太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)-第6章

太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)第6章薄膜太陽電池于化叢第6章薄膜太陽電池6.1概述6.2非晶硅太陽電池6.3碲化鎘（CdTe）太陽電池6.4銅銦鎵硒（CIGS）太陽電池6.5鈣鈦礦太陽電池（PerovskiteSolarCells）6.6染料敏化太陽電池（DyeSensitizedSolarCell，DSC）6.7有機(jī)半導(dǎo)體太陽電池6.8薄膜太陽電池市場及發(fā)展前景主要內(nèi)容·6.1概述6.1.1薄膜太陽電池的特點(diǎn)與晶體硅太陽電池相比，薄膜太陽電池具有一系列突出的優(yōu)點(diǎn)。（1）生產(chǎn)成本低（2）材料用量少（3）制造工藝簡單，可連續(xù)、大面積、自動(dòng)化批量生產(chǎn)（4）制造過程消耗電力少（5）高溫性能好（6）弱光響應(yīng)好（7）適合與光伏建筑一體化、移動(dòng)能源等結(jié)合·6.1概述6.1.1薄膜太陽電池的缺點(diǎn)與晶體硅太陽電池相比，薄膜太陽電池主要有以下缺點(diǎn)。（1）轉(zhuǎn)換效率偏低，相同功率所需要光伏組件的面積增加。已規(guī)?；a(chǎn)的非晶硅、CIGS及碲化鎘光伏組件的轉(zhuǎn)換效率大約只有晶體硅光伏組件的一半左右，與晶體硅太陽電池相比，要占較大面積，這在安裝空間有限的情況下，將會(huì)受到限制。（2）穩(wěn)定性差，對于非晶硅、鈣鈦礦等太陽電池，由于有光致衰減特性，其轉(zhuǎn)換效率在強(qiáng)光作用下有逐漸衰退的現(xiàn)象，這在一定程度上影響了這種低成本電池的應(yīng)用?！?.1概述6.1.2薄膜太陽電池的分類按照所使用的光電材料分類，薄膜太陽電池通?？煞譃椋海?）硅基薄膜太陽電池（包括非晶硅電池、納米硅電池和多晶硅薄膜電池）（2）碲化鎘（CdTe）太陽電池（3）銅銦鎵硒（CIGS）太陽電池（4）砷化鎵（GaAs）薄膜太陽電池（5）鈣鈦礦太陽電池（PerovskiteSolarCells）（6）染料敏化太陽電池（DSSC）（7）有機(jī)薄膜太陽電池（OPV）·6.2非晶硅太陽電池6.2.1非晶硅太陽電池發(fā)展簡史非晶硅太陽電池是最早開始開發(fā)的薄膜太陽電池。20世紀(jì)70年代，非晶硅薄膜最初由R.C.Chitteck等通過PECVD法沉積獲得；1976年，RCA實(shí)驗(yàn)室的Cave與ChrisWronski制作了轉(zhuǎn)換效率為2.4%的第一塊非晶硅太陽電池。在第二次能源危機(jī)的背景下，發(fā)達(dá)國家加大了光伏研發(fā)力度。1979年，Usui和Kikuchi報(bào)道，在原有的非晶硅薄膜制備技術(shù)基礎(chǔ)上，通過增加氫稀釋度，獲得氫化納米硅薄膜（nc-Si:H）；1980年日本三洋電器公司利用非晶硅太陽電池制成袖珍計(jì)算器。1988年與建筑材料相結(jié)合的非晶硅太陽電池投入應(yīng)用；20世紀(jì)90年代開始，為解決轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性問題，疊層非晶硅太陽電池得到了發(fā)展，1m2以下的、轉(zhuǎn)換效率為6%左右的非晶硅太陽電池組件成為主流?！?.2非晶硅太陽電池6.2.2非晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)按照結(jié)構(gòu)分類，非晶硅太陽電池通?？煞譃椋?單結(jié)非晶硅太陽電池2非晶硅疊層太陽電池（1）非晶硅/非晶硅雙結(jié)疊層太陽電池（2）非晶硅/非晶硅鍺雙結(jié)疊層太陽電池（3）非晶硅/納米硅雙結(jié)疊層太陽電池（4）非晶硅/非晶硅鍺/非晶硅鍺三疊層太陽電池（5）非晶硅/非晶硅鍺/納米硅三疊層太陽電池（6）非晶硅/納米硅/納米硅三疊層太陽電池6.2非晶硅太陽電池6.2.2非晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)常用太陽電池材料的光吸收系數(shù)氫化非晶硅材料光吸收系數(shù)大，具有較高的光敏性，其吸收峰分布與太陽光譜峰分布相近。光學(xué)帶隙在1.7eV左右，主要吸收可見光波段的太陽光，對長波段的光不敏感，限制了轉(zhuǎn)換效率的提高。氫化非晶硅材料在光照后產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)，光電導(dǎo)和暗電導(dǎo)會(huì)明顯下降，即存在光致衰退效應(yīng)（Steabler-Wronski效應(yīng)，簡稱S-W效應(yīng)），從而導(dǎo)致非晶硅太陽電池在光照下轉(zhuǎn)換效率會(huì)降低，穩(wěn)定性較差。非晶硅材料的特點(diǎn)6.2非晶硅太陽電池6.2.2非晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)p-i-n型和n-i-p型非晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖單結(jié)非晶硅太陽電池分為n-i-p型和p-i-n型兩種類型，由入射光入射順序決定，如果入射光從n層到i層再到p層，即為n-i-p型，反之則為p-i-n型。p-i-n型非晶硅太陽電池通常沉積在透明性較好的玻璃或耐高溫塑料襯底上；而n-i-p型非晶硅太陽電池通常沉積在不透明或透光性較差的塑料或不銹鋼襯底上。p-i-n型和n-i-p型非晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)6.2非晶硅太陽電池6.2.2非晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)p-i-n型非晶硅太陽電池能帶圖能帶內(nèi)部的斜線表征帶尾態(tài)。由于帶尾態(tài)的存在，非晶硅電池會(huì)產(chǎn)生一些無效光生載流子。因?yàn)閜層收集空穴，而空穴的遷移率較低，以p層作為迎光層，縮短了光生空穴向p層傳輸?shù)木嚯x。在非晶硅太陽電池中，一般使用p層作為電池的窗口層，即太陽光的入射層。p-i-n型非晶硅太陽電池能帶圖6.2非晶硅太陽電池6.2.2非晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)非晶硅/非晶硅雙結(jié)疊層太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖與量子轉(zhuǎn)換效率（QE）曲線圖這種結(jié)構(gòu)在制備過程中，通過調(diào)節(jié)頂電池與底電池中本征層的沉積參數(shù)（主要為溫度與氫稀釋度），使禁帶寬度有所不同。