中国的屋顶太阳能电池板。串联电池可以提高拥挤城市地区的功率密度。图片来源：VCG/Getty

在德国哈维尔河畔勃兰登堡的郊区，坐落在汽车经销店和五金店之间，坐落着一座两层楼的工厂，里面塞满了太阳能的秘密。正是在这里，英国公司牛津光伏公司正在使用钙钛矿生产商业太阳能电池：廉价、丰富的光伏（PV）材料，一些人将其誉为绿色能源的未来。工厂周围环绕着蓬乱的草地和杂草丛生的停车场，是这种潜在变革性技术的摇篮，但该公司的首席技术官克里斯·凯斯（Chris Case）显然爱上了这个地方。“这是我梦想的顶峰，”他说。

该公司是十几家押注钙钛矿最终有望推动全球向可再生能源过渡的公司之一。一些基于钙钛矿的利基光伏产品已经上市，但今年的公告表明，将有更多产品加入其中。凯斯说，例如，最终用户应该在明年年中左右获得由牛津光伏电池制成的太阳能电池板。今年5月，总部位于首尔的大型硅光伏制造商韩华Qcells表示，计划投资1亿美元建设一条试验生产线，该生产线可能在2024年底前投入运营。

硅是95%的太阳能电池板内部的主力材料。Oxford PV、Qcells和其他公司并没有取代它，而是在硅上搭载钙钛矿，以创造所谓的串联电池。由于每种材料都从不同波长的太阳光中吸收能量，因此串联电池可能比单独的硅电池提供至少 20% 的功率;一些科学家预测会有更大的收益。

钙钛矿的支持者表示，这种额外的电力可以抵消串联电池的额外成本，特别是在拥挤的城市地区或空间非常宝贵的工业场所。“我们最大的初始需求来自公用事业公司，因为他们根本没有足够的可用土地，”凯斯说。

太阳能下一个明星材料背后的现实

随着钙钛矿-硅串联物越来越接近市场，人们的兴奋已经沸腾成头条新闻，预测一种“革命性的”“奇迹材料”将“改变世界”。现实情况是，该行业在改造太阳能市场的斗争中至少面临两大挑战。

首先，已发表的研究表明，当钙钛矿暴露在湿气、热甚至光下时，钙钛矿的性能下降速度比硅快得多。Oxford PV表示，它已经进行了私人研究，以克服这个问题。但是，“对于商业制造来说，我认为稳定性是仍然存在的关键挑战”，Qcells的晶圆和电池研发总监Fabian Fertig说，他领导了该公司钙钛矿-硅串联的开发。

其次，一些分析师认为钙钛矿——至少在短期内——在很大程度上与太阳能的增长无关。在过去十年中，硅组件变得非常便宜和高效，中国公司继续以惊人的速度扩大制造能力。2022 年，全球太阳能发电量约为 1.2 太瓦 （TW），这反过来又提供了全球约 5% 的发电量。能源战略家建议，到 2050 年，世界将需要 75 TW 才能实现气候目标。这要求到 2030 年中期，安装量每年超过 3 TW1，但预计硅光伏行业将实现这一目标，使其成为为数不多的走上正轨的绿色技术领域之一（参见“太阳能的扩张计划”）。

“我们拥有的技术绝对足以产生尽可能多的太阳能电力，”总部位于瑞士苏黎世的咨询公司BloombergNEF的太阳能分析师Jenny Chase说。

因此，钙钛矿即将面临最大的考验：与竞争激烈的光伏市场的残酷经济相遇。

破纪录

对钙钛矿的热情一直通过调整晶体和由它们制成的太阳能电池的成分来显着提高其性能来维持。（术语“钙钛矿”描述了天然矿物的晶体结构;太阳能电池中使用的钙钛矿是模仿这种结构的合成晶体，但可以由多种材料制成。

2009年，一种由一种称为甲基碘化铅铵的简单钙钛矿制成的电池仅将3.8%的太阳光能量转化为电能。现在，仅由钙钛矿材料制成的电池的效率记录为26.1%。这仅比冠军硅电池低几分之一个百分点（参见“钙钛矿效率提升”）。更重要的是，钙钛矿电池需要非常薄的光吸收层，并且所涉及的材料通常成本低且丰富。这导致倡导者认为，如果钙钛矿电池以硅电池的规模生产，它们将具有更低的能源和材料足迹。

