效率进展到34.6%！钙钛矿/硅叠层电池制备工艺与产业化应用解析

钙钛矿/硅叠层太阳能电池通过突破单结电池效率极限，成为提升光伏系统可持续性的重要路径。尽管其运行阶段零排放，但全生命周期仍面临材料毒性、稳定性及回收处理等环境挑战。本文聚焦该技术的生命周期评估与可持续性特征，结合美能QE量子效率测试仪对光谱响应的精准测量，系统分析其结构设计、效率进展、环境影响及经济性，协同解决效率、稳定性与环境兼容性问题，为未来光伏技术的可持续发展提供支撑。

钙钛矿 / 硅叠层太阳能电池概述

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(a)N-I-P型和P-I-N型钙钛矿/硅叠层太阳能电池示意图；(b)钙钛矿顶电池和c-Si底电池的光谱响应；(c)叠层电池截面SEM图像、钙钛矿顶电池和硅背面织构的放大图；(d)钙钛矿/硅叠层太阳能电池的效率发展历程

结构及工作原理

钙钛矿 / 硅叠层电池通常由钙钛矿顶电池和晶硅底电池构成。从光谱吸收特性来看，钙钛矿顶电池的宽带隙（1.7-1.8 eV）使其能高效吸收并转化高能光子（短波长光），而单晶硅底电池（1.12 eV）则负责捕获并转化低能光子（长波长光），从而减少热化损失和光谱损失。两种电池通过串联或并联方式连接，需要精确的电流匹配以优化整体性能。

材料体系

p-i-n 型钙钛矿顶电池由空穴传输层（HTL）、钙钛矿光吸收层、电子传输层（ETL）、透明导电氧化物（TCO）层及金属栅极构成。目前效率最高的钙钛矿 / 硅叠层电池，其底电池多采用 TOPCon 或 HJT 结构的单晶硅电池，这类底电池表面具有高度为1-3μm的金字塔织构，可显著提升光吸收效率。

效率进展

近年来技术发展迅速：2018年实现20.56 mA/cm²的短路电流-2024年效率记录达到34.6%。制备工艺从溶液法发展到蒸发法、混合法，改善了织构表面的覆盖性和电池性能。这些成果充分体现了钙钛矿 / 硅叠层电池的快速发展潜力。

生命周期评估与环境影响

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钙钛矿/硅叠层太阳能电池闭环回收过程示意图

(a)回收硅底电池的流程示意图；(b) 叠层太阳能电池回收与再制造过程示意图；(c) 重新制造的叠层器件截面SEM图像；(d) 新制备的和重新制造的叠层器件的J-V曲线和EQE（外部量子效率）光谱

(a) 玻璃和PET基底上钙钛矿薄膜的总铅浓度；(b) 玻璃和PET基底上钙钛矿薄膜的TCLP（毒性特征浸出程序）铅浸出浓度； (c) 斑马鱼养殖10天后的铅含量；(d) 不同生长条件下斑马鱼在10天内的存活率；(e) 添加与未添加FAPbI₃的斑马鱼生长状态；(f) 不同钙钛矿材料浓度下软骨细胞的具体死亡率数据；(g) 不同条件下萝卜样品中的铅浓度；(h) 不同时间点拟南芥的发芽率

评估方法

生命周期评估（LCA）采用ISO 14040和14044标准框架，包含目标与范围界定（明确评估目的与参数）、生命周期清单分析（LCI，收集能量、材料输入及环境排放数据）、生命周期影响评估（LCIA，基于清单数据分析潜在环境影响）、结果解释（分析结论以指导决策并识别改进方向）四个阶段。参考IEA PVPS指南确保评估的一致性和可信度。

环境影响分析

材料阶段：硅片生产能耗高（~3534 MJ/m²），是全球变暖潜能（GWP）的主要贡献者。钙钛矿顶电池制造能耗较低（188 MJ/m²），但电力来源影响其碳足迹。

