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鈣鈦礦技術(shù)不僅可以打破晶硅電池技術(shù)轉(zhuǎn)換效率的理論“天花板”，還可以降低光伏產(chǎn)業(yè)度電成本，是唯一具有商業(yè)化應(yīng)用前景的新興光伏技術(shù)。

通過鈣鈦礦材料涂層就可以輕松獲取和轉(zhuǎn)化太陽能量，綠色能源讓世界清潔明亮，切片太陽能電池已成為久遠的往事……國內(nèi)一位光伏科學(xué)家曾這樣描繪光伏電池的未來。

鈣鈦礦太陽能電池，這個名字在今年的光伏行業(yè)聲名鵲起。高效率、低成本、易制備，它以十年的時間走完晶硅太陽能電池近半個世紀的發(fā)展之路，成為第三代光伏技術(shù)的焦點?？梢哉f，鈣鈦礦技術(shù)不僅可以打破晶硅電池技術(shù)轉(zhuǎn)換效率的理論“天花板”，還可以降低光伏產(chǎn)業(yè)度電成本，是唯一具有商業(yè)化應(yīng)用前景的新興光伏技術(shù)。

鈣鈦礦是晶硅太陽能電池的“顛覆者”？這樣的論調(diào)是言之過早，還是大勢所趨？或許行業(yè)內(nèi)早已有了答案。今天，請跟隨《中國科技信息》一起來聊一聊“鈣鈦礦電池“這個話題。

第三代高效薄膜電池的代表

在動畫片《中華小當家》有一道美食“面非面”，它的意思是以不是面的食材來表現(xiàn)“面”，而非單純地改變面的形狀，尤其指的是用小麥粉(面粉）以外的材料做出來的面。而這道“面非面”就與今天要聊的話題“鈣鈦礦”有著異曲同工之妙。

光伏領(lǐng)域的“鈣鈦礦”，其實和鈣、鈦、礦三個字都沒什么關(guān)系，指的是一類與鈣鈦礦（CaTiO3）晶體結(jié)構(gòu)類似的“ABX3”化合物。鈣鈦礦電池命名取自俄羅斯礦物學(xué)家Perovski的名字，結(jié)構(gòu)可以用ABX3表示，在鈣鈦礦光伏中，A位通常為有機陽離子所占據(jù)（近年全無機也成為了研究熱點），B位為鉛離子Pb2+或亞錫離子Sn2+，而X位為鹵素陰離子。若A位由兩種陽離子混合，或X位由兩種鹵素陰離子占據(jù)時，則特稱為混合型鈣鈦礦。


簡而言之，鈣鈦礦材料不是指用狹義的“鈣鈦礦”做的材料，而是具有某種特定結(jié)構(gòu)的材料之總稱。事實上，元素周期表中90%的金屬元素都可以成為鈣鈦礦的A或B離子。這三種離子通過不同的排列組合可以呈現(xiàn)出許多物理特性，其中最值得關(guān)注的就是“超導(dǎo)電性”。劍橋大學(xué)物理學(xué)家山姆·斯特蘭克斯曾說過，“這些鈣鈦礦比硅更能吸收陽光，我們可以用至少比硅薄一百倍的鈣鈦礦薄膜吸收幾乎所有的陽光。”

而物理學(xué)家所提出的鈣鈦礦薄膜的特性，也決定了其在發(fā)光、光伏和光探等各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）是利用鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料作為吸光材料的太陽能電池，屬于第三代高效薄膜電池的代表。

“鈣鈦礦”已經(jīng)來到商業(yè)化的前夜

在梳理清楚鈣鈦礦的基本概念之后，不妨來了解一下它的那些備受矚目的優(yōu)勢：鈣鈦礦電池具有高效率、低成本、高柔性等優(yōu)勢；電池材料成本低，結(jié)構(gòu)簡單，制造工藝流程短，生產(chǎn)能耗低，是未來光伏BIPV、電動汽車移動發(fā)電電源領(lǐng)域的明星材料。


