（真空镀膜机手套箱）全世界都在升温的钙钛矿，日本却衰退了？

钙钛矿电池研发升温

光电转化率一直提高

一直以来，电池转化效率都是影响太阳能发电效率的主要因素，鉴于钙钛矿的复合氧化物具有独特晶体结构，可显著提高太阳能电池效率，围绕钙钛矿展开的太阳能电池研发如火如荼。6月22日，新加坡国立大学研究团队宣布，其在有效面积为1平方厘米的钙钛矿太阳能电池板上实现了24.35%的转换效率，打破此前23.7%的世界纪录。当前大部分太阳能电池板采用传统硅基和碲化镉薄膜，前者只能吸收太阳光谱中的一小部分，后者成本过高且会给环境带来负面影响。

而作为一种新型吸光材料，钙钛矿以高效率、低成本、低能耗、多应用场景等优势被视为太阳能电池最具潜力的材料选择。由钙钛矿制成的电池具有更高吸收系数，可以在阳光光谱上捕获更大范围的光子能量，从而提供更多能量。

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钙钛矿电池生产比硅电池更具可持续性。去除硅中杂质需要高温和大量能量，会产生大量碳排放，对尺寸还有一定要求；而钙钛矿电池非常薄，可以涂漆或喷涂在表面，生产成本相对较低。斯坦福大学分析显示，钙钛矿组件制造成本仅为每平方英尺0.25美元，而同等条件的硅组件制造成本约为每平方英尺2.5美元。

钙钛矿电池不仅可以用于室外太阳能电池板，还可以用于室内物联网电源设备，即使在弱光照下也能工作。相较于标准商用硅基电池21%的效率，目前仅以钙钛矿为基础的实验室钙钛矿电池效率已经达到25.7%，而与硅结合的钙钛矿-硅串联电池效率甚至高达31.25%。

用硅材料效果更好

商业化依然任重道远

美国太阳能设备制造商自2019年以来一直在开发钙钛矿-硅串联电池，其由底部硅层和顶部钙钛矿层组成，效率可达30%：“我们的优势在于低成本制造方法，使得产品具有经济性。钙钛矿电池可以从太阳中提取更多能量，相信未来10年，整个行业都将转向串联。”

英国钙钛矿太阳能电池制造商也在生产钙钛矿-硅串联电池，并声称自己的串联电池效率可达28%，接下来将开发一种效率达37%的多层电池。牛津光伏公司表示，因为串联电池提供更高的能量密度，最初价格将高于传统硅基电池，但从整个使用寿命期间来看，其颇具经济效益。加州理工学院也致力于将串联电池商业化,目前正在与硅基组件公司合作，在传统组件上添加一层钙钛矿玻璃，以将效率提高30%或更多。

不过，钙钛矿电池在进入市场之前，还面临成本、耐用性和环保性的挑战。澳大利亚太阳能电池研究员表示：“最大问题是钙钛矿-硅串联电池是否具有商业可行所需的稳定性。根据公开数据，这种串联电池即使被仔细封装，也只能在户外保存几个月。”对此，牛津光伏公司首席技术官表示，其钙钛矿-硅串联电池示范版本通过了预测太阳能组件使用寿命的加速压力测试，设计寿命可达到25年至30年。

欧洲钙钛矿科技公司于去年对其封装、半透明独立钙钛矿模块展开可靠性测试。测试结果表明，如果部署在室外，这些电池可以使用长达25年。值得一提的是，美国最大太阳能公司第一太阳能日前以3800万美元价格收购了Evolar公司，旨在助推其钙钛矿电池技术商业化。

目前，全球多家企业都在尝试钙钛矿电池商业化生产。今年初，日本积水化学工业株式会社和日本电信电话株式会社子公司NTT Data在东京和大阪建筑物外部安装了钙钛矿电池，旨在通过一年时间测试其性能；松下公司则发明了一种喷墨打印机，可以打印出各种尺寸和形状的不透明钙钛矿电池，可安装在窗户、墙壁、阳台和其他表面的普通玻璃上。

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日本桐荫横滨大学光电化学与能源教授表示，到2030年，预计以钙钛矿为基础的电池将占太阳能电池市场一半以上。

占比还没到一半以上

日本钙钛矿就衰落了？

近日，日本经济产业省相关官员在访问企业时提出，将致力于支持本国发展钙钛矿技术。根据日本政府的计划，到2030年，光伏发电将占其总电力需求的14%至16%，这意味着日本必须在不到10年的时间内将光伏发电量翻一番。因此，日本正积极布局下一代光伏电池研发生产。然而，业界普遍认为，产业集成、管理层决心、安装场景等诸多问题正制约着日本光伏产业发展。

日本作为较早开发光伏的国家之一，相关扶持政策要求电力公司以高价收购太阳能等可再生能源所发电量，带动入局光伏产业的企业数量迅速增加。本世纪初，日本的夏普公司曾占据全球光伏组件市场份额首位，京瓷、松下和三菱电机等其他公司也跻身前五名。但在2010年前后，日本企业在全球市场的份额开始逐渐下滑。近年来，日本光伏组件制造企业更是萎缩加剧，不断有企业退出光伏组件生产制造领域，其中不乏出光兴产和松下这样曾经实力雄厚的企业。

此外，日本大量光伏电池板将在2030年前后达到使用寿命。据日本环境省估计，从现在起到2040年，每年报废的光伏电池板将达80万吨，约为现在报废量的200倍。换新需求水涨船高，日本却只剩下京瓷和夏普两家制造商，这意味着日本未来对进口光伏组件的依赖度将不断提高。同时，由于产业链不完善，报废面板的回收处理工作也成为难题：“光伏组件有很强的商品属性，实现规模经济效应对光伏组件生产尤为重要。同时，光伏组件的价格也逐年下降。日本企业由于在规模经济方面处于劣势，很难扭转市场占有率低的现状。”

