要实现美国政府的脱碳目标，即到2035年实现100%无碳发电和到2050年实现经济范围内的净零碳排放，将需要大量部署太阳能光伏(PV)电力。

现有的商业化太阳能光伏技术（主要是硅和碲化镉(CdTe)）的成本急剧下降，导致过去十年在美国和国际上的部署水平达到创纪录的水平，并且仍在不断提高。然而，为了让美国实现2035年的排放目标，美国能源部(DOE)太阳能技术办公室(SETO)估计，每年的光伏部署水平需要从2020 年的15GW提高至2025年的30GW，到2030年提高至60GW，到2035年超过100GW。

虽然现有技术的进一步部署和技术发展将推动美国更接近这些激进的部署目标所需的大部分新装置，但新兴的光伏技术也可能能够支持它们。

钙钛矿 是一种很有前途的实验室规模光伏技术，在单结电池中实现超过25%的功率转换效率(PCE)，在钙钛矿/硅串叠层电池中实现超过29%的效率。这些效率结果，结合使用各种加工技术制造钙钛矿组件的高通量潜力，证明了钙钛矿半导体在下一代太阳能组件中的前景。然而，在钙钛矿光伏为电力行业市场做好商业准备之前，必须解决重大的技术挑战。在此期间，有必要谨慎行事，以避免其他薄膜光伏技术的命运，这些技术在解决技术经济挑战之前获得了大量资本投资，最终导致数百万美元的损失和投资者对薄膜光伏的警惕。本文主要讨论了美国能源部太阳能技术办公室对钙钛矿光伏产业化的看法：关键技术障碍、商业化陷阱和机遇，以及美国能源部太阳能技术办公室如何支持克服商业化障碍和挑战的努力。它还引用了美国能源部太阳能技术办公室资助的工作，这些工作展示了资助决策如何反映我们的整体战略。近期 美国能源部太阳能技术办公室资助项目的完整列表可在美国能源部太阳能技术办公室太阳能研究数据库中查看。

钙钛矿产业化的障碍       

美国能源部太阳能技术办公室将钙钛矿光伏产业化的主要技术障碍分为三类：稳定性和耐用性、组件效率（可扩展性）和制造（产量、过程控制等）。为了使钙钛矿光伏技术具有商业竞争力，其平准化度电成本(LCOE)必须在准备部署时与现有技术的平准化度电成本具有竞争力。这将是困难的，因为硅和CdTe光伏组件的成本逐年下降预计将持续到未来十年甚至更久。此外，金融机构必须愿意为使用商业钙钛矿光伏组件的项目提供资金，并且需要系统可靠性的证据。换句话说，钙钛矿技术需要变得可行。这些挑战的示意图如图 1 所示。

模块和电池耐久性     

耐久性是目前钙钛矿光伏最大的技术风险。要使平准化度电成本指标接近 美国能源部太阳能技术办公室2030年0.02 美元/kWh的目标，钙钛矿光伏必须持续运行至少20年。实现这一寿命需要提高钙钛矿承受各种环境条件的能力。为此，许多研究都集中在理解和减轻钙钛矿材料与氧气和/或水分的化学反应上。

除了环境耐久性之外，许多其他老化模式仍需要解决。由于封装技术——例如，带有边缘密封的玻璃/玻璃——可能会有效地排斥大气中的降解物，因此其他降解模式可能会导致几天到几个月的极早期模块故障。了解这些与制造和现场相关的退化过程并制定缓解策略至关重要。这些模式包括热降解、电位诱导降解(PID)、由串联电池遮蔽引起的反向偏压降解、钙钛矿和金属触点之间的（电）化学腐蚀,，钙钛矿和封装填料片之间的化学腐蚀，以及热循环时钙钛矿层的机械分层和开裂，这是由于钙钛矿和基板之间的热膨胀系数(CTE)不匹配而发生的。

