編輯｜經緯創(chuàng)投 劉一鳴
本篇是我們碳中和系列的第6篇文章，訪談對象是左立見博士，他是浙江大學高分子科學與工程學系“百人計劃”研究員、浙江大學-杭州國際科創(chuàng)中心青年PI，多年聚焦在高性能、低成本聚合物和鈣鈦礦光伏器件技術，并取得了一系列進展。
我們與左博士主要探討了鈣鈦礦電池的技術原理、關鍵工藝流程、性能優(yōu)劣勢等等，以及分析了鈣鈦礦穩(wěn)定性和含鉛的難點問題。鈣鈦礦作為薄膜電池中極具潛力的技術路徑，正在以前所未有的速度成熟，未來的鈣鈦礦疊層電池也具有廣闊前景。
降本提效是光伏行業(yè)永恒的追求，PERC之后可能是異質結（HJT）、TOPCon或IBC，而再之后很可能是鈣鈦礦。鈣鈦礦的光電轉化效率上限更高，可以突破晶硅電池極限，并且原材料從硅料換成鈣鈦礦，成本更低廉。在上一篇我們聊了HJT和TOPCon，這篇我們聊聊鈣鈦礦。以下，Enjoy：
經緯：鈣鈦礦電池備受期待，它的優(yōu)勢明顯，包括光電轉化效率高、制備成本低且可自由調控，這些優(yōu)勢背后的原理是什么？
左立見：物質是由原子構成，不同的原子以及原子與原子之間的連接方式決定了材料性質。比如我們常見的硅基太陽能電池主體部分是由硅原子形成的金剛石結構構成，是一個三維連續(xù)的“共價鍵”晶體，原子間相互作用比較強，組成的結構非常結實穩(wěn)定，而且光電性質優(yōu)異，但是加工制備起來也比較難，且容易形成深能級缺陷。
鈣鈦礦由三種不同的組分組成，我們通常把它定義成ABX3，其中B-X會組成一個正八面體結構。正八面體結構在通過“尖”共享（corner-sharing）形成一個三維的“離子型”晶體，原子之間相互作用力比較弱。B-X鍵及其組成的鈣鈦礦結構決定了鈣鈦礦半導體材料的絕大多數性質。而A組分則嵌入到正八面體之間的空隙之中，通過更弱的氫鍵和靜電吸引與B-X組成的八面體結構相互作用，但是對光電性質貢獻相對較小。
鈣鈦礦這種材料的性質有點像我們常用的食鹽——氯化鈉，氯化鈉是一種晶體，靠離子鍵組合在一起，用水可以輕松地把他們之間的化學鍵破壞掉，就溶解了，當水干了，它就又析出來了。鈣鈦礦也類似，由于其化學鍵比較弱，所以我們可以通過溶液法來制備鈣鈦礦太陽能電池，這是跟硅非常不同的地方。這種可以通過溶液法加工制備的特點，給鈣鈦礦太陽能電池帶來了工藝成本低的先天優(yōu)勢。鈣鈦礦晶格結構弱的特點也使鈣鈦礦內部容易形成缺陷態(tài)，同時造成了鈣鈦礦不穩(wěn)定。
不過研究發(fā)現，鈣鈦礦對缺陷態(tài)具有非常好的包容性，這是一種非常重要的性質。人們發(fā)現，雖然鈣鈦礦中很容易出現缺陷，比如由于B-X鍵能較低，很容易在室溫激發(fā)下破壞，形成點缺陷等。有趣的是，在鈣鈦礦里面，這些缺陷態(tài)在能級上都是非?！皽\”的缺陷態(tài)（陷阱能級靠近價帶或者導帶），并不會對電荷傳輸和電荷復合過程造成太大影響。這里涉及一些半導體物理，可能有些難理解。
打個比方，電荷傳輸的過程就像我們在路上開車，路上的一些坑坑洼洼的地方就是缺陷態(tài)，假如路上都是一些非常小的小坑，對我們開車不會造成太大影響，鈣鈦礦對缺陷的包容性也與之類似。
左立見：目前還不能說共識，但目前大家普遍都在做的方向是FAPbI3(甲脒鉛碘鹽），就是基于FAPbI3為主體的鈣鈦礦，再摻一些雜原子進去，構筑的高性能器件。該組分也實現了當前鈣鈦礦太陽電池的最高效率，算是現在的一種主流選擇，也是目前最具有商業(yè)化前景的組成。
經緯：FAPbI3之所以能成為主流，它的優(yōu)劣勢是怎樣的？
