中國(guó)粉體網(wǎng)訊 光伏發(fā)電系統(tǒng)具有顯著的能源、環(huán)保與經(jīng)濟(jì)效益，能顯著降低碳排放，未來(lái)將成為世界能源供應(yīng)的主體。隨著社會(huì)對(duì)能源綠色化意識(shí)的逐漸提高和化工合成技術(shù)的進(jìn)步，高光電轉(zhuǎn)換效率太陽(yáng)能電池的研究和開(kāi)發(fā)已成為當(dāng)下研究熱點(diǎn)。其中，鈣鈦礦材料由于其光電轉(zhuǎn)換效率高、成本低以及光學(xué)可調(diào)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而成為新一代太陽(yáng)能電池最有前途的材料之一。
來(lái)源：纖納光電
光伏發(fā)電領(lǐng)域的新星——鈣鈦礦太陽(yáng)電池
1839年的一天，俄羅斯礦物學(xué)家古斯塔夫·羅斯在烏拉爾山脈發(fā)現(xiàn)一種具有特殊晶體結(jié)構(gòu)的鈣和鈦氧化物，遂以俄羅斯地質(zhì)學(xué)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(lái)。
2009年，日本科學(xué)家宮坂勉率先在染料敏化太陽(yáng)能電池中使用鈣鈦礦作為光吸收材料，這種礦物開(kāi)始在太陽(yáng)能發(fā)電領(lǐng)域嶄露頭角。
現(xiàn)在鈣鈦礦材料是指晶體結(jié)構(gòu)與CaTiO3相同的一系列材料，一般用ABX3的化學(xué)通式來(lái)表示。其中，A和B代表陽(yáng)離子，X代表陰離子。
鈣鈦礦（ABX3）晶體結(jié)構(gòu)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(jié)合能和長(zhǎng)的載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度，這就保證了器件中電子和空穴傳輸?shù)挠行�。其次，它的吸收系�?shù)很高，這大大提升了對(duì)太陽(yáng)光的吸收和利用的效率。另外，鈣鈦礦材料的帶隙可以通過(guò)調(diào)整鈣鈦礦的化學(xué)組分進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，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(jù)需求設(shè)計(jì)出不同帶隙的鈣鈦礦材料進(jìn)行疊加，或者與其它光伏材料(如硅、CdTe和有機(jī)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(shù)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(jié)理論轉(zhuǎn)化效率，更低的發(fā)電成本，更豐富的應(yīng)用場(chǎng)景，更低的碳足跡，這足以具備強(qiáng)大的吸引力。
不同鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意圖
鈣鈦礦這種材料的效率提升速度非常之快——2009年時(shí)，用鈣鈦礦制造的太陽(yáng)能電池僅有3.8%的轉(zhuǎn)換率，到了2014年，這一數(shù)字已提升到19.3%，2023年更是提升到29%。作為對(duì)比，晶硅類電池完成這一進(jìn)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(yè)化學(xué)品和金屬廉價(jià)制造，并可印刷在塑料柔性膜上大量生產(chǎn)。晶硅電池則先要通過(guò)昂貴的高溫工藝制成純度相當(dāng)高的硅棒并切成硅片，才能制成。
與此同時(shí)，鈣鈦礦對(duì)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(yè)化面臨諸多挑戰(zhàn)
鈣鈦礦商業(yè)化還面臨很大挑戰(zhàn)。業(yè)內(nèi)認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)大面積制備是必要條件，再者就是效率和穩(wěn)定性提升，未來(lái)方可與晶硅電池“一戰(zhàn)”。
實(shí)現(xiàn)更大面積的鈣鈦礦薄膜的制備。鈣鈦礦太陽(yáng)電池最重要的部分是鈣鈦礦薄膜，其質(zhì)量直接決定了鈣鈦礦太陽(yáng)電池的性能。
不同的鈣鈦礦薄膜制備方法及其優(yōu)、缺點(diǎn)
目前所開(kāi)發(fā)的鈣鈦礦太陽(yáng)電池面積仍較小，而產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用需要大幅寬、連續(xù)長(zhǎng)度的鈣鈦礦薄膜，工藝放大的過(guò)程中，如何在產(chǎn)業(yè)化條件下，穩(wěn)定、批量的獲得大面積、高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜，仍有工藝及技術(shù)難題需要突破。
穩(wěn)定性。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差，尤其是在潮濕和高溫條件下。鈣鈦礦材料會(huì)隨著時(shí)間的推移而退化，從而降低太陽(yáng)能電池的效率。
