去年9月，英国太阳能制造商牛津光伏（OxfordPV）完成首批钙钛矿-硅叠层太阳能电池的商业订单交付，此举被业界誉为一次重大突破。该事件标志着全球历时15年研发的这种兼具轻量化与多功能特性的新材料取得阶段性成果，其性能潜力有望超越传统硅基太阳能电池。但此后迟迟未见后续出货的情况表明，该技术尚未完全具备大规模商业化条件。
核心问题在于：钙钛矿技术迟迟未能实现规模化市场应用，导致其成本竞争力始终不及成熟的硅基太阳能电池。从2009年首篇钙钛矿太阳能电池论文发表，到2024年实现首次商业出货，硅基太阳能电池的制造成本已从每瓦2.11美元大幅下降至0.2美元。这一价格下跌主要得益于东南亚地区产能的大幅提升。
当前，美国对东南亚国家硅基太阳能电池组件征收的高额关税，或将为钙钛矿制造商创造竞争优势。美国商务部4月21日作出最终裁决，对马来西亚、柬埔寨、泰国和越南的太阳能企业征收最高达3400%的惩罚性关税。此项裁决源于一项长期反补贴反倾销调查，调查发现中国企业为规避既有关税，将产能转移至上述四国。如果今年6月再获美国另一机构最终确认，该关税将在现有对东南亚太阳能组件进口税基础上叠加征收。
然而，此类反倾销关税并不适用于钙钛矿等薄膜光伏产品。这对太阳能开发商而言或许是利好消息，但他们必须迅速采取行动——钙钛矿产品上市周期越长，市场格局变数越大。然而，该领域部分研究人员仍执着于突破功率转换效率纪录，某些钙钛矿电池的转换效率已达27%。这些成果或许能助推论文登上高影响力期刊，却对钙钛矿技术的商业化落地助益甚微。
许多研究人员指出，当前不应再追求效率的渐进式提升，而应将重点转向扩大生产规模并延长电池寿命。这意味着需要开发新的制造工艺，在保证器件高质量的同时实现低成本生产。
这一目标的实现绝非易事。要在降低加工成本的同时延长电池寿命并保持较高的转换效率，需要投入大量研发工作。如果学术界与产业界的研究人员通力合作，这一制造难题的解决速度或将超出人们的预期。
钙钛矿太阳能电池是由有机离子、金属和卤素组成，这些成分形成的特殊晶体结构具备很强的可塑性。通过优化材料配比，钙钛矿在光电转换效率方面有望超越硅基材料：其理论效率极限可达34%，而硅基电池仅为32%。更值得注意的是，钙钛矿仅需极薄的材料层即可实现这一性能，这使得柔性太阳能电池、曲面光伏组件、室内光伏装置及太阳能窗户等创新应用成为可能。
钙钛矿材料还可堆叠在硅基光伏电池的上边，以提升性能。目前钙钛矿-硅叠层太阳能电池的转换效率纪录已达34.6%，较最优性能的硅基电池显著提升7个百分点，这一突破令人瞩目。
然而，低成本制造高质量钙钛矿材料的工艺仍面临重大挑战。加工过程中暴露于空气和潮湿环境会损害其初始性能，并导致材料随时间推移而退化。这一技术瓶颈迫使研究人员必须在高度受控的环境中完成组装工序。
在受控环境中，钙钛矿太阳能电池的制备主要有两种工艺。成本较高的气相沉积法需在真空条件下使钙钛矿材料蒸发或汽化，随后沉积成薄膜。这种工艺制备的薄膜质量优异，缺陷率低且转换效率稳定。但此方法设备投入成本高昂，且需要严格的维护措施和极高的环境控制要求。
另一种工艺则采用更为简便且成本低廉的喷墨打印或喷涂沉积技术。这类溶液法工艺先将钙钛矿材料溶解于前驱体溶液（或称“墨水”）中，然后直接涂覆于目标基板表面。过去十年间，正是凭借该工艺的简易性，研究人员得以快速提升钙钛矿性能。然而，此类技术也同时面临着可能造成大量污染和产品缺陷等问题。
无论采用哪种工艺路线，要制备高性能钙钛矿电池，通常都需在实验室手套箱等受控环境中完成制造流程。该设备通过抽除氧气和水分并充入氮气等惰性气体来营造适宜的生产环境。然而，环境控制要求的提升将直接导致生产成本攀升。
部分手套箱可将内部氧气和水分含量控制在百万分之一（1ppm）以下。但这类系统的安装和维护成本高昂——需要配置复杂的过滤循环系统和鼓风系统来抽排废气，经净化后再循环输入系统。这些过滤器和控制系统需定期维护更换，进一步推高维护成本。仅ppm传感器的价格就高达数千美元。