非晶硅/非晶硅雙結(jié)疊層太陽電池6.2非晶硅太陽電池6.2.2非晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)非晶硅/非晶硅雙結(jié)疊層太陽電池能帶圖由于非晶硅的禁帶寬度調(diào)整范圍較小，為了使底電池有足夠的電流，底電池的本征層要比頂電池厚得多，頂電池與底電池的本征層厚度分別為100nm與300nm左右，帶隙分別為1.8eV、1.7eV左右。非晶硅/非晶硅雙結(jié)疊層太陽電池能帶圖6.2非晶硅太陽電池6.2.2非晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)非晶硅/非晶硅鍺雙結(jié)疊層太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖為了提高底電池的長波響應(yīng)，非晶硅鍺合金是理想的本征材料，鍺的摻入可降低非晶硅薄膜的帶隙，通過調(diào)節(jié)等離子體中硅烷與鍺烷的比例來調(diào)節(jié)材料的禁帶寬度。對于非晶硅鍺雙結(jié)疊層結(jié)構(gòu)的底電池，其最佳鍺硅比為15%～20%，相應(yīng)的禁帶寬度為1.6eV左右。非晶硅/非晶硅鍺雙結(jié)疊層太陽電池6.2非晶硅太陽電池6.2.2非晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)非晶硅/納米硅雙結(jié)疊層太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖與QE曲線非晶硅/納米硅雙結(jié)疊層太陽電池是高效硅薄膜電池的主要結(jié)構(gòu)類型。納米硅太陽電池的電流相對非晶硅太陽電池高很多。納米電池帶隙接近1.1eV，長波響應(yīng)與穩(wěn)定性方面比非晶硅鍺都要好。非晶硅/納米硅雙結(jié)疊層太陽電池6.2非晶硅太陽電池6.2.2非晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)加入中間反射層電池結(jié)構(gòu)及不同折射率反射層電池的性能差別在制備非晶硅/納米硅雙結(jié)疊層太陽電池時(shí)，為了使非晶硅太陽電池不至過厚，通常在兩結(jié)電池中間加入一層ZnO中間增反層，以增強(qiáng)電流匹配。非晶硅/納米硅雙結(jié)疊層太陽電池6.2非晶硅太陽電池6.2.2非晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)非晶硅/非晶硅鍺/非晶硅鍺三疊層太陽電池結(jié)構(gòu)及能帶示意圖該電池通過三層結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步有效利用太陽光，其光譜響應(yīng)覆蓋300～950nm的光譜區(qū)，填充因子也比單結(jié)電池的高。對于三疊層太陽電池，一般將頂電池的電流設(shè)計(jì)為三個(gè)電池中最小的，由此來限制三結(jié)電池的短路電流，提高三結(jié)電池的填充因子，三疊層結(jié)構(gòu)可有效提高電池的轉(zhuǎn)換效率及穩(wěn)定性，非晶硅/非晶硅鍺/非晶硅鍺三疊層太陽電池6.2非晶硅太陽電池6.2.2非晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)非晶硅/非晶硅鍺/納米硅三疊層太陽電池I-V曲線及QE曲線此結(jié)構(gòu)電池的光譜響應(yīng)可延伸到1100nm，可獲得最高轉(zhuǎn)換效率。通過在非晶硅鍺與納米硅兩結(jié)電池之間采用一層“雙重作用”的n層組成p-n隧穿結(jié)，還作為光反射層，以增加中間非晶硅鍺電池的光吸收，改善了電池的電流匹配。相對硅鍺三疊層，此結(jié)構(gòu)短路電流與填充因子比較高，并且可以提高電池的穩(wěn)定性。非晶硅/非晶硅鍺/納米硅三疊層太陽電池6.2非晶硅太陽電池6.2.3非晶硅太陽電池的制造非晶硅雙結(jié)疊層太陽電池工藝流程圖非晶硅雙結(jié)疊層太陽電池主要工藝流程由15個(gè)工序組成。電池部分主要工序按順序?yàn)椋篠nO2透明導(dǎo)電膜的制作、激光刻劃、非晶硅層沉積、激光刻劃、背電極制作、激光刻劃和電性能測試；組件部分主要工序按順序?yàn)椋簾崂匣㈦娦阅軠y試、封裝、成品測試。非晶硅雙結(jié)疊層太陽電池工藝流程·6.2非晶硅太陽電池6.2.4非晶硅太陽電池的產(chǎn)業(yè)化情況近年來，以非晶硅為代表的硅基薄膜太陽電池技術(shù)進(jìn)展緩慢，轉(zhuǎn)換效率維持在10%左右，與晶體硅光伏產(chǎn)品相比競爭力較弱，只能錯(cuò)位競爭。專攻薄膜技術(shù)的漢能薄膜發(fā)電集團(tuán)，2016年采用改進(jìn)鉑陽（即原來的CHRONA或EPV）PECVD技術(shù)，100MW非晶硅/非晶硅鍺太陽電池生產(chǎn)線生產(chǎn)規(guī)格為1245mm×635mm，標(biāo)稱功率為60～65W的非晶硅太陽電池組件；日本東京電子（原歐瑞康Oerlikon）應(yīng)用PECVD技術(shù)，生產(chǎn)了近百兆瓦的非晶硅/非晶硅鍺/非晶硅鍺三結(jié)疊層電池組件和非晶硅/納米硅雙層玻璃封裝的組件，規(guī)格為1300mm×1100mm，標(biāo)稱功率為110～130W?！?.3碲化鎘（CdTe）太陽電池6.3.1CdTe太陽電池1963年，Cusano宣布制成了第一個(gè)異質(zhì)結(jié)CdTe太陽電池，結(jié)構(gòu)為n-CdTe/p-Cu2-xTe，轉(zhuǎn)換效率為7%，但此種結(jié)構(gòu)pn結(jié)匹配較差。1969年，Adirovich首先在透明導(dǎo)電玻璃上沉積CdS、CdTe薄膜，發(fā)展了現(xiàn)在普遍使用的CdTe太陽電池結(jié)構(gòu)。2015年Firstsolar公司制備了轉(zhuǎn)換效率為22.1%的CdTe太陽電池。2021年9月Firstsolar公司宣布創(chuàng)造了新的紀(jì)錄，制備了經(jīng)NREL檢測面積為23582cm2、開路電壓為220V、轉(zhuǎn)換效率為19.5%的CdTe太陽電池組件。在美國Firstsolar公司推動(dòng)下，近年來已經(jīng)成為發(fā)展最快的薄膜電池，目前在薄膜電池中產(chǎn)量最多。·6.3碲化鎘（CdTe）太陽電池6.3.1CdTe材料與電池特點(diǎn)從CdTe的物理性質(zhì)來看，這種太陽電池的主要特點(diǎn)可以歸納如下：①CdTe是一種II-VI族化合物半導(dǎo)體，為直接帶隙材料，可見光區(qū)光吸收系數(shù)在104cm?1以上，只需要1m就可以吸收99%以上（波長<826nm）的可見光，厚度只要單晶硅的1/100。