对所有这些退化现象的基本和定量理解对于开发适应钙钛矿光伏组件故障模式的加速应力测试(AST)标准是必要的。国际电工委员会(IEC)加速应力测试序列是针对商业化光伏技术（Si、CdTe等）量身定制的，不太可能捕获钙钛矿模块相关的所有故障模式。现有的测试也可能过度或促进钙钛矿器件故障的不相关或非典型模式。美国能源部太阳能技术办公室已经发布了一些最低耐久性性能目标，如果这些目标得以实现，将为钙钛矿光伏器件已准备好进入初始生产阶段提供强有力的证据。这些目标使用IEC 61215（模块质量测试 (MQT) 10 UV预处理、MQT 11 热循环、MQT 13 湿热和 MQT 21 PID）和国际有机光伏稳定性峰会(ISOS)标准（ ISOS-L-2光浸泡测试）作为起点，直到为钙钛矿模块定制更有意义的国际认可的加速应力测试系列。值得注意的是，一些标准的加速应力测试，例如湿度冻结(HF)测试(IEC 61215, MQT 12), 不包括在这些初始目标中。虽然商业模块需要在现场部署之前进行这些测试，但标准HF循环测试将提供有关模块包装耐久性的更多信息，而不是材料或器件稳定性。

加速应力测试必须与标准户外部署测试相结合，以表明加速应力测试结果具有代表性和相关性。美国能源部太阳能技术办公室RFI性能目标结果具有商业实体应满足的IEC测试和现场部署稳定性测试的特定标注。室外测试本质上是缓慢的（因为没有加速因素），并且取决于累积部署时间和特定气候区。关于特定模块类型的耐用性的有意义的、可靠的结论需要在具有统计显著数量的模块的多个气候区进行数年的户外部署测试。鉴于这些缓慢的时间表，户外测试很难完成，但它们对于避免光伏市场灾难至关重要。识别与现场相关的降解模式并从根本上了解其物理和化学动力学对于建立对第一个商业模块耐久性的信任至关重要。如果这项工作没有严格完成，早期采用者可能会高估模块的耐用性并部署过早大规模失败的产品。这将导致重大投资损失以及投资者和消费者信心受到侵蚀，不仅在特定产品线，而且在整个钙钛矿技术领域。

作为一个类比，2010 年，一种基于三层共挤聚合物层 (“AAA”) 的新型背板材料被引入，作为传统硅太阳能电池板背板的低成本替代品。使用这种基于聚酰胺的背板生产的模块通过了IEC加速应力测试，但由于当时进行的加速测试没有探测到热机械应力，因此在现场使用5-10年后开始开裂。虽然硅模块制造商继续探索耐用共挤背板的替代化学物质（例如，用聚丙烯代替Nylon-12），但由于这种明显的失败，共挤背板技术的部署已经倒退了很多年。遭受重大财务损失和破产的公司。这些经验表明迫切需要在具有代表性的户外现场条件下测试新的模块技术。加速应力测试协议并不是数十年现场寿命的可靠证明；相反，它们充当基于已知现场故障模式的已建立模块技术的质量控制检查。因此，仅设计模块或模块组件以通过加速应力测试可能会导致过早的现场故障。

美国能源部太阳能技术办公室资助钙钛矿耐久性工作，以克服这些阻碍广泛部署的障碍。美国能源部太阳能技术办公室资助的工作涵盖基础研究和应用研究，以促进对内在退化的基本理解，同时检查与现场钙钛矿光伏组件最相关的退化模式。例如，美国能源部太阳能技术办公室支持旨在减轻光伏电池在水分和空气中，热应力和光，热机械应力，和油墨化学中出现的缺陷导致退化的项目。美国能源部太阳能技术办公室还资助了由桑迪亚国家实验室(SNL)和国家可再生能源实验室(NREL)共同领导的钙钛矿光伏商业化技术加速器(PACT)，以协调实地部署测试的工作。一旦完成初始规划和硬件设置任务，PACT计划开发标准化测试协议，以便可以在现场相关条件下直接比较不同模块的耐用性。通过将这些努力转化为适用的加速应力协议的开发，PACT将帮助建立可在全球范围内采用的测试标准，以评估给定钙钛矿模块设计对特定故障模式的敏感性。PACT还将建立户外测试和示范场，以确保他们的加速压力测试准确复制现场退化机制，并允许研究人员在现场验证他们的原型。

