心。雖然各有側重，但這些協(xié)同創(chuàng)新機制都是通過構建包括大學、國家實驗室、企業(yè)在內(nèi)的產(chǎn)學研聯(lián)盟來推動研究進步和實用化。

能源前沿研究中心是由來自美國大學、國家實驗室、非盈利研究機構、企業(yè)甚至海外研究機構的研究人員組成的跨學科、跨機構研究團隊，主要從事基礎研究。由能源部提供資金，第一輪（2009—2014）資助了 46個，第二輪（2014—2018）資助了36個，第三輪（2018—2022）資助了42個。其中，至少有2個研究中心涉及鈣鈦礦太陽能電池研究［9］（表 5）。

能源材料網(wǎng)絡是以國家實驗室為核心，圍繞先進材料研發(fā)組成的國家實驗室、高校、企業(yè)研究聯(lián)盟，用以加快研發(fā)進程，縮短先進材料進入市場的時間。當前共有7家聯(lián)盟，每個聯(lián)盟關注一類先進材料。2016年9月，能源部宣布設立光伏模塊耐用材料聯(lián)盟，計劃在此后五年投入3000萬美元。該聯(lián)盟由國家可再生能源實驗室牽頭，桑迪亞國家實驗室、勞倫斯伯克利國家實驗室、SLAC國家加速器實驗室參與，旨在研究耐用的高性能光伏模塊新材料，以實現(xiàn)平準化電力成本3美分/千瓦時目標［10］。鈣鈦礦太陽能電池是其研究方向之一。

表5 從事鈣鈦礦太陽能電池研究的能源前沿研究中心Tab.5 Energy frontier research centers related to perovskite solar cells

2011—2016年，能源部投資2500萬美元設立了舊金山灣區(qū)光伏聯(lián)盟（現(xiàn)仍在運行）。該聯(lián)盟由斯坦福大學和加州大學伯克利分校牽頭，工業(yè)合作伙伴包括通用電氣、杜邦、Sunpower、道達爾、意大利國家電力公司、FirstSolar、Alta Deviecs、Siva Power等。聯(lián)盟與工業(yè)界密切合作，由工業(yè)委員會確定研究優(yōu)先方向和范圍，面向大學招標，由工業(yè)委員會評審申請書，以確保研究方向與工業(yè)需求緊密配合。在聯(lián)盟五大研究方向中，3個（高性能和多結太陽能電池、薄膜吸光層和薄膜太陽能電池、封裝和可靠性）都涉及鈣鈦礦太陽能電池研究［11］。

2011年，能源部和美國國家科學基金會聯(lián)合成立“量子能量和可持續(xù)太陽能技術”工程研究中心，雙方已累計投入4777萬美元，用于支持中心直到2019年的研究項目。該中心由亞利桑那州立大學牽頭，合作對象包括麻省理工學院、特拉華大學、加州理工學院、新墨西哥大學、佐治亞理工學院、亞利桑那大學、休斯頓大學、日本東京大學、澳大利亞新南威爾士大學、英國帝國理工學院等海內(nèi)外高校以及40多家企業(yè)。中心設有三大研究方向，其中之一是硅串聯(lián)電池，目標是到2030年頂電池/硅串聯(lián)太陽能電池模塊效率大于30%，制造成本低于每平米100美元。鈣鈦礦/硅串聯(lián)結構是該方向技術路線之一［12］。

1.1.4 發(fā)展方向

2017年6月，能源部發(fā)布《光伏創(chuàng)新路線圖》意見征集，向利益相關方（學界和商界）征集鈣鈦礦太陽能電池實用化面臨的最重要挑戰(zhàn)和發(fā)展方向，得到的反饋包括成本、穩(wěn)定性、效率、環(huán)保等一系列問題，未來發(fā)展方向包括總封裝成本小于5美元/平米、使用壽命至少25年、年降解率降至0.2%、串聯(lián)結構光電效率大于30%、鉛減少一半或全部取代等（表 6）［13］。

