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成本僅傳統晶硅材料1/20！“材料新星”鈣鈦礦為光伏電池帶來重大變革

文章來源：賢集網更新時間：2022-02-18 15:00:19

隨著全球綠色經濟熱度上升，如何獲得更多綠色能源成為眾人關注的核心問題。帶著這個問題，光伏產業將目光投向晶硅電池，盡全力提升其發電能力，榨出更多能量。

然而硅的能量轉化效率（PCE，power conversion efficiency）是有極限的。光伏產業越是提高晶硅電池的發電能力，就越能感受到客觀規律的無情與發展空間的日益局促。

除非超越硅。

近年來，為了替代晶硅電池或填補其無法觸達的應用場景，各類非硅電池應運而生。然而在這些路線中，有的便宜卻效率低（大多數成熟薄膜電池），有的效率高卻極貴（如砷化鎵），有的甚至又貴效率又低（各種前沿早期技術）。

那么有沒有一種（可能）便宜，（確實）效率高且還（預計）易于生產的新型光伏電池？

這可就說到本文的主角了：它用10年走完晶硅電池50年的路；它上Nature與Science如探囊取物，5年發了119篇正刊；它在報道標題中，最常與“破紀錄”和感嘆號一同出現。

它就是近年材料學當之無愧的大明星，鈣鈦礦（perovskite）。

01

其實不是礦

事實上，鈣鈦礦和鈣、鈦、礦三個字都沒什么關系。

光伏領域的所謂“鈣鈦礦”，指的是一類與鈣鈦礦（CaTiO3）晶體結構類似的“ABX3”化合物，在鈣鈦礦光伏研究早期，科學家們瞄準的主要是碘化鉛甲胺（CH3NH3PbI3）。

這種結構長成下面這個樣子：

圖源丨Christopher Eames et al.

鈣鈦礦結構可以用ABX3表示，在鈣鈦礦光伏中，A位通常為有機陽離子所占據（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構的材料之總稱。為防止歧義，下文所述“鈣鈦礦”，如無特殊說明，均指代這種類鈣鈦礦結構的光伏材料，而非字面意義的鈣鈦礦（CaTiO3）。

當前的鈣鈦礦電池主要走柔性器件路線，也可以歸類為一種薄膜電池，兼具半透明、色彩可調節的特點。這賦予了其遠比晶硅電池廣闊的應用空間。鈣鈦礦電池可以部署在那些無法承受或不能安裝晶硅電池的地方，這使得其特別適合用于光伏建筑一體。而又由于其高水平的轉化效率，理想化情況下被認為有望實現車載，甚至是用于移動設備的表面或是直接穿戴。

現階段的鈣鈦礦電池有三種典型結構，分別為：

（a）正式介孔結構：即采用一層介孔狀的物質（最常見的是二氧化鈦）作為骨架并承擔電子轉移輸運的功能。此種結構的鈣鈦礦電池成膜光滑、均勻，效率表現好，但該路線的制備工藝更為復雜，且需要高溫燒結；

（b）正式（n-i-p）平面結構：此種電池結構更為簡單，因此制備工藝更加簡單且不需要高溫加工，效率略低一些但差距不太明顯；

（c）反式（p-i-n）平面結構：制備工藝最為簡單，可低溫成膜且更加適合與傳統太陽能電池疊加（關于這一點將在后文詳述），三種結構里效率最低但差距也不大，是最適合用于工業生產的結構；

鈣鈦礦電池的制備工藝目前非常多樣化，但規?；骄桓?，尚無主導路線出現。

一般情況下，學術研究的設備主要由旋涂法生產，但這種方法產能低，對材料的浪費比較嚴重，且不能用于生產大尺寸設備，用于工業生產可能性不高。

從工業生產看，“卷對卷”（roll to roll）通常被認為是低成本制備薄膜最好的方式，最為匹配此種生產模式的工藝可能會在未來有較大工業化前景。

名詞解釋：卷對卷（roll to roll），或稱R2R是一種連續性的生產方式，用于加工柔性材料。材料從原筒狀的料卷卷出后，再在軟板上加入特定用途的功能，或在軟板的表面加工，然后再卷成圓筒狀或進行裁切。在制造過程中，由于不使用真空無塵環境、復雜腐蝕過程與廢液處理工程，降本增效效果好，廣泛用于液晶顯示屏、薄膜太陽能電池等設備的生產。

