认识钙钛矿，塑造太阳能未来的材料

钙钛矿为城市甚至偏远地区的现场太阳能发电开辟了新选择
一种比硅更容易制造的年轻光伏技术
将建筑物的窗户和墙壁变成发电厂
通过避免排放对未来产生“绿色影响”

想象一下在几乎每个外表面都可以产生可再生能源的建筑物中生活或工作。松下通过开发基于钙钛矿下一代太阳能电池板来实现这一愿景，一种使太阳能发电在传统硅具有固有局限性的环境中更加实用的材料。

钙钛矿为城市甚至偏远地区的现场太阳能发电开辟了新选择

日本这个严重依赖进口能源的国家的研究人员一直专注于如何创新光伏能源发电。 2009 年，横滨东院大学教授 Tsutomu Miyasaka 报告了第一块钙钛矿太阳能电池的研制。

Photo: Perovskite solar cells — 钙钛矿太阳能电池用途广泛，生产所需的能量比硅少得多，使它们更便宜、更可持续，甚至可以用作窗户

过氧化物是一个术语，既用来指一种晶体矿物，也指其他材料中的类似晶体结构。生活在19世纪的德国矿物学家古斯塔夫-罗斯在乌拉尔山勘探后发现了钛酸钙。他以俄罗斯矿物学家和贵族Lev Perovski的名字命名其晶体结构为 "钙钛矿"。

在应对气候变化的战斗中，使钙钛矿结构变得有趣的是它们能够有效地吸收阳光，并提供更可持续的制造潜力。在光伏应用中，过氧化物包括具有钙钛矿结构的有机-无机混合材料。

钙钛矿太阳能电池的创造很重要，因为钙钛矿太阳能电池板可以超越硅的限制。通过更薄和更灵活的设计，过氧化物允许以目前不存在的方式扩大太阳能发电。例如，当应用于其他材料的表面时，它们可以形成一个发电层。

虽然近年来太阳能电池板的使用迅速普及，到 2021 年占日本年发电量的近 10%，但传统太阳能电池面临一个基本限制：市场上的大多数只能捕获约 20% 的太阳能并将其转化它变成电。这一比率多年来有所改善，但硅模块的理论效率极限为 29%。

自钙钛矿太阳能电池板发明以来，效率已从 2009 年的 3.8% 攀升至 2020 年的 25.2%。当与硅串联使用时，小型钙钛矿电池的效率高达 32.5%。

一种比硅更容易制造的年轻光伏技术

“钙钛矿太阳能电池直到 2009 年才开始出现，因此它是一项年轻的技术，”松下控股株式会社技术部应用材料技术中心总经理 Yukihiro Kaneko 说。 “人们一直在研究小型电池以提高效率，但现在我们正在研究大型电池。”

在拉斯维加斯举行的 2023 年消费电子展 (CES) 上，松下展示了 30 平方厘米的钙钛矿太阳能组件。根据美国国家可再生能源实验室的国际排名，它们与日本新能源和工业技术开发组织 (NEDO) 共同开发，具有世界上同尺寸钙钛矿模块最高的效率，为 17.9%。

Photo: Yukihiro Kaneko of the Applied Materials Technology Center, Technology Division, Panasonic Holdings Corporation shows off a semitransparent perovskite solar module — 松下控股株式会社技术部应用材料技术中心的 Yukihiro Kaneko 展示半透明钙钛矿太阳能电池组件

这些模块不同于传统的太阳能电池板，不仅因为它们专门使用钙钛矿作为光伏材料，而不是硅或硅与钙钛矿的结合，而且它们的制造方式和使用方式也不同。传统面板的制造需要高温和大量能源。这会产生大量的温室气体，意味着面板需要相对较长的时间才能实现碳中和。

另一方面，过氧化物电池不需要高热处理，可以用更少的能源生产，使它们更便宜和更可持续。Kaneko说，虽然需要两到三年的发电量才能收回用于制造硅电池的能源，但使用钙钛矿电池只需要三或四个月。

将建筑物的窗户和墙壁变成发电厂

佩罗夫斯基电池的用途也更广。钙钛矿晶体层的厚度不到1微米，通过喷墨打印沉积在玻璃基底上。除了在屋顶上捕捉阳光外，它们还可以在家庭和办公室的外墙、阳台和其他表面上发电。它们甚至可以作为窗户使用。松下已经开发了钙钛矿，透明度为20%、40%和分级的玻璃板。

“根据客户的需求，我们可以用激光和喷墨印刷技术改变透明度，”Kaneko 说。

由于采用了喷墨打印方法，它们不受设计限制，可以完全定制。为了展示设计的可能性，在CES上，松下公司展出了一棵概念性的包罗万象的树，它有近1000片 "叶子"，是圆形钙钛矿电池的模拟模型。在日本这样一个相对较小的山区国家，大型太阳能农场的空间非常有限，这种可定制的质量可能是一个改变游戏规则的功能。

Photo: Panasonic’s “Perovskite Tree” exhibit at CES 2023 demonstrated the flexibility of the material through “leaves” made of nearly 1,000 mockup circular perovskite cells — 松下公司在2023年国际消费电子展上的 "Perovskite Tree "展品通过由近1000个模拟圆形电池组成的 "叶子 "展示了该材料的灵活性钙钛矿

松下的目标是在未来五年内将钙钛矿面板商业化，以实现建筑一体化光伏 (BIPV)，其中普通建筑玻璃可以与钙钛矿电池结合以产生能量。

这一概念与净零能耗建筑 (ZEB) 和净零能耗住宅 (ZEH) 的日益普及相吻合。这种结构通过节能和光伏现场发电实现了近乎零的净能耗。通过使用普通玻璃，这些面板可以解决由水分对钙钛矿面板的降解影响引起的可靠性问题。此外，建筑玻璃赋予长期稳定性。

“许多人说钙钛矿电池的问题在于可靠性，但通过使用不透水的玻璃基板来隔绝水分，我们希望实现长期可靠性，因为结构不可能每 10 年或 20 年重建一次，”Kaneko 说。

Photo: Yukihiro Kaneko — Yukihiro Kaneko 认为，钙钛矿太阳能技术的使用将有助于通过避免温室气体排放来创造碳中和的未来

通过避免排放对未来产生“绿色影响”

用于 BIPV 的钙钛矿技术是Panasonic GREEN IMPACT的一部分，该计划旨在减少整个松下价值链的排放并到 2030 年实现 CO ₂净零排放。长期目标是将 CO 2 排放量减少 3 亿多吨_，约占全球 336 亿吨排放量的 1%，通过集团运营以及在氢能和其他领域创造新技术和业务。这些措施还有望帮助日本实现到 2050 年实现碳中和的承诺。

“我们松下相信，钙钛矿太阳能技术的总体前景是它将用于窗户和墙壁，”Kaneko 说。 “通过避免排放原本会排放的温室气体，这将给社会带来巨大好处。”

“钙钛矿太阳能电池是一个将创造新市场的领域，”松下控股株式会社部门应用材料技术中心第一部门的部门经理 Taisuke Matsui 说。 “通过将太阳能电池与建筑材料相结合，它们将比以往任何时候都更紧密地与生活联系在一起。从这个意义上说，在反映客户意见的同时不断改进很重要。我们希望了解未来的技术并获得可以利用的各种意见。”