资料来源：美国国家可再生能源实验室。

然而，这些创纪录的效率比较并不能反映商业现实。在实验室中制造的最好的钙钛矿电池通常比邮票还小——目前的领导者更接近芝麻的大小——而且它们可能只运行几天或几周，然后性能就会下降。它们通常是通过在称为旋涂的工艺中将材料溶液滴到旋转板上制成的，这对于大规模制造来说是不切实际的。“大多数关于非常高效率的报告都含有显然会导致不稳定的成分，”英国牛津大学的Henry Snaith说，他是牛津光伏的联合创始人兼首席科学官。制造大型电池并将其集成到太阳能电池板中的实用性进一步抑制了现实世界的效率。

已上市的非串联钙钛矿电池效率相对较低，寿命较短。总部位于华沙的Saule Technologies生产柔性钙钛矿电池，为小型电子价格标签供电或用作能量收集遮阳帘，在全阳光下提供10%的效率，使用寿命为“几年”。位于中国杭州的Microquanta已经交付了足够的钙钛矿太阳能电池板，为其客户（包括当地的一家养鱼场）提供5兆瓦（MW）的电力。它们的效率约为 13%，性能下降速度是硅模块的两倍。“此时此刻，我不得不承认，钙钛矿还不如硅稳定，”该公司联合创始人兼首席技术官BuYi Yan说。

商用硅电池通常比一张A5纸大，这些电池被组装成2米长的模块，即大型面板和阵列的构建块，其效率约为22-24%。这些模块通常提供保修，保证 25 年后至少保持其原始性能的 80%，即每年效率损失不到 1%。

构成这些产品的大多数电池和几乎所有硅片都是在中国制造的，自2009年钙钛矿首次亮相以来，规模经济和技术进步已将太阳能电池板的成本降低了约90%（参见“太阳能非常便宜”）。事实上，现在安装硅电池板并将其连接到电网的成本比最初制造它的成本更高2.蔡斯说，硅太阳能电池阵列在生命周期内的典型发电成本现在低至每千瓦时0.03-0.06美元，使其成为大多数阳光明媚的国家最便宜的电力来源。

Chase说，与这个硅的成功故事相比，钙钛矿产品几乎不可能颠覆太阳能市场。“没有人想要一个不能持续25年的太阳能组件。他们只是不值得。

串联技术

但钙钛矿的支持者表示，串联电池在其他方面优于硅。硅电池的性能接近峰值：理论预测，硅电池的效率不会超过29%，实际组件的最高效率可能在24-27%左右3.“我们正在达到合理使用硅的极限，”剑桥麻省理工学院（MIT）的光伏研究员Tonio Buonassisi说。然而，添加钙钛矿电池可产生大约45%的理论最大效率。“它有可能从面板中获得25-50%的功率。我认为这是一个令人兴奋的愿景，“科罗拉多大学博尔德分校的钙钛矿研究员Michael McGehee说。

在典型的串联器件中，钙钛矿电池位于硅电池上方;每个电池由多层组成，这些层都在将光转化为电的过程中发挥作用（参见“串联太阳能电池的解剖结构”）。阳光首先照射到钙钛矿上，并从材料中释放出电子，留下带正电的“空穴”。电子进入相邻的电荷收集层，然后进入电极;孔向相反方向迁移。类似的过程也发生在硅电池中，硅电池更能吸收钙钛矿电池错过的低能量光子。对钙钛矿电池的化学和纳米级工程进行研究，提高了性能，并迅速转化为更好的串联电池。11月初，总部位于西安的中国太阳能巨头隆基宣布，它已经制造出一种1平方厘米的串联电池，其独立验证的创纪录效率为33.9%。

来源：改编自参考文献 2

制造商尚未证明这种商业规模叠层电池的效率，但今年5月，Oxford PV宣布将性能最高的钙钛矿-硅叠层电池下线，效率为28.6%。尽管该器件比典型的硅电池略小，但该公司的勃兰登堡工厂现在正在生产更大的串联电池，这些电池正在组装成全尺寸模块，效率约为24%，这一数字还在继续上升。

节俭的方法

Oxford PV的制造过程从硅片开始，硅片主要从中国进口。晶圆通过一系列类似于连体冰箱的腔室。在内部，离子云在称为物理气相沉积的过程中形成细胞层。它比基于溶液的方法慢，但可以生产出极高质量的薄膜。类似的过程会产生钙钛矿电池。