除了太陽能電池外，由于其極有特點的材料性能，鈣鈦礦材料被認為在光電傳感器、發光二極管（LED）等領域也有不小的潛力。不過此類研究大多非常早期，且考慮到現階段鈣鈦礦偏高的討論熱度，不宜有不切實際的預期。畢竟科學研究，一盆冷水可能才是多數時候的最終結果。

02

鈣鈦礦的主要優勢

作為晶硅電池很有希望的補充或繼任者，鈣鈦礦最直觀的優勢就是其高效率與低成本。

性能好

2009年第一個鈣鈦礦電池被生產出來時，其轉換效率僅有3.8%；十年后的2019年，這一數字就已經超過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（不考慮因過于昂貴而民用化進程幾乎停滯的砷化鎵）。

這種發展速度的背后，得益于鈣鈦礦材料遠強于晶硅的吸光性能，能量轉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。

想要了解鈣鈦礦的效率優勢，我們首先需要介紹一下帶隙與肖克利-奎瑟極限（Shockley-Queisser limit）。

帶隙是一個與光伏材料轉換效率直接相關的概念，指的是將電子從材料中釋放出來，使其成為電荷載流子（即可以自由移動的帶有電荷的物質微粒，通過運動輸運電流）在電路中流動所需的能量。

對于光伏來說，能量就來自于入射光子攜帶的能量，而不同波長的光所攜帶能量有所區別，單位為“電子伏特”（eV），而可見光光子的能量就介于1.75 eV（深紅色）和 3.1 eV（紫色）之間。

最理想光伏材料的帶隙為1.34 eV，使用這種材料的單一連接太陽能電池（也就是俗稱的單結電池）在最理想的情況下，能夠將33.7%的入射光轉化為能量，而這就是所謂的肖克利-奎瑟極限（Shockley-Queisser limit）。

但問題在于，目前人類已知的任何材料，都不天然符合這一完美的帶隙。而晶硅之所以得到廣泛應用，是因為帶隙為1.12eV，理論極限大概為32%（現實中不可能實現這一水平），已經非常接近極限值。

鈣鈦礦的優勢在于極高的靈活性。其作為一種化合物，配方可調，不但可以將其帶隙盡可能地推向理想值，也可針對不同波長入射光設計不同鈣鈦礦層并彼此、或是與其他光伏材料疊加，從而捕獲盡可能多的光子，實現高水平轉化率。這也是有望推動鈣鈦礦電池突破肖克利-奎瑟極限的主要方式之一。而相比較之下，硅晶只能提純，優化空間與手段均十分有限。

成本低

鈣鈦礦的低成本主要得益于兩個方面，一是其預期的成本比較低，二是整條產業鏈的投資需求可能不是特別高。

一方面，制作金屬鹵化物鈣鈦礦所需原材料儲量豐富，價格低廉，且前驅液的配制不涉及任何復雜工藝，對純度要求不高，后續組件對加工環境要求也不高。與晶硅相比，鈣鈦礦不需99.9999%（即6N）級別以上的純度，98%左右就已經可用；組件生產過程不需要晶硅電池的千度左右的加工溫度，在生產過程中的能耗比較低，多數環節也不需要真空環境。

另一方面，鈣鈦礦電池由于光吸收能力強，對材料的用量非常低，對降低發電成本也有著很大優勢。一般來說，鈣鈦礦電池的鈣鈦礦層只需做到300——500nm厚度，與除玻璃外的其它功能層合計能夠實現1μm左右的厚度，而晶硅電池的硅片厚度目前處于前沿的厚度也有120μm。根據Oxford PV的計算，35kg鈣鈦礦的發電量就可以與7t硅（160μm厚度硅片）相當，降本空間十分可觀。