安装场景是最大限制

日本钙钛矿能翻身吗

分析日本光伏产业衰落的原因，由于生产规模难以扩大，导致日本企业在硅料采购等方面的成本竞争力下降。“如果这些公司经营层能够下定决心，那也许现在日本光伏产业的面貌就会全然不同。与此同时，安装场景也是限制日本光伏发展的因素之一。作为几乎没有平地的岛国，日本适合光伏发电的土地少之又少。据国际能源署统计，日本平地的单位面积光伏发电容量居世界首位，但装机容量增长率却逐年下降。这表明适合地点的光伏利用率已经到极限，可开发的地点已经所剩无几。为此，日本在今年提高了屋顶光伏的发电收益，规定电力公司收购屋顶光伏发电的价格相比平原或山区要高出20%，用以鼓励企业在利用率较低的工厂和仓库屋顶安装光伏板。

钙钛矿高转化率、适用于建筑的特性也吸引了日本积极布局，试图借此扭转其在光伏领域的颓势。据了解，钙钛矿电池最初由日本桐阴横滨大学研发，作为人造晶体的钙钛矿主要原料为碘，日本有可能通过含碘的地下水实现原料自我供应。这对正着力加强原材料供应链的日本来说是需要重点布局的领域，钙钛矿正是满足其“能源自给”设想的选择。

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“很多国家在晶硅光伏电池上已经失去竞争力，所以，日本和欧美国家认为钙钛矿是一个重要机会。”范斌表示，“钙钛矿的制造设备和电池面板行业有极大相关性，而面板行业主要集中于中国，因此中国发展钙钛矿有着先天优势。”相反，在面板行业已近乎消失的日本，产业集群优势缺失正严重阻碍其钙钛矿电池的生产研发。

钙钛矿商业化难题

薄膜涂层是一个选项

钙钛矿电池在进入市场之前，还面临成本、耐用性和环保性的挑战：“最大问题是钙钛矿-硅串联电池是否具有商业可行所需的稳定性。根据公开数据，这种串联电池即使被仔细封装，也只能在户外保存几个月。”如果钙钛矿-硅串联电池示范版本通过了预测太阳能组件使用寿命的加速压力测试，设计寿命可达到25年至30年。

欧洲钙钛矿科技公司去年对其封装、半透明独立钙钛矿模块展开可靠性测试。结果表明，如果部署在室外，这些电池可以使用长达25年。他们利用独特的蒸发技术涂覆钙钛矿薄膜层，可实现以最低成本将电池能量提高25%。同时，该公司还在开展钙钛矿电池生产线的商业化推广，该生产线可以无缝集成到硅生产线中，作为串联电池生产升级。

钙钛矿几个工艺

真空镀膜最为重要

在太阳能电池的生产中，镀膜、刻蚀、封装是三大核心工艺环节：

镀膜：钙钛矿的制备工艺与其他薄膜电池类似，需要通过溶液涂布法、溶液喷涂法、气相沉积法等方式，制备高纯度、缺陷少、高覆盖率、致密的钙钛矿层薄膜与传输薄膜，以改善不同层结构之间的电学接触，减少传输过程中的损耗，实现高的电池转换效率。

刻蚀：通过多道激光刻蚀，可以构建钙钛矿电池中的电路结构，把多个钙钛矿电池串联成组件。

封装：目前的封装技术采用了类似晶硅的技术，主要是替换掉原本晶硅用的EVA胶膜，因为EVA是聚醋酸乙烯酯，它的聚合不可能100%完成，里面一定会存在醋酸的残基，而醋酸会跟胺类反应成氨基酸，所以从原理上EVA不可用在钙钛矿，钙钛矿主要用POE材料。

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无论是哪种太阳能，都离不开表面镀膜：目前所有的技术方法，都不能很好的解决镀膜膜层均匀性的问题。喷涂法镀膜过程中，喷中心镀膜液富集多，造成花斑；表面刻蚀法因压花玻璃表面成分难以均一，导致刻蚀反应的速度不一致造成膜厚不均匀；即使均匀性辊涂法，受制于玻璃厚薄差、辊道传输抖动等多种因素的制约，也难以达到高精度的一致性。在镀膜均匀性无法进一步提高的情况下，其结果一方面造成组件的色差影响外观，另一方面由于镀膜玻璃各区域透光率不一致造成热斑效应，影响组件的耐久性。

针对这一问题，在制备太阳能电池时，一般是需要使用真空镀膜手套箱的：由真空镀膜系统和真空手套箱系统集成而成，可在高真空蒸镀腔室中完成薄膜蒸镀，并在手套箱高纯惰性气体氛围下进行样品的存放、制备以及蒸镀后样品的检测。在手套箱氮气环境里里旋涂钙钛矿前驱液，避免接触水和空气，可以直接通过连接藏舱将制备好的钙钛矿电池传到蒸发舱里，蒸发电极，全程实验都可以做到无水无氧的环境下操作。

方腔室自动门热蒸发镀膜机嵌入手套箱内，配套膜厚仪，分子泵，机械泵，4个蒸发源，合理的蒸发源布局，保证每个蒸发源到基片的距离完全一样，提高了成膜质量和均匀性；整套系统由真空镀膜系统和手套箱系统集成而成，可在高真空蒸镀腔室中完成薄膜蒸镀，并在手套箱高纯惰性气体氛围下进行样品的存放、制备以及蒸镀后样品的检测。主要用于太阳能电池钙钛矿、OLED和PLED、半导体制备等实验研究与应用。

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