中國粉體網訊 光伏發電系統具有顯著的能源、環保與經濟效益，能顯著降低碳排放，未來將成為世界能源供應的主體。隨著社會對能源綠色化意識的逐漸提高和化工合成技術的進步，高光電轉換效率太陽能電池的研究和開發已成為當下研究熱點。其中，鈣鈦礦材料由于其光電轉換效率高、成本低以及光學可調性強等優點而成為新一代太陽能電池最有前途的材料之一。
來源：纖納光電
光伏發電領域的新星——鈣鈦礦太陽電池
1839年的一天，俄羅斯礦物學家古斯塔夫·羅斯在烏拉爾山脈發現一種具有特殊晶體結構的鈣和鈦氧化物，遂以俄羅斯地質學家列夫·佩羅夫斯基（Lev Perovski）的名字命名。這也是鈣鈦礦英文名稱Perovskite的由來。
2009年，日本科學家宮坂勉率先在染料敏化太陽能電池中使用鈣鈦礦作為光吸收材料，這種礦物開始在太陽能發電領域嶄露頭角。
現在鈣鈦礦材料是指晶體結構與CaTiO3相同的一系列材料，一般用ABX3的化學通式來表示。其中，A和B代表陽離子，X代表陰離子。
鈣鈦礦（ABX3）晶體結構示意圖
鈣鈦礦材料具有出色的光電特性，首先，它具有低的激子結合能和長的載流子擴散長度，這就保證了器件中電子和空穴傳輸的有效性。其次，它的吸收系數很高，這大大提升了對太陽光的吸收和利用的效率。另外，鈣鈦礦材料的帶隙可以通過調整鈣鈦礦的化學組分進行連續調節，一方面可以將材料的帶隙向理想值逼近，另一方面可以根據需求設計出不同帶隙的鈣鈦礦材料進行疊加，或者與其它光伏材料(如硅、CdTe和有機光伏材料等)疊加，從而盡可能多地捕獲光子。
更高的效率，更低的成本
有著第三代光伏電池技術之稱的鈣鈦礦電池，被不少擁躉視作光伏的“終極”——更高的單結理論轉化效率，更低的發電成本，更豐富的應用場景，更低的碳足跡，這足以具備強大的吸引力。
不同鈣鈦礦太陽能電池結構示意圖
鈣鈦礦這種材料的效率提升速度非常之快——2009年時，用鈣鈦礦制造的太陽能電池僅有3.8%的轉換率，到了2014年，這一數字已提升到19.3%，2023年更是提升到29%。作為對比，晶硅類電池完成這一進程花了40年以上。
由于和晶硅路線的制造工藝完全不同，鈣鈦礦電池可由普通工業化學品和金屬廉價制造，并可印刷在塑料柔性膜上大量生產。晶硅電池則先要通過昂貴的高溫工藝制成純度相當高的硅棒并切成硅片，才能制成。
與此同時，鈣鈦礦對缺陷的耐受性很高。它可溶解在溶劑中，并在接近室溫的條件下印刷。這意味著，理論上鈣鈦礦電池的成本只有晶硅電池的一半甚至更低。
商業化面臨諸多挑戰
鈣鈦礦商業化還面臨很大挑戰。業內認為，實現大面積制備是必要條件，再者就是效率和穩定性提升，未來方可與晶硅電池“一戰”。
實現更大面積的鈣鈦礦薄膜的制備。鈣鈦礦太陽電池最重要的部分是鈣鈦礦薄膜，其質量直接決定了鈣鈦礦太陽電池的性能。
不同的鈣鈦礦薄膜制備方法及其優、缺點
目前所開發的鈣鈦礦太陽電池面積仍較小，而產業化應用需要大幅寬、連續長度的鈣鈦礦薄膜，工藝放大的過程中，如何在產業化條件下，穩定、批量的獲得大面積、高質量的鈣鈦礦薄膜，仍有工藝及技術難題需要突破。