该公司于2016年从德国制造商博世手中收购了勃兰登堡工厂，并配备了太阳能电池生产设备。“最初，几乎所有我们在拍卖会上得到或使用过的东西，”凯斯显然很高兴地说。他节俭的太阳能创新方法可以追溯到 1980 年代——作为一个热情的 20 多岁的人，他购买了成堆打折的光伏电池，为他自己的“太阳能屋”建造组件。这种自己动手的方法在工厂中大放异彩：例如，凯斯制作了专门加工的框架，以便牛津光伏的电池与博世的传统设备兼容。

完成的串联设备将交付给牛津光伏的客户：主要是欧洲太阳能电池板制造商，他们将电池组装成更大的组件。目前，这些制造商仍在对模块进行自己的测试。可能要到2024年底才能为最终用户安装任何设备，包括一家大型建筑公司和一家已经订购组件的能源公司。

在牛津光伏勃兰登堡工厂生产的串联钙钛矿硅太阳能电池。图片来源：Oxford PV

该工厂全速工作，每年可生产多达50兆瓦的电池，其中约500万个。但与中国每年生产千兆瓦（GW）电池的大型硅太阳能发电厂相比，这简直是小巫见大巫。由于其小规模运营，Oxford PV的串联电池的制造成本是硅电池的两倍。

但是，如果牛津光伏也能实现千兆瓦级的生产，那么价格差异将大幅下降，凯斯说，这将使串联电池的发电成本低于硅组件的发电成本。

稳定性挑战

从位于塔尔海姆的勃兰登堡工厂向南行驶约90分钟，牛津光伏的竞争对手之一正在测试自己的原型串联。在欧洲补贴开始枯竭，亚洲公司逐渐主导太阳能市场之前，塔尔海姆及其周边地区是光伏制造业的中心地带，也被称为太阳能谷。在这里，Qcells拥有庞大的光伏研发设施。Qcells没有蓬头垢面的草坪，取而代之的是小型机器人割草机在地面上蹒跚而行，在返回太阳能车库之前，将草坪修剪整齐。

在工厂的一栋大型建筑内，Qcells进行了“加速老化”测试，以检查其硅模块是否坚固——包括将组件密封在潮湿的桑拿式环境中约四个月，将它们暴露在明亮的模拟阳光下，并用人造冰雹轰击它们。（尽管这些测试是行业标准，但Qcells以使用特别极端的条件而自豪。它对串联电池进行了类似的测试，结果有助于预测功率输出将如何随着实际使用年限的下降而下降。

太空中的太阳能电池板能否为地球提供清洁能源？

稳定性测试的细节可以决定钙钛矿串联的成败。钙钛矿效率记录占据了头条新闻，但直到最近几年，研究人员才开始在寿命方面取得重大进展。“稳定性才是瓶颈，”堪培拉澳大利亚国立大学钙钛矿研究员沈和平说。

尽管钙钛矿有一种令人讨厌的习惯，即在与空气或水接触时会分解，但这可以通过将串联电池封装在不透水涂层中来防止，这是太阳能行业的常见策略。但是，与硅不同的是，钙钛矿还具有封装无法解决的内在降解机制。例如，钙钛矿的一些离子可以在操作过程中四处移动，或者逃逸到相邻层中。这可能会产生缺陷，使电子和空穴在转化为电能之前重新组合，从而浪费产生它们的能量。光和热往往会加剧这些降解机制。

为了将钙钛矿的离子保持在正确的位置，研究人员微调了它们的组成，并在细胞中添加了纳米厚的保护层。证明这些措施是有效的，是欧盟耗资 1900 万欧元（2070 万美元）的 PEPPERONI 项目的一项关键任务，该项目于 2022 年 11 月启动，包括 Qcells。这个为期四年的项目旨在开发效率为26%的串联模块，这些模块可以可靠运行30年以上，适合大规模生产。Fertig说，如果这些产品能够大规模生产，它们应该能够以每千瓦时0.025欧元的典型成本发电，与硅光伏发电竞争。

“材料、成分、工艺，一切都在朝着技术在不久的将来可以扩展到非常大规模的方向发展，”柏林工业大学钙钛矿研究员史蒂夫·阿尔布雷希特说。他还领导着柏林亥姆霍兹材料与能源中心的一个团队，该团队参与了意大利辣香肠。

尽管加速老化测试提供了有希望的结果，但串联模块最真实的测试是简单地将其安装在室外并监测其性能多年。到目前为止，只有少数户外研究的结果已经发表，其中大多数来自学术团体，而不是将双人篮球商业化的公司。“那里根本没有很多数据，”沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的光伏研究员Stefaan De Wolf说，他的团队在2月份报告了在该国炎热潮湿的条件下串联电池的快速退化4.