铅使用问题：钙钛矿中含铅约0.4 g/m²，虽低于RoHS限值，但TCLP测试显示铅浸出量超美国EPA标准，需要特殊处理。

化学物质管理：制造过程中使用的有毒溶剂（如 DMF）需要妥善管理，推荐采用DMSO 、乙醇等低毒替代品。

废弃处理：高效的报废（EOL）管理是降低钙钛矿 / 硅叠层电池环境影响的关键。通过高效回收硅与钙钛矿材料，可实现关键组件的回收利用并减少废弃物；回收技术的进步与闭环系统的建立，能进一步提升叠层电池技术的可持续性。

对比分析

与单结c-Si电池相比，钙钛矿/硅叠层电池因效率更高，具有更短的能量回报时间（EPBT）和更低的单位发电量环境影响。但每块组件的绝对环境影响可能更高，需要通过提升效率和寿命来补偿。

电池的可持续性分析

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(a) 图4中所有钙钛矿-硅叠层概念的总模块每峰瓦成本（Wp）与传统PERC单结参考电池的比较（左侧）；(b) 平准化度电成本（LCOE）比较；(c) 模块寿命；(d) 效率的敏感性分析

(a) 显示钙钛矿光伏生产可能路径的LCA系统边界示意图；(b) 溶剂的五维属性图，填充度越高表示商业化潜力越大

经济性评估

钙钛矿/硅叠层电池的制造成本受材料、工艺和规模化程度影响。分析表明，当效率超过26%、成本控制在90-150 USD/m²且稳定性与c-Si相当时，该技术具备市场竞争力。LCOE分析显示叠层电池可低于单结c-Si电池（5.22 vs. 5.50 US cents/kWh），但年降解率需控制在1-3%以内。

毒性分析与管理

铅管理策略：采用环氧树脂封装、EVA薄膜等技术可减少铅泄漏；化学回收可实现99.2%的铅回收率。

无铅替代：锡基钙钛矿毒性较低但效率不足，且锡本身也有环境风险。

绿色工艺：推荐使用DMSO、乙醇等低毒溶剂，降低制造过程的环境和健康风险。

挑战与展望

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技术挑战

稳定性与耐久性：需要改善钙钛矿材料对湿度、氧气、高温和紫外线的耐受性。

界面优化：优化电荷传输层与钙钛矿/c-Si的界面，减少复合损失。

材料可持续性：确保关键材料（如银、铟）的可持续供应和循环利用。

政策支持

需要建立完善的政策体系，包括研发支持、回收标准制定、财政激励等措施，推动钙钛矿/硅叠层电池的商业化进程。消费者教育和示范项目也将促进市场接受度。

循环经济

发展闭环回收设计、材料再利用技术和行业协作机制，是实现光伏产业可持续发展的重要途径。钙钛矿和硅的高效回收技术仍需进一步研发。

钙钛矿/硅叠层太阳能电池在提升效率和降低环境影响方面具有显著潜力，但仍面临稳定性、毒性管理和回收等挑战。通过材料创新、工艺优化、政策支持和循环经济策略，该技术有望成为未来可持续能源系统的重要组成部分。未来研究应聚焦于长寿命设计、无铅材料、绿色制造和全生命周期管理，以推动其商业化进程。

美能QE量子效率测试仪

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美能QE量子效率测试仪可以用来测量太阳能电池的光谱响应，并通过其量子效率来诊断太阳能电池存在的光谱响应偏低区域问题。它具有普遍的兼容性、广阔的光谱测量范围、测试的准确性和可追溯性等优势。

兼容所有太阳能电池类型，满足多种测试需求

光谱范围可达300-2500nm，并提供特殊化定制

氙灯+卤素灯双光源结构，保证光源稳定性

美能QE量子效率测试仪通过对钙钛矿顶电池和硅底电池光谱响应的精准测量与分析，为叠层结构的光学匹配和电流平衡提供了关键数据支撑，显著提高了太阳光谱的利用效率和整体光电转换性能。

原文参考：A review of life cycle assessment and sustainability analysis of perovskite/Si tandem solar cells

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