最后的降本空間則來自產業鏈投資。由于鈣鈦礦制備簡單，工藝流程比較短，有望在一座工廠內就實現從鈣鈦礦前驅液生產到最終的組件封裝，上下游整合比較簡單，而相比較之下晶硅電池工藝流程非常復雜，需要針對不同環節分別建廠，前期投資需求更高。

當然，鈣鈦礦尚未實現規?；a，其成本優勢主要基于多種條件綜合后的推測，是否能夠實現仍需在驗證。

03

鈣鈦礦電池缺陷

盡管鈣鈦礦電池優點頗多，但作為一種尚未脫離實驗室階段的材料，其缺陷嚴重限制投入工業生產的能力，自然也就不能對單晶硅電池實現有效替代。

簡單來說，鈣鈦礦電池有四個核心問題：不耐用、不好造、不環保、不明白。

不耐用

現階段的鈣鈦礦電池壽命短，穩定性差，效率衰減過快，無法滿足工業化生產的需要，一直是制約推廣的最大障礙。

作為一種離子晶體材料，鈣鈦礦材料可謂是非常脆弱，不同材料與結構可能存在不耐高溫、不耐光照、易水解、易氧化、易發生二次反應等缺陷。盡管近兩年伴隨著鈣鈦礦材料相關研究的長足進步，這種情況有所緩解，但電池整體衰減率相較于成熟的晶硅組件仍然太高，而且額外的保護措施，如保護涂層或摻雜等，還存在犧牲效率的可能。

2021年12月底，德國研究機構的Forschungszentrum Jülich宣稱開發了一種效率為20.9%的平面鈣鈦礦電池，其在超過1450小時的高溫和光照測試中，仍成功保持了99%的初始效率。而其它不同研究機構給出的極為多樣化的原型設備的測試數據則大多集中在“1000/2000小時，穩定在80%/90%左右”的水平。

這對于早期穩定性甚至只能維持幾小時的鈣鈦礦電池而言當然是巨大進步，可對于太陽能產業本身而言還是不夠好。一個電站不可能接受頻繁修理發電設備，哪怕鈣鈦礦生產成本再低，這在維護成本上也不可行。

傳統的硅晶電池是什么水平？我們可以看兩個案例：

云南石屏縣牛達林場光伏項目：安裝于1995年，運行20年后，總衰減效率為7.69％，平均年衰減0.38％。

甘肅省自然科學院太陽能研究基地10kW光伏電站：安裝于1983年，運行33年后，總功率為7kW，估算每年的衰減為0.9％。

而這甚至是數十年前，晶硅組件技術還不那么成熟的時代錄得的數據。

根據工信部發布的《光伏制造行業規范條件（2021年本）》，現階段的鈣鈦礦電池罕有能達到衰減率標準的，而即使有少數路線達到了，也往往建立在犧牲其它性能的基礎之上（尤其是引以為傲的效率）。

此外，由于諸多原因，鈣鈦礦電池的測試往往有很多“貓膩”，測試涉及的條件參數可能沒有詳盡披露，所以給出的最終數據有可能不能反映真實狀況，這也需要一些更進一步的共識來矯正。

以及有機-無機鹵素鈣鈦礦的化學性質決定了其對金屬存在一定的腐蝕性（還原/氧化反應），而金屬是光伏組件的重要組成部分，大量輔材應用了金屬材料。這顯然也對未來的規?；瘧么嬖诓涣加绊?。

不好造

雖然上文提到鈣鈦礦材料具有制備簡單，價格低廉的優勢，但目前的鈣鈦礦電池在大尺寸設備和批量生產的工藝上仍然存在問題。

當前的鈣鈦礦電池主要處于實驗室階段，而制備工藝顯然和工業化生產存在很大不同。當前限制鈣鈦礦電池大尺寸化的因素，首先是涂覆技術的不成熟，鈣鈦礦層沒法均勻涂抹在設備表面，對器件性能有明顯負面影響，需要開發更好的噴涂工藝。