Qcells太阳能组件在该公司位于德国塔尔海姆的测试中心接受加速测试检查。图片来源：Hanwha Qcells GmbH

Qcells没有透露有关其户外测试的细节，尽管它已经在塔尔海姆工厂进行了一些测试。至于Oxford PV，Case表示，该公司已经进行了加速老化测试和几年的户外测试。他说，这些测试（其结果未发表）表明，最好的串联电池在运行的第一年仅损失约1%的效率，此后下降速度较小。目前，他告诉客户，串联器件应该具有与传统硅模块相似的使用寿命。

尽管人们担心钙钛矿中存在有毒铅，但越来越多的研究表明，它在封装良好的面板中几乎不会构成威胁5.其他人指出，标准硅电池板的焊接触点中的铅含量是整个钙钛矿电池板的十倍。尽管如此，大多数公司仍计划回收计划，以管理和回收已达到使用寿命的面板。

A lot of ifs

Chase agrees that if the perovskite companies’ hopes are realized, the greater power density offered by tandems could prove popular among consumers. “If you could do that; and it was stable; and it didn’t cost too much in terms of manufacturing equipment or processes; then that would be quite exciting, because you’d probably get a lower-cost, higher-value module. But there’s a lot of ifs in that.”

钙钛矿制造商相信他们可以将这些“如果”变成现实。他们补充说，房主迫切希望从屋顶面板中榨取更多电力，并且可能会为能够为热泵、电动汽车和其他设备提供电的串联设备支付溢价。“屋顶区域现在往往太小了，无法满足家庭的需求。因此，每平方米能够输出更多的瓦特是一个很大的优势，“加利福尼亚州帕萨迪纳的Caelux总裁兼创始人John Iannelli说，该公司正在开发串联设备。

寻找钙钛矿的耐久性

一些研究人员和公司认为，钙钛矿可能不需要与硅的 25 年保修相匹配。钙钛矿的改进速度如此之快，以至于如果组件的性能在其使用寿命的前 15 年内下降，可以简单地用更好的单元替换它6.这种重新供电的策略在较旧的硅太阳能发电场中越来越普遍，在这种策略中，更高效技术的经济效益超过了拆除和更换老化模块的成本。

政治因素也推动了对钙钛矿的投资。在欧洲，更多的可再生能源意味着减少对俄罗斯天然气供应的依赖，美国正试图减少对中国光伏供应链的依赖，这得益于 2022 年《通胀削减法案》的支出和税收减免。一些公司认为，实现这一目标的最佳方法是完全避免使用硅。一些公司正在开发全钙钛矿串联物，其中包含两种钙钛矿材料，经过调整以吸收光谱的不同部分。“这意味着您的供应链被大大简化，”加利福尼亚州圣卡洛斯的Swift Solar的联合创始人Tomas Leijtens说，该公司正在研究这些无硅串联。

Swift Solar也是美国学术界与工业界合作的一部分，该合作伙伴关系名为“使用超稳定钙钛矿的高效和先进组件串联”（TEAMUP），该合作伙伴关系在4月份获得了美国能源部（DOE）的900万美元资金。在McGehee的领导下，其主要目标是开发效率超过28%且每年性能下降小于1%的钙钛矿-硅串联面板。在美国从事钙钛矿电池的大多数公司要么参与了这种合作关系，要么参与了另一个项目——该项目今年也获得了美国能源部的资助。该项目由麻省理工学院的Buonassisi领导，名为“持久、可重复和高效钙钛矿串联的加速协同设计”（ADDEPT）。

尽管如此，许多中国公司也在研究钙钛矿-硅串联，如果这些设备成功，这些公司可能会进入市场。Shen说，例如，隆基有100多人从事钙钛矿的研发工作。

“我认为在太阳能制造业方面与中国作对是非常不明智的，”蔡斯说。她补充说，最重要的是，太阳能电池板的效率不再是全球太阳能推广的制约因素。相反，瓶颈是缺乏太阳能电网基础设施，以及电池储存多余电力的高成本。她认为，在未来十年左右的时间里，钙钛矿串联是否成功并不重要——除了相关公司。“我祝他们好运，但无论有没有钙钛矿，太阳能都会是巨大的，”她说。

然而，Snaith不同意硅技术的进步缩小了含有钙钛矿的电池的市场空间。他说，硅光伏的任何改进也有利于串联，使它们比以往任何时候都更具吸引力。“我们实际上是在硅上构建。如果硅变得更好，我们就会变得更好。