②CdTe最重要的物理性質(zhì)是其帶隙寬度為1.5eV，由理想太陽電池的轉(zhuǎn)換效率與能帶寬度關(guān)系表明，CdTe與地面太陽光譜匹配得非常好。③CdTe材料是一種二元化合物，Cd-Te化學(xué)鍵的鍵能高達(dá)5.7eV，而且Cd元素在自然界中自然形態(tài)穩(wěn)定，在常溫下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，熔點(diǎn)為321℃，而電池組件使用時(shí)一般不會(huì)超過100℃，因此在正常使用中CdTe不會(huì)分解擴(kuò)散，加上CdTe不溶于水，在使用過程中穩(wěn)定安全?！?.3碲化鎘（CdTe）太陽電池6.3.1CdTe材料與電池特點(diǎn)④Cd1-xTex合金的相位簡單，溫度低于320℃時(shí)，單質(zhì)鎘（Cd）與碲（Te）相遇后所允許存在的化學(xué)形態(tài)只有固態(tài)CdTe（Cd∶Te=1∶1）和多余的單質(zhì)，不會(huì)有其他比例的合金形態(tài)存在。所以生產(chǎn)工藝窗口寬，制備出來的半導(dǎo)體薄膜物理性質(zhì)對制備過程的環(huán)境和歷史不敏感，產(chǎn)品的均勻性和良品率高，非常適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。⑤在真空環(huán)境中當(dāng)溫度高于400℃時(shí)，CdTe固體會(huì)出現(xiàn)升華，直接通過固體表面形成蒸汽。但是當(dāng)溫度低于400℃或者環(huán)境氣壓升高時(shí)，升華迅速減小，這一特性，除了有利于真空快速薄膜制備，如近空間升華（CSS）、氣相輸運(yùn)（VTD）外，還保證了CdTe在生產(chǎn)過程中的安全性。·6.3碲化鎘（CdTe）太陽電池6.3.1CdTe材料與電池特點(diǎn)⑥CdTe太陽電池溫度系數(shù)小、弱光發(fā)電性能好。由于半導(dǎo)體能隙等隨溫度的變化會(huì)引起太陽電池轉(zhuǎn)換效率的降低，因此同樣標(biāo)定功率的CdTe太陽電池與晶硅太陽電池相比，在相同光照環(huán)境下，平均全年可多發(fā)5%～10%不等的電能。CdTe太陽電池采用的窗口層CdS及吸收層CdTe與電極間的能帶匹配是影響其轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性的重要因素。盡管轉(zhuǎn)換效率不及晶體硅太陽電池，但是要比非晶硅太陽電池高，性能也比較穩(wěn)定，碲化鎘太陽電池價(jià)格低廉?！?.3碲化鎘（CdTe）太陽電池6.3.2CdTe太陽電池的結(jié)構(gòu)CdTe太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖一般采用n-CdS/p-CdTe異質(zhì)結(jié)構(gòu)，n-CdS與p-CdTe異質(zhì)結(jié)晶格失配及能帶失配較小，可獲得性能較好的太陽電池。產(chǎn)業(yè)上主要使用SnO2導(dǎo)電玻璃，ZTO（ZnSnOx）為CTO/CdS緩沖層。CdS的常用制備方法有化學(xué)水?。–BD）、濺射、高真空氣相沉積（HVE）等，CdS的厚度應(yīng)控制在100nm左右，CdS層表面進(jìn)行CdCl2或真空熱處理可使CdS再結(jié)晶，改善其與CdTe的接觸，減小晶格失配。6.3碲化鎘（CdTe）太陽電池6.3.3CdTe太陽電池的制造CdTe太陽電池的工藝流程圖CdTe太陽電池一般制備在玻璃襯底上，工藝流程主要為制備TCO、沉積TCO緩沖層、制備CdS、制備CdTe、制備金屬緩沖層及金屬電極等，此外，還有激光劃線、層壓等工序。制備過程中，除CdS與CdTe的制備需特定設(shè)備完成，其他制備環(huán)節(jié)的設(shè)備均可與硅薄膜的設(shè)備通用。CdTe太陽電池的工藝流程6.3碲化鎘（CdTe）太陽電池6.3.3CdTe太陽電池的制造CdTe太陽電池的工藝流程圖CdTe太陽電池一般制備在玻璃襯底上，工藝流程如圖，主要為制備TCO、沉積TCO緩沖層、制備CdS、制備CdTe、制備金屬緩沖層及金屬電極等，此外，還有激光劃線、層壓等工序。制備過程中，除CdS與CdTe的制備需特定設(shè)備完成，其他制備環(huán)節(jié)的設(shè)備均可與硅薄膜的設(shè)備通用。CdTe太陽電池的工藝流程6.3碲化鎘（CdTe）太陽電池6.3.3CdTe太陽電池的制造常用的CdTe薄膜制備工藝示意圖對于n-CdS/p-CdTe薄膜，常用的制備方法有近空間升華（CSS）法、氣相輸運(yùn)沉積（VTD）法、濺射、高真空蒸發(fā)（HVE）、電沉積等，已被證明具有商業(yè)化生產(chǎn)CdTe薄膜的方法有CSS、VTD和磁控濺射常用的CdTe薄膜制備工藝。常用的CdTe薄膜制備工藝6.3碲化鎘（CdTe）太陽電池6.3.3CdTe太陽電池的制造CdTe太陽電池及組件的最新轉(zhuǎn)換效率紀(jì)錄6.3碲化鎘（CdTe）太陽電池6.3.4CdTe太陽電池產(chǎn)業(yè)化情況全球主要CdTe組件（含BIPV）技術(shù)參數(shù)·6.4銅銦鎵硒（CIGS）太陽電池6.4.1CIGS太陽電池的特點(diǎn)①CIGS是一種直接帶隙的半導(dǎo)體材料，最適合薄膜化。它的光吸收系數(shù)極高，薄膜的厚度可以降低到2m左右，這樣可以大大降低原材料的消耗。同時(shí)，由于這類太陽電池中所涉及的薄膜材料的制備方法主要為濺射法和化學(xué)浴法，這些方法均可獲得均勻大面積的薄膜，又為電池的低成本奠定了基礎(chǔ)。②在CuInSe2中加入Ga，可以使半導(dǎo)體的禁帶寬度在1.04～1.67eV間變化，非常適合于調(diào)整和優(yōu)化禁帶寬度。如在膜厚方向調(diào)整Ga的含量，形成梯度帶隙半導(dǎo)體，會(huì)產(chǎn)生背表面場效應(yīng)，可獲得更多的電流輸出，使p-n結(jié)附近的帶隙提高，形成V字形帶隙分布。能進(jìn)行這種帶隙裁剪是CIGS系太陽電池相對于Si系和CdTe系太陽電池的最大的優(yōu)勢?！?.4銅銦鎵硒（CIGS）太陽電池6.4.1CIGS太陽電池的特點(diǎn)③CIGS可以在玻璃基板上形成缺陷很少、晶粒巨大的高品質(zhì)結(jié)晶，而這種晶粒尺寸是其他的多晶薄膜無法達(dá)到的。④CIGS是已知的半導(dǎo)體材料中光吸收系數(shù)最高的，光吸收系數(shù)可達(dá)105cm?1。