穩定性。鈣鈦礦太陽能電池的長期穩定性較差，尤其是在潮濕和高溫條件下。鈣鈦礦材料會隨著時間的推移而退化，從而降低太陽能電池的效率。
毒性。Pb是一種有毒的物質，含鉛鈣鈦礦太陽能電池的使用引起了人們對這些設備安全性的擔憂。傳統光伏需要在戶外使用25年之久，隨著電池使用年限的增長，Pb的滲漏和溶解會造成環境污染，需要探索毒性較低但仍保持鉛基鈣鈦礦高效率的替代材料。
提高光電轉換效率。光電轉換效率是評價鈣鈦礦太陽電池性能的關鍵性指標。目前研究人員主要通過降低界面缺陷、調控晶體生長、調節帶隙寬度，以及提高薄膜結晶度等路徑來提高鈣鈦礦太陽電池的光電轉換效率。
鈣鈦礦電池產業化之路還有多遠？
2023年1月，工業和信息化部等六部門發布《關于推動能源電子產業發展的指導意見》，將“發展先進高效的光伏產品及技術”列為重點之一，提出“支持高效低成本晶硅電池生產，推動N型高效電池、柔性薄膜電池、鈣鈦礦及疊層電池等先進技術的研發應用，提升規模化量產能力”。
2022年至今，多家企業進軍鈣鈦礦領域或融資用于研發及新建產線，包括協鑫光電、纖納光電、極電光能、曜能科技、仁爍光能、隆基綠能、眾能光電、無限光能、金晶科技等，據不完全統計，具備產線規劃的企業近20家，設備玩家亦持續擴容。
今年3月，協鑫光電100MW鈣鈦礦1m*2m組件實現了16%的效率目標，規劃年內達到18%。“鈣鈦礦沒有一條現成的路可以走。”協鑫光電董事長范斌表示，有別于晶硅技術，鈣鈦礦從設備到工藝到材料都需要原創開發和整個體系的配合，需要包括設備、材料以及解決方案等各方面供應商的配合。
4 月，極電光能鈣鈦礦產業基地項目開工，該項目計劃建設內容包含全球首條1GW 鈣鈦礦光伏生產線，計劃在2024 年年底基本搭建完成，標志著行業真正從 0 到 1 走向 GW 時代。
極電光能總裁于振瑞認為，實現鈣鈦礦技術大規模產業化，需要解決大面積制備條件下技術的成熟度問題。“要想實現商業化，就需要行業的普遍認可。這不但需要產品效率提升到一定的程度，并且穩定性也要通過嚴格的加速老化測試，更需要大量的戶外實證數據支撐。”在于振瑞看來，2025年是鈣鈦礦技術可與晶硅技術媲美的關鍵時間點。
11月3日，隆基綠能發布會宣布，其自主研發的晶硅-鈣鈦礦疊層電池效率達到33.9%，刷新全球晶硅-鈣鈦礦疊層電池效率最高紀錄。
隆基綠能研發團隊負責人何博表示鈣鈦礦產業化方面，業內已有不少進展。但在隆基綠能看來，鈣鈦礦電池量產還有很長的路要走，“如果沒有實證數據對鈣鈦礦的發電規律及可靠性進行完全掌握的話，我們是不會盲目量產的，實現產業化需要7年左右時間。”何博認為。
小結
盡管存在這些挑戰，鈣鈦礦太陽能電池在光伏領域顯示出了巨大的前景，并且近年來取得了重大進展。隨著進一步的研究和開發，鈣鈦礦太陽能電池有望成為太陽能轉換的領先技術。
參考資料：
張敏等.鈣鈦礦光伏技術的研究進展與產業化趨勢
程方.鈣鈦礦高轉換效率光伏材料合成技術進展綜述
科技日報、澎湃新聞、經濟參考網、上海證券報、中國能源報等
（中國粉體網編輯整理/黑金）
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