1.2 歐盟

1.2.1 “地平線2020”計劃

歐盟自2013年起在“第七框架”計劃下資助鈣鈦礦太陽能電池研究，2014年起在“地平線2020”計劃下繼續(xù)資助。截至2018年10月，“地平線2020”計劃已資助相關研究28項，累計投入3638萬歐元（圖1）。在項目數(shù)量方面，英國（9項）、西班牙（6項）、瑞士（6項）排名前三，且優(yōu)勢明顯；在資助金額占比方面，瑞士（16.1%）明顯落后西班牙（25.8%），位居第三位，且與排第四的比利時（14.9%）相差不大。通常認為在鈣鈦礦太陽能電池研究方面，英國和瑞士在歐洲范圍居于領先，然而上述分析說明歐洲還有更多的國家和機構值得關注。表7列出了資助金額在200萬歐元以上的鈣鈦礦太陽能電池研究項目。從中可以看出，歐盟正在大力推動鈣鈦礦太陽能電池實用化，積極研發(fā)具有高效、耐用特征的鈣鈦礦太陽能電池的生產(chǎn)技術。

表6 《光伏創(chuàng)新路線圖》意見征集反饋（鈣鈦礦太陽能電池部分）Tab.6 Responses related to perovskite solar cells to“photovoltaics innovation roadmap request for information”

圖1 “地平線2020”計劃鈣鈦礦太陽能電池項目分布Fig.1 Distribution of projects related to perovskite solar cells in the“Horizon 2020”program

表7 “地平線2020”計劃資助的鈣鈦礦太陽能電池研究重大項目Tab.7 Major projects related to perovskite solar cells in the“Horizon 2020”programs

1.2.2 區(qū)域創(chuàng)新

薄膜光伏研究聯(lián)盟Solliance成立于2010年，是一個由荷蘭、比利時、德國研究機構為主體的跨國組織，研究隊伍超過250人，致力于使該地區(qū)成為光伏領域一支重要研究力量。核心成員包括比利時微電子研究中心、荷蘭國家應用科學研究院、Holst研究中心、荷蘭能源研究中心、荷蘭埃因霍芬理工大學、德國于利希研究中心、比利時哈塞爾特大學、荷蘭代爾夫特理工大學。合作伙伴有荷蘭殼牌公司、澳大利亞Greatcell Solar公司、俄羅斯Solartek公司、日本松下公司、中國漢能等多個區(qū)域內(nèi)外企業(yè)。

Solliance在荷蘭埃因霍芬建有獨立的研究大樓，配備了先進的實驗室和試驗生產(chǎn)設施。Solliance的三大研究方向之一就是鈣鈦礦太陽能電池，目前與澳大利亞Greatcell Solar公司、俄羅斯Solartek公司、日本松下公司正在合作研究通過卷對卷技術生產(chǎn)大面積、低成本、高效率、長壽命鈣鈦礦材料，推動鈣鈦礦太陽能電池走向市場；同時，還在研究鈣鈦礦-硅串聯(lián)太陽能電池和半透明鈣鈦礦太陽能電池［14］。

1.3 日本

1.3.1 戰(zhàn)略規(guī)劃

新能源產(chǎn)業(yè)技術綜合開發(fā)機構（NEDO）是日本最大的公立研發(fā)管理機構，是以解決能源、環(huán)境問題和發(fā)展產(chǎn)業(yè)技術為目標的國立研究開發(fā)法人，在經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省與大學、產(chǎn)業(yè)界、研究機構之間起到橋梁作用。2004年，NEDO發(fā)布《光伏發(fā)電路線圖》，提出了2010、2020和2030年光伏發(fā)電成本目標和光電效率目標［15］（表8）；2009年6月，發(fā)布路線圖修訂版，重申2020和2030年光伏發(fā)電成本目標，上調(diào)光電效率目標，新增2050年光伏發(fā)電成本目標和光電效率目標［16］；2014年9月，發(fā)布《光伏發(fā)電開發(fā)戰(zhàn)略》，再次重申2020和2030年光伏發(fā)電成本指標，并再次上調(diào)光電效率目標。作為日本最新的光伏發(fā)電技術開發(fā)指南，《光伏發(fā)電開發(fā)戰(zhàn)略》首次納入鈣鈦礦太陽能電池［17］。

1.3.2 項目部署

2015年，NEDO設立“高性能/高可靠性光伏發(fā)電成本降低技術”研發(fā)項目，2015—2017年累計投入137.67億日元，2018年預算46億日元。項目包括6個子課題，其中，子課題2“研發(fā)革新的新結構太陽能電池”設立了面向鈣鈦礦太陽能電池的“研發(fā)革新的低制造成本太陽能電池”專項。通過推動新結構和新材料的研發(fā)，該專項旨在驗證新概念制造設備、可靠性保障技術、發(fā)電原理，建立高度可靠的性能評估技術，進一步提高鈣鈦礦太陽能電池性能。參與機構包括松下公司、東芝公司、積水化學工業(yè)株式會社、愛信精機株式會社、富士公司、早稻田大學、東京大學等［18］。