⑤CIGS是沒有光致衰退效應(yīng)（SWE）的半導(dǎo)體材料，光照甚至?xí)岣咂滢D(zhuǎn)換效率，因此此類太陽電池的工作壽命長，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明比單晶硅電池的壽命長。⑥CIGS的Na效應(yīng)。對于Si系半導(dǎo)體，Na等堿金屬元素是要極力避免的，而在CIGS系半導(dǎo)體中，微量的Na會(huì)提高轉(zhuǎn)換效率和成品率。因此使用鈉鈣玻璃作為CIGS的基板，除成本低，膨脹系數(shù)相近外，還有Na摻雜的考慮。6.4銅銦鎵硒（CIGS）太陽電池6.4.2CIGS太陽電池的結(jié)構(gòu)CIGS太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖CIGS太陽電池性能的提升大部分得益于電池結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，圖(a)、（b）、（c）分別顯示了早期、中期（1985年）和當(dāng)前的CIGS太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖。吸收層是太陽電池的關(guān)鍵部分，Ga的摻入增加了吸收層的帶隙寬度，提高了開路電壓，同時(shí)通過控制其摻雜量的變化可形成梯度帶隙，進(jìn)而優(yōu)化與其他膜層的帶隙匹配，有利于光生載流子的順利傳輸。6.4銅銦鎵硒（CIGS）太陽電池6.4.3CIGS太陽電池的制造CIGS太陽電池制備的工藝流程圖CIGS太陽電池一般制備在玻璃等剛性襯底或不銹鋼等柔性襯底上，通常制備的工藝流程如圖所示。很多工序與其他電池類似。6.4銅銦鎵硒（CIGS）太陽電池6.4.3CIGS太陽電池的制造制備CIGS薄膜的主要方法CIGS太陽電池的制備制備CIGS薄膜的方法有多種，大體分為真空沉積和非真空沉積兩大類，如表所示。從目前的實(shí)驗(yàn)研究和產(chǎn)業(yè)化狀況來看，主要是采用多元共蒸法和濺射加后硒化法。6.4銅銦鎵硒（CIGS）太陽電池6.4.3CIGS太陽電池的制造用多元共蒸法制備CIGS薄膜的示意圖多元共蒸法多元共蒸法是采用成膜時(shí)需要的多種元素作為蒸發(fā)源，通過加熱蒸發(fā)源，使元素蒸發(fā)到襯底上，Cu、In、Ga和Se蒸發(fā)源，提供成膜時(shí)的四種元素。圖中所示為用多元共蒸法制備CIGS薄膜的示意圖。原子吸收譜（AAS）和電子碰撞散射譜（EEIS）等用來實(shí)時(shí)監(jiān)測薄膜成分及蒸發(fā)源的蒸發(fā)速率等參數(shù)，對薄膜生長進(jìn)行精確控制。6.4銅銦鎵硒（CIGS）太陽電池6.4.3CIGS太陽電池的制造多元共蒸法制備CIGS工藝過程多元共蒸法多元共蒸法工藝可以分為一步法、兩步法和三步法。一步法就是在沉積過程中，保持四種蒸發(fā)源的蒸發(fā)速率和襯底溫度不變，如圖（a）所示。這種工藝控制相對簡單，適合商業(yè)化生產(chǎn)。兩步法工藝又稱Boeing雙層工藝，襯底溫度和蒸發(fā)速率曲線如圖（b）所示。三步法工藝過程如（c）所示，該工藝所制備的薄膜表面光滑、晶粒緊湊、尺寸大且存在著Ga的雙梯度帶隙，最終使得CIGS太陽電池轉(zhuǎn)換效率較高。6.4銅銦鎵硒（CIGS）太陽電池6.4.3CIGS太陽電池的制造濺射加后硒化法濺射加后硒化法濺射加后硒化法將Cu、In和Ga濺鍍到Mo電極上形成預(yù)制層，再使之與H2Se或含Se的氣氛發(fā)生反應(yīng)，得到滿足化學(xué)計(jì)量比的薄膜。該工藝對設(shè)備的要求不高，因此成為商業(yè)化生產(chǎn)的首選。該工藝的技術(shù)難點(diǎn)主要集中在硒化過程，硒化過程中容易因形成In2Se和Ga2Se而損失掉，使薄膜不同位置的元素產(chǎn)生失配，不利于薄膜保持均勻性。因此硒化工藝的控制尤為重要。6.4銅銦鎵硒（CIGS）太陽電池6.4.4CIGS太陽電池產(chǎn)業(yè)化情況各機(jī)構(gòu)CIGS類太陽電池的轉(zhuǎn)換效率紀(jì)錄由于CIGS太陽電池制備技術(shù)難度較高，因而CIGS太陽電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展比較緩慢。但隨著自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步和研發(fā)的持續(xù)投入，2014年4月漢能集團(tuán)的SOLIBRO創(chuàng)造了轉(zhuǎn)換效率21.0%的紀(jì)錄，2016年5月德國ZSW實(shí)現(xiàn)了CIGS電池22.6%的最高轉(zhuǎn)換效率，2022年我國玻璃基CIGS太陽電池實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為22.9%。6.4銅銦鎵硒（CIGS）太陽電池6.4.4CIGS太陽電池產(chǎn)業(yè)化情況各機(jī)構(gòu)CIGS光伏組件子組件的轉(zhuǎn)換效率紀(jì)錄全球CIGS類太陽電池子組件最高轉(zhuǎn)換效率是19.2%，表6-5為各機(jī)構(gòu)CIGS光伏組件子組件的轉(zhuǎn)換效率紀(jì)錄。6.4銅銦鎵硒（CIGS）太陽電池6.4.4CIGS太陽電池產(chǎn)業(yè)化情況CIGS太陽電池生產(chǎn)廠商所采用的技術(shù)路線情況CIGS太陽電池的主要生產(chǎn)商多分布在中國、日本、德國，所采取的技術(shù)路線主要是濺射加后硒化和多元共蒸發(fā)法，如表所示。2022年我國量產(chǎn)的玻璃基CIGS光伏組件（面積為1200×600mm2）最高轉(zhuǎn)換效率約17.6%，平均轉(zhuǎn)換效率（面積為1200×600mm2）約15%。柔性CIGS組件（不小于0.5m2開口面積）最高轉(zhuǎn)換效率為18.6%，量產(chǎn)平均轉(zhuǎn)換效率為15%。6.4銅銦鎵硒（CIGS）太陽電池6.4.4CIGS太陽電池產(chǎn)業(yè)化情況2022年產(chǎn)業(yè)化CIGS光伏組件主要指標(biāo)由于晶體硅光伏技術(shù)的迅猛發(fā)展，CIGS太陽電池技術(shù)在光伏電站的優(yōu)勢逐漸失去，市場主要集中于BIPV和移動(dòng)能源。2022年產(chǎn)業(yè)化CIGS光伏組件主要指標(biāo)如表所示。中國在CIGS太陽電池生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)展較晚，目前有中建材、淄博國民薄膜、山西漢能薄膜等公司從事CIGS薄膜太陽電池的產(chǎn)業(yè)化工作。日本的SolarFrontier重心轉(zhuǎn)向光伏電站的開發(fā)建設(shè)運(yùn)營服務(wù)。