钙钛矿电池寿命偏短,根源在于其材料结构本身:钙钛矿由离子键结合形成晶体,而晶硅由硅原子通过共价键结合形成晶体,共价键作用力强于离子键,且一个硅原子四周有四个共价键,结构更为稳定。原子晶体的熔沸点高于离子晶体、更不易溶于水,因此钙钛矿电池表现出不耐高温、不耐光照、易水解、易氧化、易发生二次反应等特性,并伴随离子迁移问题,直接导致电池寿命偏短。稳定性差与面积放大后的效率损失,是钙钛矿走向大规模量产的两大核心不确定性。
寿命差距有多大
从实测数据看,差距相当直观。武汉大学团队开展的测试显示,在55℃温度下持续光照、进行1000小时最大功率测试后,电池仍能保持88%的初始效率——这已是明显进步,但对比晶硅仍有不足。晶硅方面,隆基的质保承诺为25年后实际输出功率不低于铭牌功率的84.8%。单纯从使用寿命维度看,目前的钙钛矿尚不具备大规模量产的基础。
放大之后效率还会掉
实验室效率的突破并不等于商业化落地。钙钛矿实验室效率从2009年的3.8%提升至2020年的25.2%,但这些数据均来自小尺寸电池。尺寸增大后,钙钛矿效率必定下降:小尺寸可以用更精细的工艺追求效率,而大规模量产必须兼顾成本与效率。多种涂层技术制备的钙钛矿太阳能电池(PSCs)在面积增大时效率均有所降低,这是量产路上另一重不确定性。
结构路线也有取舍
钙钛矿常见的三种构造均为"三明治"结构,由多个功能层铺设而成,膜层之间的相互作用也会影响稳定性。其中介孔结构更稳定,但介孔层需要450℃高温烧结,无法与柔性衬底结合,不太适合大规模量产;相比之下,反式平面结构更适合产业化。换言之,稳定性更优的路线未必是量产友好的路线,这一取舍本身也是不确定性来源。
常见问题
钙钛矿电池为什么稳定性差?
钙钛矿是离子之间通过离子键结合形成的晶体,作用力弱于晶硅的共价键,且离子晶体熔沸点更低、更易溶于水。这使其不耐高温、不耐光照、易水解、易氧化,并易发生二次反应,同时存在离子迁移问题。
钙钛矿寿命短是否意味着无法量产?
稳定性差确实导致电池寿命偏短,目前尚不具备大规模量产的基础。但效率、稳定与成本本就是光伏领域的"不可能三角",钙钛矿已占到其中两头,若能在稳定性与面积放大后的效率损失上取得突破,量产可期。
哪种钙钛矿结构更适合产业化?
反式平面结构被认为最适合产业化。介孔结构虽然更稳定,但介孔层需450℃高温烧结,无法与柔性衬底结合,不适合大规模量产。