大面积器件效率

效率，通常被认为是钙钛矿光伏的优势，需要对大面积器件进行重大改进。实验室规模的钙钛矿光伏器件面积小于1 cm(2)（以下称为“点电池”）已在最优组分实现超过25%的认证器件效率。即使是次优的钙钛矿光伏器件也可以实现高效率。点电池在广泛的钙钛矿组分和从1.24 eV到1.7 eV 的带隙范围内以及柔性基板上实现了20%的效率。虽然不乏具有高效率的示范点电池，但大面积钙钛矿电池(>10 cm(2))的效率明显低于点电池，而且——也许更重要的是——远低于硅、CdTe和类似尺寸的铜铟镓硒 (CIGS) 光伏电池。提高大面积电池效率的研究对于提高钙钛矿模块的技术准备水平至关重要。     

对于钙钛矿-硅串联叠层技术，证明这种准备就绪的合理标准可能是在M6(274.15 cm(2))或M10(399.98 cm(2))电池形式的>500 cm(2)微型模块中实现27%的效率。鉴于标准化制造设备、模块组件和系统平衡成本（如安装标准化、机架/安装）的好处，钙钛矿-硅串联叠层技术应遵循标准硅制造技术的进步。对于仅钙钛矿的电池结构，当组装成孔径面积大于500 cm(2) 的示范微型模块时，大面积（≥125 cm(2) ）电池应实现单结器件18%的效率和全钙钛矿串联叠层器件24%的效率。     

此处所述的效率目标来自美国能源部太阳能技术办公室发布的一份报告 ，该报告详细说明了钙钛矿光伏产品在商业化道路上的目标。这些目标是根据最近的信息请求(RFI)收集的学术界意见制定的。为加速实现这些目标并应对关键的放大挑战，美国能源部太阳能技术办公室资助了涉及开发全钙钛矿串联叠层模块、钙钛矿-硅串联叠层模块和钙钛矿单结模块的项目。传统和双面外形尺寸。     

虽然钙钛矿技术的标准化电池和模块外形尺寸尚未最终确定，但商业化实体之间的合作以识别和实施全行业标准将是扩大整个行业超越初始示范项目的关键先决条件。为了鼓励行业标准化和交流，美国能源部太阳能技术办公室促进学术界、国家实验室和工业界之间的密切合作。这些合作带来了不同的观点和专业知识来解决常见问题，加速学习周期，并促进知识和技能的转移。PACT和美国先进钙钛矿制造(MAP)联盟等行业联盟允许公司在这个新兴行业中连接和分享最佳实践。

制造       

钙钛矿光伏组件必须克服的商业化的最后一个主要技术障碍是实现足够高的产量，组件效率分布窄。与工艺控制和制造良品率相关的障碍往往被低估，钙钛矿太阳能电池尚未在实验室中展示出广泛的工艺灵活性。薄膜沉积过程中环境温度的微小波动、前体摩尔比的微小变化、甚至油墨储存时间都会显着影响效率。这与锡基钙钛矿&锡铅混合钙钛矿特别相关，它们对即使是少量的氧气和轻度氧化溶剂也极为敏感。具有成本效益的沉积工艺将需要容忍诸如沉积工具条件（线速度、进料压力、空间不均匀性等）、沉积环境（干燥空气、灰室制造环境等）等因素的微小变化和油墨组合物。这些工艺还需要生产具有一致、窄效率分布和超过95%的生产线良率的模块。为了实现高通量加工，油墨配方可能需要数周的保质期（配方和沉积之间的时间）和数小时至数天的工作时间（制造期间使用的时间）。否则，可能需要严格监控前体溶液的老化时间和/或经常更换它们，这两者都会增加制造成本。过程稳健性不能仅仅通过对效率结果的简单统计分析来表征；必须通过结构化实验（例如实验设计方法）和严格的流程改进/风险管理方法（例如统计流程控制）对其进行大力测试。美国能源部太阳能技术办公室在其整个投资组合中强调钙钛矿项目的过程控制，确保性能或效率的变化从过程的角度来看具有统计意义和稳健性，同时为工艺的开发提供资金，这些过程在扩大规模时可能天生更容易控制。