6.5鈣鈦礦太陽電池（PerovskiteSolarCells）6.5.1鈣鈦礦太陽電池鈣鈦礦太陽電池又稱鈣鈦礦光伏電池（Perovskite-BasedPhotovoltaicCells，PPCs）。有機(jī)?無機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦材料由于具備高光吸收系數(shù)、高載流子遷移率、低激子結(jié)合能以及平衡的雙極性載流子傳輸?shù)忍匦裕瑵M足作為高效太陽電池光吸收材料的諸多要求。因此，基于有機(jī)?無機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦材料的太陽電池憑借其高轉(zhuǎn)換效率、易溶液法制備和低溫工藝等優(yōu)勢成為光伏領(lǐng)域的前沿課題和研究熱點(diǎn)。鈣鈦礦太陽電池（PSCs）發(fā)展迅速，自2009年面世以來，其理論優(yōu)勢突出，僅經(jīng)過13年發(fā)展，其轉(zhuǎn)換效率就從3.8%提升至25.7%，理論極限轉(zhuǎn)換效率（31%）高于晶硅電池（29.4%），且鈣鈦礦太陽電池可與多種類型電池疊層以進(jìn)一步提升轉(zhuǎn)換效率，雙結(jié)疊層電池的理論極限轉(zhuǎn)換效率為46%。作為第三代太陽電池技術(shù)，鈣鈦礦太陽電池因其材料特性，相比于晶硅及其他薄膜太陽電池具備較強(qiáng)的理論優(yōu)勢，甚至有很多人認(rèn)為鈣鈦礦太陽電池將取代硅基太陽電池的統(tǒng)治地位。6.5鈣鈦礦太陽電池6.5.1鈣鈦礦太陽電池發(fā)電原理及特點(diǎn)鈣鈦礦晶體及其晶體結(jié)構(gòu)鈣鈦礦材料一般為立方體或八面體結(jié)構(gòu)，通常用化學(xué)式ABX3表示，其中A代表半徑較大的陽離子，B代表半徑較小的陽離子，X則代表陰離子。典型的鈣鈦礦晶體具有一種特殊的立方結(jié)構(gòu)。如圖所示，在鈣鈦礦晶體的立方結(jié)構(gòu)中，A離子位于立方晶胞中心，被12個(gè)X離子包圍成配位立方八面體；B離子位于立方晶胞角頂，被6個(gè)X離子包圍成配位八面體；X離子居于立方體的12條邊的中點(diǎn)。6.5鈣鈦礦太陽電池6.5.1鈣鈦礦太陽電池發(fā)電原理及特點(diǎn)典型鈣鈦礦太陽電池原理圖鈣鈦礦太陽電池作為一種新型化合物薄膜太陽電池，是一種半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)光電器件。當(dāng)光照在鈣鈦礦太陽電池上，太陽光強(qiáng)度大于作為鈣鈦礦太陽電池吸收層的鈣鈦礦材料的禁帶寬度時(shí)，鈣鈦礦吸收光子產(chǎn)生電子?空穴對，鈣鈦礦太陽電池通過鈣鈦礦光吸收層、電荷傳輸層等半導(dǎo)體材料組成的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)來有效分離和提取光生電荷。電子通過電子傳輸層（ETL）最后被上電極導(dǎo)電薄膜收集，空穴通過空穴傳輸層（HTL）最后被下電極收集，上下電極連接成電路產(chǎn)生光電流，實(shí)現(xiàn)由光能向電能的轉(zhuǎn)換。6.5鈣鈦礦太陽電池6.5.1鈣鈦礦太陽電池發(fā)電原理及特點(diǎn)典型鈣鈦礦太陽電池發(fā)電示意圖鈣鈦礦太陽電池作為一種新型化合物薄膜太陽電池，是一種半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)光電器件。當(dāng)光照在鈣鈦礦太陽電池上，太陽光強(qiáng)度大于作為鈣鈦礦太陽電池吸收層的鈣鈦礦材料的禁帶寬度時(shí)，鈣鈦礦吸收光子產(chǎn)生電子?空穴對，鈣鈦礦太陽電池通過鈣鈦礦光吸收層、電荷傳輸層等半導(dǎo)體材料組成的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)來有效分離和提取光生電荷。電子通過電子傳輸層（ETL）最后被上電極導(dǎo)電薄膜收集，空穴通過空穴傳輸層（HTL）最后被下電極收集，上下電極連接成電路產(chǎn)生光電流，實(shí)現(xiàn)由光能向電能的轉(zhuǎn)換。

6.5鈣鈦礦太陽電池6.5.1鈣鈦礦太陽電池發(fā)電原理及特點(diǎn)2022年鈣鈦礦太陽電池實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率隨著光伏應(yīng)用市場的快速增長及光伏產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，鈣欽礦太陽電池以低成本、工藝簡單等特點(diǎn)，掀起了研究高潮。國內(nèi)數(shù)十家來自大學(xué)、研發(fā)機(jī)構(gòu)和企業(yè)的研究團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦光伏的發(fā)展中貢獻(xiàn)了重要研究成果，各項(xiàng)紀(jì)錄也不斷被刷新，2022年鈣欽礦太陽電池實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率如表所示。6.5鈣鈦礦太陽電池6.5.1鈣鈦礦太陽電池發(fā)電原理及特點(diǎn)1993—2023年各種類型太陽電池的最高轉(zhuǎn)換效率進(jìn)展曲線圖鈣鈦礦太陽電池自2009年第一次面世到如今，其轉(zhuǎn)換效率提升速度是所有光伏技術(shù)中最快的。單結(jié)鈣鈦礦太陽電池最高轉(zhuǎn)換效率已超過23%，并且還有增長的趨勢。自2015年開始，鈣鈦太陽電池轉(zhuǎn)換效率增加最快，平均每年增長1個(gè)百分點(diǎn)，受到肖克利-奎瑟極限的限制，其單結(jié)極限轉(zhuǎn)換效率為31%。6.5鈣鈦礦太陽電池6.5.1鈣鈦礦太陽電池的特點(diǎn)鈣鈦礦太陽電池比晶硅太陽電池具有耗材少、光電轉(zhuǎn)換效率高、可低溫工藝、產(chǎn)業(yè)鏈短、總投資少和成本低的優(yōu)點(diǎn)；與其他化合物薄膜電池的主要區(qū)別是作為吸收層的材料不同，具有原料易獲取、可迭代、成本低的優(yōu)點(diǎn)。鈣鈦礦作為核心材料，決定了該類型太陽電池具備以下5個(gè)特點(diǎn)。①材料消耗少。鈣鈦礦材料是直接帶隙材料，具有強(qiáng)吸光能力，鈣鈦礦僅需0.2μm的厚度就能實(shí)現(xiàn)飽和吸收。晶體硅是間接帶隙材料，硅片厚度必須在150μm以上才能實(shí)現(xiàn)對入射光的飽和吸收。鈣鈦礦太陽電池對活性材料的消耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于晶體硅太陽電池。