此类维护成本必然随生产规模扩大而递增。受控环境空间越大，需过滤的空气量就越多，维持严格环境控制的难度也随之提升。这就要求配置功率更大的风机、尺寸更大的过滤器。若系统暴露于空气中，重新恢复运行状态将耗费更多时间和资金成本。
面对这些挑战，太阳能开发商正尝试不同的钙钛矿器件制备方法，特别是在大规模生产方面。例如，英国达勒姆的PowerRoll公司正在开发柔性太阳能组件，目前采用溶液法进行制备，同时也在评估其他技术方案。该公司高级科学家内森·希尔表示：“我们一直在与产业界和学术界的合作伙伴保持协作，以确保始终掌握最前沿的制备技术。这使我们能够同时拥有真空工艺和溶液工艺两种技术路线。”
总部位于英国牛津的牛津光伏公司（OxfordPV）尚未披露其首批商业化出货的钙钛矿-硅叠层组件所采用的制备工艺。在2018年的一次采访中，公司联合创始人亨利·斯尼思曾暗示，可能采用气相沉积路线，他表示：“气相沉积电池的研发进度将快于溶液法制备的电池。”
多家制造商表示，完全惰性环境（ppm值极低）的生产工艺并不适合大规模制造。为此，业界正探索创新方法来简化制备流程。PowerRoll公司的希尔指出：”虽然我们认同惰性环境对实验室规模生产有益，但通过与合作伙伴的共同实践发现，控制温度和湿度才是调控钙钛矿晶粒生长的关键因素。我们已在非惰性环境下取得了显著成果。”据加州圣何塞的钙钛矿创新企业TandemPV公司发言人透露，该公司同样在非惰性环境下采用溶液法制备钙钛矿层。
随着制造商持续开展工艺试验，研究人员也应重新审视钙钛矿太阳能电池的研发目标。一般而言，环境惰性程度越高，电池性能表现越优异。但实际生产中，这些电池究竟需要达到多高的性能？这些环境又需要保持多高的惰性程度？是否存在一种折中方案，即在环境部分受控的条件下，也能制备出性能达标的钙钛矿材料？
我与Ossila（英国科研仪器公司）的同事们已经验证过，三阳离子混合卤化钙钛矿材料具备相对较强的稳定性，可在仅维持湿度为15ppm、氧含量为0.5%（即5000ppm）的手套箱环境中稳定制备。这种条件下制备的钙钛矿太阳能电池，其光电转换效率可达到与高端手套箱中制备的器件相当的水平，分别为19.2%和19.7%。效率接近19%的钙钛矿电池已经具备与主流硅基太阳能技术竞争的潜力（目前硅基太阳能电池的转换效率大致在13%至23%之间，具体取决于电池类型）。由于钙钛矿材料最适用于硅基材料无法胜任的应用场景，或作为硅基器件的补充，我们认为这一研究成果具有重要意义。
我们还发现，即使在环境空气条件下采用溶液法工艺制备相同的三阳离子混合卤化钙钛矿材料，所制备的器件仍具备良好的性能。实验中表现最佳的器件，其光电转换效率达到17.6%，这一结果表明，采用空气环境下工艺制备高性能钙钛矿太阳能电池仍具有可行性与发展潜力。
许多学术研究人员也在尝试在非手套箱环境下制备钙钛矿太阳能电池。近期发表在《自然-通讯》（NatureCommunications）上的一项研究，介绍了一种完全在常压环境条件下，通过溶液法实现的卷对卷钙钛矿电池制备工艺。（注：卷对卷工艺是一种高速制造技术，可将溶液连续沉积在柔性基材的移动卷轴上，其原理类似于报纸印刷，但应用于太阳能电池的生产。）
所制得的器件，其单个电池的光电转换效率可达15.5%，小型太阳能组件的效率则为11%。此外，预计其生产成本可低至每瓦0.70美元，且未来仍具备进一步降本的空间。
要推动该领域实现全面商业化，关键在于将注意力更多转向可扩展的制备工艺，而不是一味追求更高的转换效率。学术界与产业界必须在提升器件稳定性和规模化生产能力方面达成一致目标。
钙钛矿太阳能电池的商业化应用已指日可待。不断变化的国际贸易形势更可能为其带来竞争优势。但要实现这一目标，关键在于识别并剔除生产流程中的非必要环节。凭借低成本、全球适应性生产体系及柔性制造优势，钙钛矿器件有望为全球光伏制造业开辟新路径，从而增强光伏产业的整体供应链韧性。