左立見：其實在最開始的時候，大家一開始都是在嘗試做MA體系，相對于MA（甲胺）體系來說，FA（甲脒）的優(yōu)勢，可以讓鈣鈦礦鉛-碘-鉛的夾角變得更“直”一點（更接近180°），在這種情況下，鈣鈦礦由四方結構變成立方結構，本身的光電性質也就變得更優(yōu)異一點，帶隙也會變得更窄。根據肖克利-奎塞爾SQ極限，如果基于MA的帶隙，是不太能接近SQ極限的，反而是FA離SQ極限效率更近，這是第一點。
值得一提的是，現在即便是FA，也沒有到達理想帶隙，對于太陽能電池理想帶隙是900多納米。我相信鈣鈦礦在材料探索上，還有很大空間，而這種探索也會帶來更高的效率前景。
第二點是，基于FA導致的晶體結構表現出更優(yōu)異的電荷傳輸性能。
第三，FA體系的鈣鈦礦具有更優(yōu)異的穩(wěn)定性。FA相對于MA不好的地方在于其對水汽變得更為敏感。
此外，FA相對于MA來說，成膜特征也不一樣。在加工制備上也具有一定優(yōu)勢。需要強調的是，鈣鈦礦材料體系一直在發(fā)展，期待未來能有更優(yōu)異的體系出現。
左立見：首先，至少目前來看鉛對于高性能鈣鈦礦是必要的，因為目前還沒有發(fā)現任何一個不含鉛的方法，能讓效率超過20%。錫基鈣鈦礦可以做到16%左右，但還不太成熟。期待未來能有對環(huán)境污染和人體傷害比較小，同時又可以實現高光電轉換效率的材料體系出現吧。
鉛有毒性，但也取決于我們怎么處理老化的鈣鈦礦電池，如果在鈣鈦礦使用周期內都可以做到對鉛很好的封存，最終也有合適的回收手段，影響就也很小。當然這里的鉛是不可以用填埋等手段的，因為這種鉛是水溶性的鉛。以前像硅電池的回收，大家更注重回收貴金屬，考慮經濟價值。而未來對于鈣鈦礦的回收，可能會成為為了避免環(huán)境污染而強制執(zhí)行的一項內容。但鈣鈦礦技術的迭代速度也很快，如果有更新的材料體系、技術或工藝手段出現，也許可以更好地解決這個麻煩。
經緯：不過晶硅電池的組件里面，也是含鉛的；碲化鎘薄膜電池里面，鎘也是有毒的，但這些其實也都量產了，它們是如何解決鉛的問題？
左立見：晶硅電池組件里面，主要是金屬鉛，它會變成氧化鉛，在水里的溶解度不大。但鈣鈦礦里的鉛是碘化鉛（PbI2），在水里會有一定的溶解度，這個對環(huán)境的影響不太一樣。
碲化鎘薄膜電池中的鎘，也是有毒的，但美國還是支持這個行業(yè)，因為碲化鎘不是水溶的，不會對環(huán)境帶來太大的影響。像我們做實驗的時候，毒性固體肯定比液體、氣體要危害性小，因為固體不會揮發(fā)或是滲透，與身體接觸的概率并不大，做好防范就基本可以了。當然，鈣鈦礦的技術在快速進步，相信這些問題在不同領域的專家努力下會迎刃而解。
經緯：所以此時鈣鈦礦的封裝技術就非常重要了。特別是鈣鈦礦的另一個劣勢是穩(wěn)定性的問題，它遇水氣等會有一定的壽命衰退。您怎么看鈣鈦礦的穩(wěn)定性問題？
左立見：是的，這里的封裝應該包含兩個目的，一方面要防止鉛泄露；另一方面，要防止外界的氣氛，如水汽等對鈣鈦礦產生致命影響，保護鈣鈦礦太陽能電池。
穩(wěn)定性問題對于所有電池來說都是存在的，包括硅基電池，硅基電池如果不封裝的話，壽命也不長。封裝針對光伏器件本身的弱點本身的特性來量身定制，比如硅可能對氧氣、水汽更敏感，并可以耐高溫，因此采用EVA或者POM加上玻璃背板的技術。
鈣鈦礦的弱點體現在化學鍵比較脆弱，溶劑分子或水汽可以很容易把它的化學鍵破壞掉，一旦被破壞，器件衰減就是一個必然的過程，比如有水汽滲進去，就會造成不穩(wěn)定。并且鈣鈦礦本身在高溫下會變得不穩(wěn)定，所以我們需要找到一種具有很強針對性、效果好，同時又很便宜的封裝技術，來把器件保護到十年以上都不出問題，這是鈣鈦礦領域長期發(fā)展很重要的一件事情，需要不同領域的人共同攻克。