②光電轉(zhuǎn)換效率高。鈣鈦礦材料具有很高的載流子遷移率，即光照下材料中產(chǎn)生的正負(fù)電荷的移動(dòng)速度快，電荷可以更快的速度到達(dá)電極；鈣鈦礦材料的載流子遷移率近乎完全平衡，即鈣鈦礦材料中電子和空穴的遷移率基本相同。而晶體硅的載流子遷移率是不平衡的，它的電子遷移率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴遷移率，當(dāng)入射光的光強(qiáng)高到一定強(qiáng)度時(shí)，電流的輸出就會(huì)飽和，從而限制了晶體硅太陽電池在高光強(qiáng)下的光電轉(zhuǎn)換效率。6.5鈣鈦礦太陽電池6.5.1鈣鈦礦太陽電池的特點(diǎn)③熱溫度系數(shù)小。鈣鈦礦晶體中的載流子復(fù)合幾乎完全是輻射型復(fù)合，當(dāng)鈣鈦礦中的電子和空穴發(fā)生復(fù)合時(shí)，會(huì)釋放出一個(gè)新的光子，這個(gè)光子又會(huì)被附近的鈣鈦礦晶體重新吸收。因此，鈣鈦礦對入射的光子有極高的利用率，而且在光照下發(fā)熱量很低。而晶體硅中的載流子復(fù)合則幾乎完全是非輻射型復(fù)合，當(dāng)晶體硅中的電子和空穴發(fā)生復(fù)合時(shí)，它們所帶的能量就會(huì)轉(zhuǎn)化成熱能，不能被重新利用。因此，鈣鈦礦太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率理論上限顯著高于晶體硅太陽電池。目前單晶硅太陽電池的最高轉(zhuǎn)換效率為25.6%，這個(gè)紀(jì)錄已經(jīng)保持了多年，未來很難有大的突破。鈣鈦礦的輻射型復(fù)合特性則使其完全有潛力達(dá)到和砷化鎵太陽電池一樣高的轉(zhuǎn)換效率水平，達(dá)到甚至突破29%。④工序少、低溫工藝且對襯底要求低。鈣鈦礦材料的另一特點(diǎn)是溶解性，可配制成溶液，像涂料一樣低溫涂布在襯底上。對于高轉(zhuǎn)換效率太陽電池來說，在轉(zhuǎn)換效率超過20%的電池材料中只有鈣鈦礦是可溶解的。通過涂布法成膜并從溶液中析出的過程就是一個(gè)自發(fā)結(jié)晶的過程，從材料到組件工序少，這對于不同襯底及疊層電池等高性能太陽電池的制作提供了巨大的便利。⑤材料制備簡單。鈣鈦礦材料中A位、B位、X位均可迭代替換，可選用的材料種類眾多。鈣鈦礦太陽電池相對于其他化合物薄膜電池（如CdTe、CIGS電池等）具有原料易獲取、可迭代、成本低的優(yōu)點(diǎn)。6.5鈣鈦礦太陽電池6.5.2單結(jié)鈣鈦礦太陽電池單結(jié)鈣鈦礦太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖對于單結(jié)鈣鈦礦太陽電池來說，按入射光入射的順序分，鈣鈦礦太陽電池分為n-i-p型（稱一般結(jié)構(gòu)或正向結(jié)構(gòu)）鈣鈦礦太陽電池（入射光從n層首先進(jìn)入，然后依次進(jìn)入i層、p層）和p-i-n型（稱倒置結(jié)構(gòu)或反向結(jié)構(gòu)）鈣鈦礦太陽電池（入射光從p層首先進(jìn)入，然后依次進(jìn)入i層、n層），單結(jié)鈣鈦礦太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。6.5鈣鈦礦太陽電池6.5.2單結(jié)鈣鈦礦太陽電池n-i-p型鈣鈦礦太陽電池的SEM圖像和納米晶n-i-p型鈣鈦礦太陽電池示意圖平面結(jié)構(gòu)n-i-p型鈣鈦礦太陽電池n-i-p型鈣鈦礦太陽電池由透明電極、電子傳輸層（ETL）、鈣鈦礦層、空穴傳輸層（HTL）和背面電極組成，其中電子傳輸層（ETL）/鈣鈦礦界面和鈣鈦礦/空穴傳輸層（HTL）等是影響電池性能的關(guān)鍵界面。平面結(jié)構(gòu)n-i-p型鈣鈦礦太陽電池的示意圖參見圖（b）。6.5鈣鈦礦太陽電池6.5.2單結(jié)鈣鈦礦太陽電池可印刷介孔結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽電池介孔結(jié)構(gòu)n-i-p型鈣鈦礦太陽電池可印刷的介孔結(jié)構(gòu)n-i-p型鈣鈦礦太陽電池由TCO襯底上的TiO2/ZrO2/碳的三重介孔層組成，而鈣鈦礦則填充在孔內(nèi)，如圖（a）所示。相應(yīng)層的能級圖如圖（b）所示，包括可印刷介孔結(jié)構(gòu)n-i-p型鈣鈦礦太陽電池中的背面電極在內(nèi)的所有功能層都通過溶液處理方法制備，生產(chǎn)流程示意圖如（c）所示。、圖（d）為可印刷介孔結(jié)構(gòu)n-i-p型鈣鈦礦光伏組件的互連方案圖，圖（e）為尺寸為60cm×60cm的可印刷介孔結(jié)構(gòu)n-i-p型鈣鈦礦光伏組件照片，圖（f）為由上述光伏組件組成的光伏發(fā)電系統(tǒng)照片。6.5鈣鈦礦太陽電池6.5.2單結(jié)鈣鈦礦太陽電池近十年p-i-n型鈣鈦礦太陽電池的轉(zhuǎn)換效率紀(jì)錄圖p-i-n型鈣鈦礦太陽電池由于常規(guī)p-i-n型鈣鈦礦太陽電池不存在高溫?zé)Y(jié)、潛在光催化TiO2和摻雜有機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)材料，p-i-n型鈣鈦礦太陽電池具有加工簡單、溫度低、柔韌性好、滯后小等優(yōu)點(diǎn)，因此它與硅基太陽電池工藝兼容用于制備鈣鈦礦/晶體硅串聯(lián)疊層電池。通過對體鈍化和界面鈍化的優(yōu)化，p-i-n型鈣鈦礦太陽電池的轉(zhuǎn)換效率得到了極大的提高，小面積p-i-n型鈣鈦礦太陽電池的認(rèn)證轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到24.3%。6.5鈣鈦礦太陽電池6.5.3鈣鈦礦疊層太陽電池鈣鈦礦/絨面硅疊層太陽電池?cái)嗝媸疽鈭D和斷面掃描電鏡照片鈣鈦礦/C-Si疊層太陽電池旋涂法適合于鈣鈦礦/前面拋光晶體硅疊層太陽電池和鈣鈦礦/雙面絨面晶體硅疊層太陽電池，如n-i-p鈣鈦礦/前面拋光晶體硅疊層太陽電池、p-i-n鈣鈦礦/前面拋光晶體硅疊層太陽電池和p-i-n鈣鈦礦/雙面絨面晶體硅疊層太陽電池。與現(xiàn)有相對成熟的單結(jié)鈣鈦礦太陽電池溶液制造工藝兼容，旋涂法已成為單面拋光晶體硅太陽電池制備鈣鈦礦疊層太陽電池最常用的方法。p-i-n型鈣鈦礦/正面拋光晶體硅疊層太陽電池具有很大發(fā)展?jié)摿Α?.5鈣鈦礦太陽電池6.5.3鈣鈦礦疊層太陽電池鈣鈦礦/銅銦鎵硒（CIGS）疊層太陽電池鈣鈦礦/CIGS疊層太陽電池，其轉(zhuǎn)換效率為10.9%，采用ITO作為互連層，將溶液處理的CIGS電池與p-i-n型鈣鈦礦太陽電池串聯(lián)起來，并去除了氧化鋅以減輕鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性。