表8 日本光伏發(fā)電目標Tab.8 Japan photovoltaic development goals

1.4 中國

1.4.1 戰(zhàn)略規(guī)劃

2016年3月，國家發(fā)改委與國家能源局聯(lián)合發(fā)布《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃（2016—2030年）》，提出“新型高效太陽能電池產(chǎn)業(yè)化關鍵技術”創(chuàng)新行動。行動要求“研發(fā)鐵電-半導體耦合電池、鈣鈦礦電池及鈣鈦礦/晶體硅疊層電池產(chǎn)業(yè)化的關鍵技術、工藝及設備，建立電池組件生產(chǎn)及應用示范線，建成產(chǎn)能≥2MWp的中試生產(chǎn)線，組件平均效率各為≥14%、≥15%、≥21%。探索新型高效太陽能電池技術，探索研發(fā)更高效、更低成本的鐵電-半導體耦合電池、鐵電-半導體耦合/晶體硅疊層電池、鈣鈦礦電池、染料敏化電池、有機電池、量子點電池、新型疊層電池、硒化銻電池、銅鋅錫硫電池和三五（III-V）族納米線電池等電池技術，實現(xiàn)至少一種電池達到世界最高效率”［19］。

2016年11月，國務院印發(fā)《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，提出加強鈣鈦礦等新型高效低成本太陽能電池技術研發(fā)，推動高效低成本太陽能利用新技術和新材料產(chǎn)業(yè)化［20］。

1.4.2 項目部署

2012年，國家自然科學基金委員會啟動“面向能源的光電轉換材料”重大研究計劃，并在2014年的資助指南中專門提出：擬在“鈣鈦礦型太陽電池”領域，圍繞“鈣鈦礦型太陽電池”的新材料、機理、效率、器件工藝及穩(wěn)定性等方面以培育項目與重點支持項目的形式予以資助并形成子項目群；2016—2017年，連續(xù)兩年將“面向光伏和發(fā)光應用的鈣鈦礦材料與器件”列為唯一重點資助研究方向；2018年，重點資助“印刷有機電子關鍵共性技術與核心材料體系”等五個方向［21］。此外，基金委還于2017年啟動“鈣鈦礦材料多功能原理及其耦合新效應”重大項目。

2015年，科技部“納米研究”重大科學研究計劃資助了“鈣鈦礦型太陽電池的基礎研究”項目，項目首席科學家為時任南京工業(yè)大學校長的黃維院士。

此外，地方政府也部署了一些項目。例如，2014年4月，北京市政府發(fā)布實施《北京技術創(chuàng)新行動計劃（2014—2017年）》，通過“面向未來的能源結構技術創(chuàng)新與輻射帶動”專項部署了鈣鈦礦太陽能電池研究［22］。

2 研究進展

美國國家可再生能源實驗室發(fā)布的《最佳研究單元效率表》和德國Wiley出版社Progress in Photovoltaics：Research and Applications雜志發(fā)布的《太陽能電池效率紀錄表》是光伏領域光電效率紀錄的兩大權威發(fā)布平臺。

根據(jù)2018年12月21日發(fā)布的《最佳研究單元效率表》，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率已達到23.7%，由中國科學院半導體研究所創(chuàng)造［23］。而上一個紀錄23.3%（2018年7月17日發(fā)布）同樣由半導體所創(chuàng)造。在這條快速上升、競爭激烈的鈣鈦礦太陽能電池紀錄曲線上，2018年首次出現(xiàn)中國研究機構的名字，并且連續(xù)兩次登上最高點。

而根據(jù)2018年12月25日發(fā)布的第53版《太陽能電池效率紀錄表》（表9），鈣鈦礦太陽能電池的認證紀錄為20.9%，來自韓國化學技術研究所。中科院半導體研究所創(chuàng)造的23.7%沒有被認證為紀錄，但以“顯著例外”（notable exception）的形式也記錄在列。鈣鈦礦/硅、鈣鈦礦/銅銦鎵硒串聯(lián)電池的光電轉換效率也分別達到27.3%和22.4%。在鈣鈦礦太陽能電池實用化方面，中國和日本分別取得了小模塊和大模塊光電效率紀錄。中國杭州纖納光電科技有限公司在19.277平方厘米小模塊上將穩(wěn)態(tài)光電轉換效率提升至17.25%。日本東芝公司利用彎月面涂布技術，制備出面積高達703和802平方厘米的全球最大鈣鈦礦太陽能電池，穩(wěn)態(tài)光電轉換效率分別達到了11.7%和11.6%［24］；下一步將開發(fā)更大尺寸（900平方厘米）薄膜制備工藝，同時改進鈣鈦礦材料，進一步提升光電效率和穩(wěn)定性，盡快實現(xiàn)鈣鈦礦太陽能電池實用化。