可融资性       

钙钛矿光伏技术以低利率获得投资者融资的能力，也称为可融资性，可能比钙钛矿光伏商业化面临的技术挑战更为重要。规模化生产线和部署项目需要融资。可融资性与融资者对 (1) 技术挑战已解决，(2) 融资资产的运行时间足够长以提供预期的投资回报，以及 (3) 产品故障和保修索赔的责任直接相关低。     

很难量化新的光伏技术不符合使用寿命承诺或要求（其目标是电力部门部署的光伏系统寿命超过20 年）的风险，特别是在没有大量不同气候条件下的历史现场数据的情况下。这种耐久性风险和不确定性一直是决定新薄膜光伏公司成败的主要因素之一。在钙钛矿薄膜光伏中，在评估部署基于钙钛矿的项目的环境影响及其报废管理时，铅的存在可能需要额外的尽职调查。可能需要进行环境健康和安全调查，以确保铅不会从模块中渗出，并且可能需要强有力的回收/回收计划来防止填埋模块造成的土壤污染。这个问题并非钙钛矿光伏所独有。州和联邦政府机构正在审查硅和CdTe模块中潜在危险材料的报废程序和法规，这主要是由于硅模块的焊料中存在铅和CdTe中的镉。然而，铅管理是钙钛矿光伏商业化需要克服的障碍。   

确保满足可融资性和耐用性标准是美国能源部太阳能技术办公室的首要任务。美国能源部太阳能技术办公室在NREL资助可靠性研究方面有着悠久的历史。在美国能源部太阳能技术办公室资助的耐用模块材料联盟 (DuraMAT) 和SNL和NREL的持续核心研究计划的支持下，美国能源部太阳能技术办公室的资金帮助维护和开发了开发人员广泛使用的可靠性标准，以验证商用硅的预期现场寿命和CdTe模块。同样，美国能源部太阳能技术办公室为帮助投资者和开发商做出有关钙钛矿投资和部署的更明智、数据驱动的决策提供资金。 PACT联盟为钙钛矿模块开发标准化测试协议和将加速降解机制与观察到的现场降解模式相关联的户外测试的工作将有助于降低初始商业钙钛矿模块的风险。此外，为商业原型模块提供演示场将使公司能够在实际测试环境中部署产品，而无需外部财务投资。这为公司提供了增加投资者对其技术的信心的机会。最后，PACT还将为钙钛矿公司提供可融资性路线图和成员工程和评估公司的评估，以便初创钙钛矿组件制造商可以快速从成熟的项目开发商那里获得反馈和验证。美国能源部太阳能技术办公室还支持点电池退化的预测机器学习模型、铅隔离模块、和用于扩大制造的机器学习模型等领域的工作，旨在降低安装项目的风险，最大限度地减少材料损失，并降低基于钙钛矿模块的设备成本。     

钙钛矿仍然面临的重大技术和经济挑战使得千兆瓦级部署的最终可能性和时间表变得不确定。与主流光伏市场相比，可以支持更高的每瓦成本和/或不同的耐用性要求的一些滩头技术空间（例如，运输、建筑集成光伏、军事行动、航空航天、物联网）可能使钙钛矿进入这些领域在未来几年，领先于电力行业市场。尽管如此，在充分解决该观点中详述的制造业务的技术问题和经济可行性之前，电力部门的部署将不切实际。此外，扩大该行业的规模还需要大量资金，只有在投资者和金融家对钙钛矿制造商的盈利能力和钙钛矿模块技术的长期耐用性有信心的情况下，才能实现这一目标。期望快速投资回报（即在典型的8至10年基金生命周期内）的风险投资，受压力下公司通常善意但可能过于乐观的承诺的推动，可能会导致早期商业化前景的失败实体。   