但由于CIGS的市場占有率很小，以及在CIGS電池粗糙的表面沉積鈣鈦礦的技術(shù)挑戰(zhàn)，鈣鈦礦/CIGS疊層太陽電池的開發(fā)進(jìn)展緩慢。直到2018年取得了顯著的進(jìn)展，通過在CIGS的粗糙表面沉積增厚的300nmITO來定向分流并進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光以促進(jìn)后續(xù)鈣鈦礦的沉積，將鈣鈦礦/CIGS疊層太陽電池的轉(zhuǎn)換效率提高到22.4%。6.5鈣鈦礦太陽電池6.5.3鈣鈦礦疊層太陽電池具有不同互連層的二端子鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層太陽電池的結(jié)構(gòu)鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層太陽電池的結(jié)構(gòu)基于鈣鈦礦的帶隙可調(diào)性，可以實(shí)現(xiàn)全鈣鈦礦疊層太陽電池。全鈣鈦礦疊層太陽電池具有超高轉(zhuǎn)換效率、低溫制造工藝、與柔性基板的兼容性和低成本等優(yōu)點(diǎn)，顯示出巨大的潛力。一般采用寬禁帶（Eg為1.7～1.8eV）鈣鈦礦作為頂電池吸收層，窄禁帶（Eg為1.2～1.3eV）鈣鈦礦作為底電池吸收層。近年來，由于寬禁帶鈣鈦礦及其電池界面工程開發(fā)，以及具有高Jsc的高效窄禁帶鈣鈦礦太陽電池開發(fā)和采用有效互連層，全鈣鈦礦疊層太陽電池得到了顯著的發(fā)展，二端子和四端子引出的太陽電池轉(zhuǎn)換效率分別為28.0%（認(rèn)證）和26.1%。6.5鈣鈦礦太陽電池6.5.3鈣鈦礦疊層太陽電池鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層太陽電池的轉(zhuǎn)換效率進(jìn)展和理論模擬鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層太陽電池的理論模擬受益于寬禁帶鈣鈦礦、窄禁帶鈣鈦礦和互連層的快速發(fā)展，鈣鈦礦/鈣鈦礦（又稱全鈣鈦礦）疊層太陽電池取得了長足的進(jìn)步。Yan和Zhu等人通過調(diào)整兩個(gè)子電池的帶隙選擇和提高兩種鈣鈦礦吸收體的薄膜質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了四端引出全鈣鈦礦疊層太陽電池的轉(zhuǎn)換效率超過25%，獲得了26.01%的轉(zhuǎn)換效率，這是迄今為止四端引出全鈣鈦礦疊層太陽電池轉(zhuǎn)換效率的最高值見圖。盡管四端引出全鈣鈦礦疊層太陽電池的轉(zhuǎn)換效率高于兩端引出全鈣鈦礦疊層太陽電池，但是，后者更具實(shí)用價(jià)值。6.5鈣鈦礦太陽電池6.5.3鈣鈦礦疊層太陽電池鈣鈦礦/有機(jī)半導(dǎo)體疊層太陽電池有機(jī)太陽電池（OSCs）中NBG小分子受體材料的研發(fā)，使鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽電池轉(zhuǎn)換效率快速提升并引起廣泛關(guān)注。近紅外吸收有機(jī)光伏材料為疊層太陽電池中的底電池活性層提供了最佳選擇。此外，在鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽電池中，鈣鈦礦頂電池可以過濾短波長紫外光，有效減輕紫外線對有機(jī)底電池的損傷。實(shí)驗(yàn)證明，為了獲得更高的鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，寬帶隙鈣鈦礦頂電池和窄帶隙有機(jī)底電池的帶隙應(yīng)分別在1.75eV和1.15eV左右。具體是：①減少寬帶隙鈣鈦礦頂電池中的非輻射電荷復(fù)合損耗和增加Voc；②拓寬吸收光譜波長范圍，改善窄帶隙有機(jī)底電池的光電流。6.5鈣鈦礦太陽電池6.5.4鈣鈦礦太陽電池的產(chǎn)業(yè)化及其應(yīng)用全球鈣鈦礦單結(jié)、疊層太陽電池和組件的轉(zhuǎn)換效率紀(jì)錄2013年以來，隨著鈣鈦礦光伏技術(shù)的快速進(jìn)步，此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成為光伏學(xué)術(shù)界、投資界的熱點(diǎn)，全世界很多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)在從事鈣鈦礦光伏技術(shù)的研發(fā)。實(shí)近年來大批研究團(tuán)隊(duì)從事鈣鈦礦太陽電池的研究，科技和產(chǎn)業(yè)界投入巨額資金和關(guān)注度，期望鈣鈦太陽電池盡快產(chǎn)業(yè)化，但鈣鈦礦光伏組件的轉(zhuǎn)換效率提高緩慢。驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率與組件轉(zhuǎn)換效率的較大差距說明，鈣鈦礦太陽電池技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化仍有許多需要解決的問題。表為全球鈣鈦礦單結(jié)、疊層太陽電池和組件的轉(zhuǎn)換效率紀(jì)錄。6.5鈣鈦礦太陽電池6.5.4鈣鈦礦太陽電池的產(chǎn)業(yè)化及其應(yīng)用不同電極的典型鈣鈦礦太陽電池的穩(wěn)定性測試結(jié)果鈣鈦礦太陽電池的本征穩(wěn)定性問題

盡管鈣鈦礦太陽電池的認(rèn)證轉(zhuǎn)換效率與晶體硅太陽電池的相當(dāng)，但鈣鈦礦太陽電池要真正取代晶體硅太陽電池，還有很長的路要走，需要克服很多技術(shù)和非技術(shù)的困難。穩(wěn)定性是鈣鈦礦太陽電池商業(yè)化的巨大障礙，如電池的穩(wěn)定性不高，材料對空氣和水的耐受性較差，鈣鈦礦材料存在遇空氣分解、在水和有機(jī)溶劑中溶解的問題，導(dǎo)致電池循環(huán)壽命短，這些都嚴(yán)重阻礙了其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。電池結(jié)構(gòu)、離子遷移涉及兩個(gè)主要鈣鈦礦太陽電池的本征穩(wěn)定性問題。6.5鈣鈦礦太陽電池6.5.4鈣鈦礦太陽電池的產(chǎn)業(yè)化及其應(yīng)用采用R2R工藝制備柔性鈣鈦礦太陽電池的工藝流程示意圖鈣鈦礦太陽電池的組件技術(shù)問題一、大面積功能層沉積大面積鈣鈦礦光伏組件的制備挑戰(zhàn)性：1.在大面積上沉積均勻和高質(zhì)量的功能層如電子傳輸層（ETL）、空穴傳輸層（HTL）和鈣鈦礦層，特別是鈣鈦礦薄膜的形成是在難控制的工藝條件下的結(jié)晶過程，缺陷和針孔將導(dǎo)致嚴(yán)重的非輻射復(fù)合甚至短路；2.為了減少大面積薄膜的均勻性和電阻對電池性能的影響，一般通過分割和蝕刻技術(shù)將大面積電池分隔為多個(gè)串聯(lián)或并聯(lián)的子單元，將轉(zhuǎn)換效率損失降至最低；3.封裝技術(shù)嚴(yán)重影響鈣鈦礦太陽電池的穩(wěn)定性和可靠性。