毒性。Pb是一種有毒的物質(zhì)，含鉛鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的使用引起了人們對(duì)這些設(shè)備安全性的擔(dān)憂。傳統(tǒng)光伏需要在戶外使用25年之久，隨著電池使用年限的增長(zhǎng)，Pb的滲漏和溶解會(huì)造成環(huán)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(zhuǎn)換效率。光電轉(zhuǎn)換效率是評(píng)價(jià)鈣鈦礦太陽(yáng)電池性能的關(guān)鍵性指標(biāo)。目前研究人員主要通過(guò)降低界面缺陷、調(diào)控晶體生長(zhǎng)、調(diào)節(jié)帶隙寬度，以及提高薄膜結(jié)晶度等路徑來(lái)提高鈣鈦礦太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)化之路還有多遠(yuǎn)？
2023年1月，工業(yè)和信息化部等六部門(mén)發(fā)布《關(guān)于推動(dòng)能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，將“發(fā)展先進(jìn)高效的光伏產(chǎn)品及技術(shù)”列為重點(diǎn)之一，提出“支持高效低成本晶硅電池生產(chǎn)，推動(dòng)N型高效電池、柔性薄膜電池、鈣鈦礦及疊層電池等先進(jìn)技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，提升規(guī)�；慨a(chǎn)能力”。
2022年至今，多家企業(yè)進(jìn)軍鈣鈦礦領(lǐng)域或融資用于研發(fā)及新建產(chǎn)線，包括協(xié)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(wú)限光能、金晶科技等，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，具備產(chǎn)線規(guī)劃的企業(yè)近20家，設(shè)備玩家亦持續(xù)擴(kuò)容。
今年3月，協(xié)鑫光電100MW鈣鈦礦1m*2m組件實(shí)現(xiàn)了16%的效率目標(biāo)，規(guī)劃年內(nèi)達(dá)到18%�！扳}鈦礦沒(méi)有一條現(xiàn)成的路可以走。”協(xié)鑫光電董事長(zhǎng)范斌表示，有別于晶硅技術(shù)，鈣鈦礦從設(shè)備到工藝到材料都需要原創(chuàng)開(kāi)發(fā)和整個(gè)體系的配合，需要包括設(shè)備、材料以及解決方案等各方面供應(yīng)商的配合。
4 月，極電光能鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)基地項(xiàng)目開(kāi)工，該項(xiàng)目計(jì)劃建設(shè)內(nèi)容包含全球首條1GW 鈣鈦礦光伏生產(chǎn)線，計(jì)劃在2024 年年底基本搭建完成，標(biāo)志著行業(yè)真正從 0 到 1 走向 GW 時(shí)代。
極電光能總裁于振瑞認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦技術(shù)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，需要解決大面積制備條件下技術(shù)的成熟度問(wèn)題�！耙雽�(shí)現(xiàn)商業(yè)化，就需要行業(yè)的普遍認(rèn)可。這不但需要產(chǎn)品效率提升到一定的程度，并且穩(wěn)定性也要通過(guò)嚴(yán)格的加速老化測(cè)試，更需要大量的戶外實(shí)證數(shù)據(jù)支撐。”在于振瑞看來(lái)，2025年是鈣鈦礦技術(shù)可與晶硅技術(shù)媲美的關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)。
11月3日，隆基綠能發(fā)布會(huì)宣布，其自主研發(fā)的晶硅-鈣鈦礦疊層電池效率達(dá)到33.9%，刷新全球晶硅-鈣鈦礦疊層電池效率最高紀(jì)錄。
隆基綠能研發(fā)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人何博表示鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化方面，業(yè)內(nèi)已有不少進(jìn)展。但在隆基綠能看來(lái)，鈣鈦礦電池量產(chǎn)還有很長(zhǎng)的路要走，“如果沒(méi)有實(shí)證數(shù)據(jù)對(duì)鈣鈦礦的發(fā)電規(guī)律及可靠性進(jìn)行完全掌握的話，我們是不會(huì)盲目量產(chǎn)的，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化需要7年左右時(shí)間�！焙尾┱J(rèn)為。
小結(jié)
盡管存在這些挑戰(zhàn)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在光伏領(lǐng)域顯示出了巨大的前景，并且近年來(lái)取得了重大進(jìn)展。隨著進(jìn)一步的研究和開(kāi)發(fā)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池有望成為太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換的領(lǐng)先技術(shù)。
參考資料：
張敏等.鈣鈦礦光伏技術(shù)的研究進(jìn)展與產(chǎn)業(yè)化趨勢(shì)
程方.鈣鈦礦高轉(zhuǎn)換效率光伏材料合成技術(shù)進(jìn)展綜述
科技日?qǐng)?bào)、澎湃新聞、經(jīng)濟(jì)參考網(wǎng)、上海證券報(bào)、中國(guó)能源報(bào)等
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/黑金）
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