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

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，這個(gè)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(shí)間走完晶硅太陽(yáng)能電池近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展之路，成為第三代光伏技術(shù)的焦點(diǎn)。可以說(shuō)，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(yáng)能電池的“顛覆者”？這樣的論調(diào)是言之過(guò)早，還是大勢(shì)所趨？或許行業(yè)內(nèi)早已有了答案。今天，請(qǐng)跟隨《中國(guó)科技信息》一起來(lái)聊一聊“鈣鈦礦電池“這個(gè)話題。

第三代高效薄膜電池的代表

在動(dòng)畫(huà)片《中華小當(dāng)家》有一道美食“面非面”，它的意思是以不是面的食材來(lái)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(lái)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(shí)和鈣、鈦、礦三個(gè)字都沒(méi)什么關(guān)系，指的是一類(lèi)與鈣鈦礦（CaTiO3）晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)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(jī)陽(yáng)離子所占據(jù)（近年全無(wú)機(jī)也成為了研究熱點(diǎn)），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(yáng)離子混合，或X位由兩種鹵素陰離子占據(jù)時(shí)，則特稱(chēng)為混合型鈣鈦礦。

簡(jiǎn)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(chēng)。事實(shí)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(guò)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(shuō)過(guò)，“這些鈣鈦礦比硅更能吸收陽(yáng)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(yáng)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(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。鈣鈦礦太陽(yáng)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(yáng)能電池，屬于第三代高效薄膜電池的代表。

“鈣鈦礦”已經(jīng)來(lái)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(lái)了解一下它的那些備受矚目的優(yōu)勢(shì)：鈣鈦礦電池具有高效率、低成本、高柔性等優(yōu)勢(shì)；電池材料成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造工藝流程短，生產(chǎn)能耗低，是未來(lái)光伏BIPV、電動(dòng)汽車(chē)移動(dòng)發(fā)電電源領(lǐng)域的明星材料。

首先，對(duì)于光伏行業(yè)而言，無(wú)論何種技術(shù)，轉(zhuǎn)化效率潛能的天花板決定了一項(xiàng)技術(shù)是否具有發(fā)掘潛力。2009年第一個(gè)鈣鈦礦電池被生產(chǎn)出來(lái)時(shí)，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(guò)25%，至少在實(shí)驗(yàn)室達(dá)到了晶硅電池的水平，遠(yuǎn)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(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)獨(dú)立第三方認(rèn)證效率超過(guò)36%的大面積鈣鈦礦室內(nèi)光伏組件，為當(dāng)前已報(bào)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(yuǎn)強(qiáng)于晶硅的吸光性能，能量轉(zhuǎn)換過(guò)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(jià)格也很便宜。同時(shí)，由于光吸收能力強(qiáng)，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(dá)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(lái)仍有較大的降本空間。

可以說(shuō)，鈣鈦礦若能完全推廣開(kāi)來(lái)，將對(duì)我國(guó)光伏行業(yè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常重要的方向和機(jī)會(huì)。2022年8月，科技部等九部門(mén)印發(fā)《科技支撐碳達(dá)峰碳中和實(shí)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(jìn)入被國(guó)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(jí)規(guī)模的鈣鈦礦生產(chǎn)線開(kāi)始投產(chǎn)運(yùn)行，企業(yè)的紛紛入局，讓鈣鈦礦技術(shù)已經(jīng)來(lái)到商業(yè)化的前夜。

依然處于試驗(yàn)階段 期待爆發(fā)式增長(zhǎng)

進(jìn)入2023年，我國(guó)鈣鈦礦領(lǐng)域正迎來(lái)新一輪的機(jī)遇。在學(xué)術(shù)方面，我國(guó)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研發(fā)團(tuán)隊(duì)齊發(fā)力，產(chǎn)研結(jié)合探索最具競(jìng)爭(zhēng)力和性價(jià)比的技術(shù)路線，專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)占全球68%。不過(guò)，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(jìng)爭(zhēng)。

產(chǎn)業(yè)方面，當(dāng)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(jìn)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(yáng)能電池生產(chǎn)廠商效率不斷突破，融資進(jìn)展順利，紛紛布局中試線。例如，長(zhǎng)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(yùn)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(biāo)鈣鈦礦電池1GW。

截止至2022年11月，中國(guó)光伏電池累計(jì)產(chǎn)量為30178萬(wàn)千瓦，同比增長(zhǎng)44.1%。預(yù)計(jì)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(shí)，鈣鈦礦電池適用于大型電站，未來(lái)也有望廣泛適用于光伏建筑一體化場(chǎng)景。

總體來(lái)看，鈣鈦礦光伏電池目前依然處于試驗(yàn)階段，主要頭部廠商目前皆在搭建中試線，為未來(lái)量產(chǎn)進(jìn)行技術(shù)試驗(yàn)與儲(chǔ)備。預(yù)計(jì)在2026年鈣鈦礦光伏電池將完成技術(shù)細(xì)節(jié)的開(kāi)發(fā)、產(chǎn)業(yè)設(shè)備的完善以及制備工藝的試驗(yàn)，有望進(jìn)入量產(chǎn)階段，迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)。