6.5鈣鈦礦太陽電池6.5.4鈣鈦礦太陽電池的產(chǎn)業(yè)化及其應(yīng)用鈣鈦礦光伏組件產(chǎn)業(yè)化典型工藝鈣鈦礦太陽電池的組件技術(shù)問題二、組件設(shè)計(jì)與工藝鈣鈦礦光伏組件設(shè)計(jì)原則與集成型薄膜太陽電池設(shè)計(jì)原則一致。通過采用薄膜組件產(chǎn)業(yè)化典型工藝劃線或印刷圖形等內(nèi)部集成方式實(shí)現(xiàn)子電池分割和互聯(lián)。一般子電池并聯(lián)組件是采用直接在基板上沉積金屬網(wǎng)格后制造功能層的方法，將子電池的陽極（陰極）與相鄰子電池的陽極（陰極）連接起來。6.5鈣鈦礦太陽電池6.5.4鈣鈦礦太陽電池的產(chǎn)業(yè)化及其應(yīng)用真空層壓封裝和接口封裝鈣鈦礦太陽電池的組件技術(shù)問題二、組件設(shè)計(jì)與工藝傳統(tǒng)光伏組件的封裝主要集中在阻礙水分和氧氣進(jìn)入的外部封裝。由于鈣鈦礦離子具有固有的不穩(wěn)定性，因此鈣鈦礦太陽電池需要囊封技術(shù)進(jìn)行初封裝，旨在提高鈣鈦礦活性層和相關(guān)接觸的本征穩(wěn)定性，以延長其壽命并同時(shí)提高其性能。6.5鈣鈦礦太陽電池6.5.4鈣鈦礦太陽電池的產(chǎn)業(yè)化及其應(yīng)用R2R工藝連續(xù)生產(chǎn)的鈣鈦礦太陽電池鈣鈦礦光伏組件產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展日本新能源和工業(yè)技術(shù)發(fā)展組織（NEDO）啟動(dòng)了國家項(xiàng)目（綠色創(chuàng)新項(xiàng)目），并投資200億日元開發(fā)鈣鈦礦太陽電池。東芝、積水化學(xué)、Aisin、Kaneka等著名企業(yè)與國家先進(jìn)工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所、東京大學(xué)和京都大學(xué)等共同承擔(dān)此項(xiàng)目，承諾到2030年將鈣鈦礦太陽電池商業(yè)化。積水化學(xué)報(bào)道了通過寬度為30cm的R2R工藝制備的轉(zhuǎn)換效率為15%的柔性鈣鈦礦光伏組件，將戶外耐用性提高到相當(dāng)于10年，并為了實(shí)用化，正致力于建立1m寬度柔性襯底的R2R工藝，目標(biāo)是在2025年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。6.5鈣鈦礦太陽電池6.5.4鈣鈦礦太陽電池的產(chǎn)業(yè)化及其應(yīng)用鈣鈦礦太陽電池的面積與轉(zhuǎn)換效率關(guān)系曲線以及壽命與成本關(guān)系曲線鈣鈦礦光伏組件產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展未來的目標(biāo)是在工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)格上，鈣鈦礦/晶體硅疊層太陽電池轉(zhuǎn)換效率超過25%，穩(wěn)定性超過20年，為此，應(yīng)采用理論模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方式進(jìn)行鈣鈦礦/晶體硅疊層太陽電池的光管理改善和界面層優(yōu)化。小面積（小于0.1cm2）單結(jié)鈣鈦礦太陽電池的轉(zhuǎn)換效率與晶體硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率相當(dāng)，然而，將電池面積擴(kuò)大到組件規(guī)格時(shí)轉(zhuǎn)換效率顯著降低。如圖（a）所示，面積超過1000cm2的鈣鈦礦光伏組件的轉(zhuǎn)換效率仍維持在15%左右，20年的使用壽命中鈣鈦礦光伏組件的轉(zhuǎn)換效率應(yīng)達(dá)到20%以上，參見圖（b）。6.5鈣鈦礦太陽電池6.5.4鈣鈦礦太陽電池的產(chǎn)業(yè)化及其應(yīng)用鈣鈦礦太陽電池的空間應(yīng)用特性、設(shè)備及實(shí)驗(yàn)鈣鈦礦光伏組件市場應(yīng)用太空中的極端環(huán)境對鈣鈦礦太陽電池在太空中的應(yīng)用提出特殊要求。空間環(huán)境具有超高真空和交變溫度，以及AM0太陽光譜高達(dá)136.7mW/cm2的總輻射，特別是在VanAllen輻射帶，還包括伽馬（γ）射線、紫外線、X射線、β射線、質(zhì)子、中子和電子的強(qiáng)輻射。空間環(huán)境的這些特性直接影響在空間工作的材料和設(shè)備的在軌服務(wù)性能和穩(wěn)定性。高能粒子輻射可在半導(dǎo)體中誘發(fā)晶格缺陷，并最終導(dǎo)致鈣鈦礦太陽電池性能下降，而空間發(fā)射成本在每千克1500美元至30000美元之間，因此，鈣鈦礦太陽電池在空間應(yīng)用應(yīng)滿足高轉(zhuǎn)換效率、高比功率、長期穩(wěn)定性和抗輻射性等特定要求。6.5鈣鈦礦太陽電池6.5.4鈣鈦礦太陽電池的產(chǎn)業(yè)化及其應(yīng)用全球鈣鈦礦光伏組件占光伏組件份額預(yù)測圖鈣鈦礦光伏組件市場應(yīng)用鈣鈦礦太陽電池具備輕薄、透光性強(qiáng)、短波長吸光能力強(qiáng)、弱光效應(yīng)好、可在剛性或柔性基材上制備的優(yōu)點(diǎn)，除上述室內(nèi)電子和空間應(yīng)用外，其可與建材結(jié)合成為建筑光伏一體化組件應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，讓建筑的外立面發(fā)電；可集成到電動(dòng)汽車外面，發(fā)展車載光伏，邊行進(jìn)邊充電，增加電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航能力；在帳篷、背包等消費(fèi)品及室外機(jī)器人、無人機(jī)等移動(dòng)能源領(lǐng)域的應(yīng)用同樣潛力巨大。全球鈣鈦礦光伏組件占光伏組件份額預(yù)測圖如圖所示。

6.6染料敏化太陽電池（DyeSensitizedSolarCell，DSC）6.6.1染料敏化太陽電池原理染料敏化太陽電池的結(jié)構(gòu)和原理示意圖染料