其次則是鈣鈦礦普遍使用TCO（透明導電氧化物）薄膜收集電流，而此類材料的一些物理性質會造成光損失，且隨著面積的增大愈發明顯，這導致鈣鈦礦組件的效率會明顯低于單體電池，這也是實際應用中不能接受的，需要有進一步解決方案。

說的更直接一點，受限于多方面原因，現階段的鈣鈦礦電池根本造不大，造大了的性能也不好。2月5日發表在ADVANCED ENERGY MATERIALS的一篇文章中，羅馬第二大學的團隊開發的192cm2 有效面積的小型光伏面板，實現了11.9%的轉化效率，是迄今為止文獻報道的該尺寸設備的新紀錄，然而這一數據無論是面積還是效率都遠不及硅晶組件。

不環保

現階段，工業化生產希望最大、性能最好的鈣鈦礦材料是鉛鹵鈣鈦礦，主要得益于其光吸收能力強、光電流傳輸速度快、缺陷容忍度高等一系列優異綜合性能。

但問題在于，鉛是一種廣為人知的有毒重金屬，無論是對環境還是人體都有著毋庸置疑的危害。盡管有些觀點稱，鈣鈦礦材料的生產流程只要設計得當就不會產生過多污染，但這也意味著更為復雜的生產工藝與副產物處理流程，在成本上是否足夠經濟還不太確定。

如何用更為環境友好的配方替代鉛鹵鈣鈦礦是一個比較主要的研究方向。當前錫基材料進展相對不錯，但其在各方面性能，特別是效率和鉛基電池差距很大（最高紀錄也僅有14%）。此外，相較于鉛，組分中的二價錫更為敏感，很容易被氧化為四價錫導致性能急劇惡化，這還會進一步縮減鈣鈦礦電池本就不太行的設備壽命。

不明白

除了上述的問題外，鈣鈦礦太陽能電池存在一種特定缺陷，導致發電能力存在性能損失與穩定性欠佳。

簡單來說，鈣鈦礦材料存在一種被稱為“深阱態”（deep trap state）的缺陷，顧名思義，它會像陷阱一樣困住載流子，導致光能無法轉化為電能，而以熱量的形式損失，影響鈣鈦礦電池的效率，盡管有大量研究在嘗試分析，這種現象的具體成因仍然不明。

這提醒我們，想要將一種仍在實驗室階段的技術大規模投入工業生產，還有多少困難要克服。

04

風口上的鈣鈦礦

一直以來，光伏技術的更新迭代決定著太陽能電池行業的發展。從第一代晶硅電池到第二代非晶硅、銅銦鎵硒、碲化鎘薄膜電池，再到當下熱門的鈣鈦礦、量子點、HJT等第三代電池技術的競相盛開，太陽能電池技術的持續創新和產業化探索始終是新技術的核心難點。

行業對太陽能電池效率的降本增效要求越來越高。站在N型技術的分岔路口，當你還在糾結是Topcon還是HJT更具優勢之時，作為理論轉換效率高、經濟性好的鈣鈦礦光伏電池脫穎而出，成為第三代光伏技術中最受矚目和最受期待的技術之一。鈣鈦礦太陽能技術發展至今已不僅僅局限于實驗室研發，而是逐步在組件轉換效率、穩定性和量產規模等多個維度齊頭并進，近兩年獲得了巨大發展。

在光伏行業，任何一種技術的發展都離不開“性價比”的較量，對于鈣鈦礦來說，高光電轉換效率、優異的穩定性是產業化前提，而規?；漠a能和有效降低成本、實現良好的經濟效益則是推動鈣鈦礦技術大規模市場化的支撐。在這三大要素中，纖納光電是最接近目標的一家鈣鈦礦商業化公司。