表9 太陽能電池效率紀錄表（第53版，鈣鈦礦太陽能電池部分）Tab.9 Solar cell efficiency tables（version 53，perovskite solar cells）

此外，鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性也取得重要突破。在光照1千瓦/平方米（過濾紫外光）、溫度55℃條件下，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院研發(fā)的電池模塊穩(wěn)定運行超過1萬小時，相當于在歐洲大多數(shù)地區(qū)戶外使用10年［25］。

3 總結與建議

綜合來看，美國、歐盟、日本和我國等國家或地區(qū)都重視鈣鈦礦太陽能電池這一新興技術，積極部署基礎研究，推動實用化和產(chǎn)業(yè)化。在基礎研究方面，各國研究項目大都圍繞新材料、機理、效率、穩(wěn)定性、環(huán)保等方面展開；在實用化和產(chǎn)業(yè)化方面，各國都積極發(fā)展卷對卷技術等大規(guī)模印刷制備工藝；在研發(fā)組織機制方面，各國都采取了產(chǎn)學研緊密合作的研發(fā)模式。

從產(chǎn)出成果來看，在鈣鈦礦太陽能電池基礎研究方面，我國已經(jīng)后來居上，接連創(chuàng)造了實驗室研究單元效率紀錄，實現(xiàn)了《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃（2016—2030年）》提出的“至少一種電池達到世界最高效率”目標。然而，在包括鈣鈦礦太陽能電池在內(nèi)的薄膜光伏電池印刷制備工藝技術方面，我國同領先國家還有較大的差距。美、日、歐等國家或地區(qū)已經(jīng)建立了較為成熟的大面積柔性薄膜光伏電池制備技術。我國在這方面的研究團隊相對較少，相關技術積累還有較大的不足。

必須指出的是，雖然鈣鈦礦太陽能電池研究如火如荼，但其距離實現(xiàn)實用化和產(chǎn)業(yè)化還有不少阻礙需要克服。第一，雖然研究單元效率超過23%，但實用模塊效率仍然較低；第二，至今仍是《最佳研究單元效率表》中唯一被標識為“不穩(wěn)定”的電池；第三，雖然鈣鈦礦材料成本低，但組成電池的其他材料（如空穴傳輸材料）價格昂貴；第四，鉛引發(fā)的環(huán)保問題；第五，大規(guī)模高質(zhì)量薄膜制備技術仍需探索。

基于以上分析，本文對鈣鈦礦太陽能電池以及鈣鈦礦材料發(fā)展提出三點建議。

1）理性看待鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)業(yè)化。雖然鈣鈦礦太陽能電池研究火熱、進展很快，但短期內(nèi)不會對傳統(tǒng)光伏格局帶來明顯沖擊。一方面，制約鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)業(yè)化的規(guī)?；a(chǎn)、成本、壽命、環(huán)保等因素還沒有徹底解決；另一方面，薄膜電池在整個光伏市場中占比很低，不足5%，同時已商業(yè)化的光伏電池也一直保持高度的研究活力。

2）積極發(fā)展大面積柔性薄膜光伏制備技術。該技術是有機及鈣鈦礦薄膜光伏電池印刷制備的關鍵共性技術，也是我國相對落后的技術環(huán)節(jié)，制約了我國將先進實驗室技術率先轉化為現(xiàn)實生產(chǎn)力。建議我國通過重大任務、重大專項，部署高校、科研院所、企業(yè)等相關研究力量發(fā)展該技術。

3）積極發(fā)展鈣鈦礦材料。具有電、磁、光等多功能耦合的鈣鈦礦新體系，在信息存儲與信息安全以及光能源轉換等方面有其獨特的優(yōu)勢，可望為信息、能源、催化等領域的發(fā)展帶來重大突破。目前，鈣鈦礦的應用研究仍顯單一，建議積極發(fā)展面向晶體管和集成電路、激光器、LED、光探測器、催化等應用的新型鈣鈦礦材料。