首先，對于光伏行業(yè)而言，無論何種技術(shù)，轉(zhuǎn)化效率潛能的天花板決定了一項技術(shù)是否具有發(fā)掘潛力。2009年第一個鈣鈦礦電池被生產(chǎn)出來時，其轉(zhuǎn)換效率僅有3.8%；十年后的2019年，這一數(shù)字就已經(jīng)超過25%，至少在實驗室達到了晶硅電池的水平，遠勝于如碲化鎘或銅銦鎵硒等薄膜電池。2022年，鈣鈦礦光電轉(zhuǎn)換效率更創(chuàng)下新高。暨南大學(xué)新能源技術(shù)研究院麥耀華教授團隊經(jīng)過獨立第三方認證效率超過36%的大面積鈣鈦礦室內(nèi)光伏組件，為當前已報道鈣鈦礦室內(nèi)光伏組件世界最高轉(zhuǎn)換效率。而這種發(fā)展速度的背后，得益于上面提到的鈣鈦礦材料遠強于晶硅的吸光性能，能量轉(zhuǎn)換過程中的極低能量損失，也與其覆蓋光譜范圍寬的特征有關(guān)。

其次，鈣鈦礦的低成本得益于鈣鈦礦光伏電池原材料本身。鈣鈦礦使用的主要是碳、氫、氮、鉛和碘等幾種主流元素，本身在地球上都有大量分布，價格也很便宜。同時，由于光吸收能力強，材料的用量非常低，鈣鈦礦組件中鈣鈦礦層厚度大概是0.4um，而晶硅組件中的硅片厚度通常為180um，差了40-50倍。占比最多的是電極材料，達37%。鈣鈦礦材料成本占比僅為5%，玻璃、靶材等占到另外的60%以上，鈣鈦礦組件未來仍有較大的降本空間。

可以說，鈣鈦礦若能完全推廣開來，將對我國光伏行業(yè)來說是一個非常重要的方向和機會。2022年8月，科技部等九部門印發(fā)《科技支撐碳達峰碳中和實施方案(2022―2030年)》，提出研發(fā)高效硅基光伏電池、高效穩(wěn)定鈣鈦礦電池等技術(shù)，鈣鈦礦技術(shù)進入被國家支持的范圍。良好的行業(yè)發(fā)展前景，利好政策以及資本熱捧之下，兆瓦級規(guī)模的鈣鈦礦生產(chǎn)線開始投產(chǎn)運行，企業(yè)的紛紛入局，讓鈣鈦礦技術(shù)已經(jīng)來到商業(yè)化的前夜。

依然處于試驗階段 期待爆發(fā)式增長

進入2023年，我國鈣鈦礦領(lǐng)域正迎來新一輪的機遇。在學(xué)術(shù)方面，我國鈣鈦礦太陽能電池研發(fā)團隊齊發(fā)力，產(chǎn)研結(jié)合探索最具競爭力和性價比的技術(shù)路線，專利申請數(shù)占全球68%。不過，在制備工藝方面，目前空穴傳輸層、鈣鈦礦層、電子傳輸層、電極層等薄膜仍存在干法和濕法工藝之間的競爭。

產(chǎn)業(yè)方面，當前鈣鈦礦電池已由研發(fā)階段步入中試線投建階段。近兩年鈣鈦礦領(lǐng)域投資額已破百億，資本注入有望加速產(chǎn)業(yè)技術(shù)突破，產(chǎn)業(yè)化進程在持續(xù)加速中。一方面，本土鈣鈦礦設(shè)備廠商訂單先行，部分已成功交付，本土鈣鈦礦太陽能電池生產(chǎn)廠商效率不斷突破，融資進展順利，紛紛布局中試線。例如，長城旗下的極電光能宣布150MW鈣鈦礦光伏生產(chǎn)線正式投產(chǎn)運行，是全球目前已投產(chǎn)且產(chǎn)能最大的鈣鈦礦光伏生產(chǎn)線。協(xié)鑫光電、纖納光電也有望在2023年各招標鈣鈦礦電池1GW。

截止至2022年11月，中國光伏電池累計產(chǎn)量為30178萬千瓦，同比增長44.1%。預(yù)計鈣鈦礦大規(guī)模量產(chǎn)后單GW設(shè)備投資額將降低至5億元/GW，相較于晶硅電池全產(chǎn)業(yè)鏈設(shè)備的投資額具有顯著降本空間。同時，鈣鈦礦電池適用于大型電站，未來也有望廣泛適用于光伏建筑一體化場景。

總體來看，鈣鈦礦光伏電池目前依然處于試驗階段，主要頭部廠商目前皆在搭建中試線，為未來量產(chǎn)進行技術(shù)試驗與儲備。預(yù)計在2026年鈣鈦礦光伏電池將完成技術(shù)細節(jié)的開發(fā)、產(chǎn)業(yè)設(shè)備的完善以及制備工藝的試驗，有望進入量產(chǎn)階段，迎來爆發(fā)式增長。 

原標題：高效率低成本的鈣鈦礦電池 會是光伏領(lǐng)域的顛覆者嗎？