过早的破产可能会导致投资者精疲力竭和对钙钛矿技术领域的大规模解雇，就像他们在2000年代初对CIGS光伏做的那样。CIGS领域所犯的错误对钙钛矿业界来说是一个很好的教训，因为CIGS器件本质上是稳定的，并且适用于具有与晶体硅或CdTe具有竞争力的成本结构的大批量制造工艺。阻碍CIGS技术实现的几个因素：面板制造商之间缺乏合作；缺乏标准化；对经济可行性和可制造性的评估不足；行业的分散化和对差异化的不必要关注，阻碍了行业在设备和原材料供应链领域利用规模经济；对实现小批量和大批量生产所需的资源（主要是时间和资金）提出不切实际的期望。钙钛矿行业的可持续发展取决于避免这些陷阱，并且需要耐心和谨慎的投资，这与将该技术应用于产品所需的时间表和进展幅度相对应。       

美国能源部太阳能技术办公室计划可以通过向有前途的早期商业实体提供非稀释性资本并为投资回报留出更多时间（相对于外部私人资本）来支持钙钛矿光伏领域的可持续投资。外部私人资本通常带有提供投资回报的时钟，而美国能源部太阳能技术办公室编程的主要目标是延长时钟开始滴答作响之前的时间。通过非稀释性融资，初创公司创始人可以在早期阶段保留对其公司的更多股权控制权，从而在以后的融资中提供更大的灵活性。这些股权稀释考虑对所有初创公司都很重要，但对于来自弱势和低收入或中等收入业界的创始人尤其重要，他们在最初阶段的“朋友和家人”融资轮次中可能拥有较少的联系和获得资本的机会较少。美国能源部太阳能技术办公室的计划在公司和创始人的早期阶段为他们提供支持，并为可以投资更成熟技术的投资者降低风险。     

美国能源部太阳能技术办公室通过不同的项目支持了处于不同发展阶段的各种钙钛矿初创公司。这些公司包括Beyond Silicon、BlueDot Photonics、CubicPV、能源材料公司、First Solar、GVD Corporation、Nanosonic、nTact、Optigon、Swift Solar和Tandem PV。为了增加从事钙钛矿商业化工作的公司的多样性，美国能源部太阳能技术办公室推出了钙钛矿创业奖，为新公司（2020 年 10 月 16 日之后成立）提供种子资金。更成熟的初创公司有资格获得由科学办公室和美国能源部太阳能技术办公室和竞争力团队联合开展的小企业创新研究 (SBIR) 资助计划。   

鼓励在产品开发周期中走得更远、更接近试点制造的初创公司通过美国能源部太阳能技术办公室的孵化器计划申请资金。自 2007 年以来，孵化器一直专注于根据技术的发展阶段，通过研发项目或示范和商业化来降低风险。从事面向一般业界利益的工作的初创公司可以从光伏研发中的传统融资机会公告 (FOA)中获得奖励。最后，对于高风险、为期一年的研究项目，美国能源部太阳能技术办公室颁发极具竞争力的太阳能小型创新项目(SIPS)奖项。       

虽然挑战很大，但机遇也很大。钙钛矿光伏有潜力发展成为一种用于电力部门部署的高效、低成本组件技术，其吞吐率和能源回收时间优于最先进的光伏技术。光伏产业的新技术也可以帮助供应链多样化，降低风险，以实现各国在气候变化缔约方会议上设定的积极的光伏部署目标。具有经济竞争力且能源投资回报率短的钙钛矿模块可以推动太阳能光伏在公用事业部门的更大部署，并有可能在社区太阳能和住宅太阳能部门更公平地获得分布式太阳能发电。     

然而，钙钛矿光伏技术的成功绝非必然。现在是钙钛矿业界成员追求基础和应用研究以更好地使他们的研究目标与钙钛矿光伏的广泛技术需求和缺点相协调的时候了。根据这一目标，美国能源部太阳能技术办公室为研发提供稀释/激进/高风险启动资金来源的替代方案，着眼于(1)技术准备和相关商业目标，以及(2)保持适合当前的时间表预期的技术开发钙钛矿光伏技术成熟度。美国能源部太阳能技术办公室认为，现在是有意义地增加器件尺寸、展示相关户外耐用性和使工艺稳健的时候了，以确保钙钛矿光伏的巨大前景得以实现。

原文：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.2c00698

■ 声明｜部分素材源自网络，如涉侵权，请联系我们处理。