經緯：我之前聽到一種觀點認為，原來的封裝技術如果用在鈣鈦礦上，其實不是很合適，很難讓鈣鈦礦電池的壽命達到20、30年，您認為封裝工藝上是否存在這種問題？
左立見：這個問題很有可能存在的，我們硅基電池的封裝，很多時候用的熱壓法，把膠貼上去（這種膠是一些表面上刻有花紋的塑料/彈性薄片），然后經過熱壓定型就可以了。但如果用在鈣鈦礦上，明顯熱壓不太可行，因為鈣鈦礦在150度的時候，可能就開始分解了。
所以鈣鈦礦的封裝，可能需尋找一種新材料，封裝溫度低，同時在室溫下阻隔效果又好，尋找這種材料無論在科學上還是技術上都具有一定挑戰(zhàn)。
左立見：在制備環(huán)節(jié)，最核心的問題還是成膜性。理想的鈣鈦礦太陽能電池薄膜，應該是一層表面光滑平整，同時結晶度又高的鈣鈦礦多晶薄膜。這在技術上是有一定難度的，因為通常來講，結晶度高表面就會比較粗糙。
舉個簡單的例子，剛才我們提到過鈣鈦礦的化學本質有些像我們平時用的“食鹽”。當我們把海水曬干，會結晶出一些鹽粒，而不是一層光滑的“鹽膜”，從這個方面來講，鈣鈦礦成膜性并不好。因此，如何制備高質量鈣鈦礦薄膜也成為了制備高性能鈣鈦礦太陽能電池的重要挑戰(zhàn)之一。
目前制備鈣鈦礦薄膜的過程多采用狹縫涂布的方式。就是將鈣鈦礦配成溶液，然后通過一個狹縫均勻涂布到襯底，有點像“鋼筆寫字”的過程。采用狹縫涂布制備的小組件器件效率可以超過20%。薄膜制備雖然在日趨成熟，但很多工藝環(huán)節(jié)依然需要繼續(xù)改進，要更高效的調控晶體生長的技術，實現大面積鈣鈦礦快速、高效、高質量制備。
經緯：如今疊層電池也是大家很看重的方向，您怎么看鈣鈦礦疊層電池的前景？
左立見：無論單節(jié)還是疊層，其實都是有前途的，前提是把鈣鈦礦的穩(wěn)定性問題解決了。在一些場景下，比如光伏電站，做疊層會在不大幅增加成本的條件下顯著提高器件性能，提高光伏單位面積發(fā)電量，這就會產生很大的凈增益，何樂而不為呢？
不過以上的前提就是鈣鈦礦和硅基太陽能電池有相似的使用壽命。如果鈣鈦礦電池的壽命和硅基電池是不匹配的，那疊起來就可能得不償失。比如，如果未來硅電池壽命做到五十年，鈣鈦礦只有二十年，對于硅電池來講無端縮短幾十年的壽命，從成本收益上來看就有些得不償失了。
如果壽命的問題解決了，相信鈣鈦礦太陽能電池無論單結器件或者鈣鈦礦-鈣鈦礦疊層發(fā)展前景也會非常好。最核心的一個問題還是圍繞經濟效益展開：成本-效率-壽命。
經緯：市場的另一大預期，基于鈣鈦礦可以做成剛性，又可以做成柔性，而柔性場景比如放在建筑的外立面，或者放在電動車的玻璃頂，極大豐富了太陽能電池的應用場景。當剛性鈣鈦礦電池完善之后，是不是很快就能實現柔性？
左立見：從剛性到柔性并不是簡單地換個襯底就可以，其中需要解決各種工藝問題和挑戰(zhàn)，其中顯而易見的一個問題就是柔性封裝。通常的剛性封裝技術采用的是封裝膠加光伏玻璃。而對于柔性器件，要求封裝材料本身也必須是柔性的。但柔性封裝是一件挺難的事情，并且成本很高。并且這種封裝的效果怎么樣還未知，這是一個值得不同領域的專家學者一起協(xié)作解決的問題。
另外是制備的問題，鈣鈦礦高質量規(guī)?；赡な侵苽涓咝阅芷骷年P鍵，目前狹縫涂布是最受推崇的涂布技術之一。狹縫涂布對襯底的平整度要求極高，而柔性薄膜在運動過程中可能出現的高低起伏或成為加工柔性太陽能電池的一個挑戰(zhàn)。不過，柔性器件在制備上有一個天然的優(yōu)勢，就是可以采用滾筒印刷技術實現真正意義上的連續(xù)生產，生產效率會進一步提高。
所以柔性鈣鈦礦電池，絕不是做完剛性，很容易就能出現的，它還是需要大量的研發(fā)和新技術突破。