攻克效率科學難題，平均每年穩步提升1.5%

2009年鈣鈦礦第一次被用于光伏發電領域，經過十余年的發展，光電轉換效率從3.8%做到了實驗室效率25.7%，當前全球小組件最高效率為21.4%，而實現這一新紀錄的是全球知名鈣鈦礦領軍企業及產業化先鋒——纖納光電科技，該公司至今已7次刷新鈣鈦礦組件光電轉化效率的世界紀錄。

一直以來，由于鈣鈦礦缺乏大面積、高性能的薄膜制備工藝，導致鈣鈦礦組件效率的提升受到制約。而纖納光電在堅持不懈的努力下，以平均每年1.5%的速度提高鈣鈦礦組件轉換效率，受到了全球業界矚目。他們通過多年的研發創新和在小試、中試線上的技術積累，制約鈣鈦礦組件效率提升的科學難題已被攻克。這一連續性的跨越式突破，將鈣鈦礦光伏技術推向了一個全新階段。

打破穩定性邊界，商業化才有無限可能

要實現鈣鈦礦技術產業化，組件穩定性是非常關鍵的先決條件。一直以來，鈣鈦礦材料的穩定性就是世界級難題，存在著巨大挑戰。與晶體硅組件的衰減機制不同，鈣鈦礦組件在高劑量光輻照和加熱條件下吸光材料結構易被破壞，導致組件性能迅速衰減，因此提高鈣鈦礦組件的光熱穩定性是近年來亟待攻克的科學難點。

所以近年來，纖納將重心聚焦在鈣鈦礦組件的穩定性上。2019年12月通過了國際電工委員會IEC61215測試，獲得了全球第一個鈣鈦礦組件穩定性第三方認證報告；2021年2月，他們又獲得全球首個鈣鈦礦組件穩定性多倍加嚴認證，其中紫外耐老化測試等同于IEC標準的6.5倍、濕熱耐老化測試等同于IEC標準的3倍。

業內曾經流傳著一種說法，十年壽命是鈣鈦礦的一個門檻。纖納的鈣鈦礦組件通過第三方檢測機構的多倍加嚴認證，組件功率基本維持在初始值，與晶硅組件的老化衰減水平接近，實驗室理論壽命可達30年。這兩次穩定性認證意味著纖納已成功跨越了鈣鈦礦光伏技術的“死亡之谷”，其穩定性與已經商業化的傳統光伏技術基本相當。

高效+穩定性+產能是鈣鈦礦商業化的門檻

推動鈣鈦礦實現產業化的支撐因素——產能與成本必不可少。鈣鈦礦電池技術的原材料成本僅為傳統晶硅材料的1/20，大規模應用后，發電價格可降低至目前傳統晶硅電池的一半左右。同時，鈣鈦礦還可以與晶硅電池、HJT等電池進行疊加，進一步提高存量電池的轉換效率。不需要替換掉原有的產線，減輕企業前期投入壓力，從而做到最大幅度的降本增效。當前全球最高的四端子疊層組件效率為26.63.%，也是由纖納創造的。

2020年纖納在浙江衢州率先建成了國內首個鈣鈦礦生產基地，首批20MW中試線產品已在小型電站上示范應用，100MW規模化產線即將投產，鈣鈦礦光伏技術的商業化進程正在被穩步快速的推進。

在太陽能電池技術迭代更新的當下，鈣鈦礦成為一顆冉冉升起的“新星”。作為該技術的領航者，纖納將全面展現科創實力，結合他們在小試、中試線上所積累的量產經驗，為鈣鈦礦光伏新技術的發展與產業化落地提供更強勁動能，服務國家“雙碳”目標，助力傳統能源的綠色升級。

不過，現階段的鈣鈦礦企業仍主要集中在一級市場，尚未實現規模化，要走的路還很長。

也許……十年？

原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_505702.html
來源：賢集網
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