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太陽(yáng)能技術(shù)發(fā)展共經(jīng)歷了三個(gè)主要階段：

?第一階段：太陽(yáng)能電池主要指單晶硅和多晶硅太陽(yáng)能電池，其在實(shí)驗(yàn)室的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)分別達(dá)到25%和20.4%；

?第二階段：太陽(yáng)能電池主要包括非晶硅薄膜電池和多晶硅薄膜電池。

【資料圖】

?第三階段：太陽(yáng)能電池主要指具有高轉(zhuǎn)換效率的一些新概念電池,如染料敏化電池、量子點(diǎn)電池以及有機(jī)太陽(yáng)能電池等。

?第四階段：晶硅+鈣鈦礦疊層電池

那么鈣鈦礦究竟是一種什么物質(zhì)呢？

它其實(shí)是一種ABX3晶型，（以目前研究較多的金屬鹵素有機(jī)無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦為例）

A為有機(jī)甲胺離子CH3NH3+ ，B為金屬離子（例如Pb2+， Sn2+），X為鹵素離子（例如Cl-，I- ， Br-）。

整個(gè)晶體是由金屬離子被六個(gè)鹵素離子包圍所形成的類似正方體作為骨架結(jié)構(gòu)，骨架中間插入無(wú)機(jī)或者有機(jī)離子。

鈣鈦礦指的不是特定材料，而是一種結(jié)構(gòu)、一類物質(zhì)。

而鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是利用鈣鈦礦型的有機(jī)金屬鹵化物半導(dǎo)體作為吸光材料的太陽(yáng)能電池，屬于第三代太陽(yáng)能電池，也稱作新概念太陽(yáng)能電池。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的發(fā)展雖然只有十余年的時(shí)間，但是它的光伏發(fā)電效率卻能從3%提升至25.5%。相比于前幾代光電轉(zhuǎn)換材料，鈣鈦礦材料兼具了高效率和低成本制備的優(yōu)勢(shì)，未來(lái)潛能巨大。

鈣鈦礦電池的工作原理

在光照條件下，鈣鈦礦化合物能夠吸收光子，在吸收光子后其價(jià)帶電子會(huì)躍遷至導(dǎo)帶，導(dǎo)帶電子隨后被注入到TiO2的導(dǎo)帶，然后被傳輸?shù)紽TO(氟摻雜氧化錫-透明導(dǎo)電薄膜)，與此同時(shí)空穴傳輸至有機(jī)空穴傳輸層（HTL），從而電子-空穴對(duì)分離，在接通外電路時(shí)，電子與空穴的移動(dòng)產(chǎn)生電流。

鈣鈦礦電池-核心亮點(diǎn)

1.高效率

鈣鈦礦電池轉(zhuǎn)換效率提升速度明顯高于晶硅類。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池用了10年左右的時(shí)間將轉(zhuǎn)換效率從最初的3.8%，提高至25.7%（截至2021年12月26日），而這一進(jìn)程晶硅類太陽(yáng)能電池花費(fèi)了四五十年。

單結(jié)PSCs當(dāng)前最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)25.7%，理論轉(zhuǎn)化效率可達(dá)31%。單結(jié)PSCs指只有一個(gè)PN結(jié)的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，多結(jié)PSCs指有多個(gè)PN結(jié)的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，多結(jié)的PSCs光譜吸收效果更好、效率更高，但成本也更高。理論上單結(jié)PSCs最高光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)31%，多結(jié)PSCs最高光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)47%，顯著高于晶體硅太陽(yáng)能電池的29.4%。

2.靈活性

其作為一種化合物，配方可調(diào)，不但可以將其帶隙盡可能地推向理想值，也可針對(duì)不同波長(zhǎng)入射光設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)高水平轉(zhuǎn)化率。這也是有望推動(dòng)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(yōu)化空間與手段均十分有限

3.原材料純度要求低且十分易得，用量亦低于晶硅類。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的原材料均為基礎(chǔ)化工材料，不含稀有元素。晶硅類太陽(yáng)能電池對(duì)硅料純度要求需達(dá)99.9999%，而鈣鈦礦材料對(duì)雜質(zhì)不敏感，純度在90%左右的鈣鈦礦材料即可制成轉(zhuǎn)換效率在20%以上的太陽(yáng)能電池，95%純度的鈣鈦礦即可滿足生產(chǎn)使用需求，原材料更加易得。

晶硅類太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)每年約需要50萬(wàn)噸硅料，而若全部替換為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，大約只需要1000噸鈣鈦礦原料，因此PSCs不存在原材料瓶頸。

4.成本低

晶硅電池在四個(gè)不同工廠內(nèi)分別加工硅料、硅片、電池、組件，此過(guò)程需要至少耗時(shí)3天。但根據(jù)協(xié)鑫納米披露，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)流程簡(jiǎn)單，可在45分鐘內(nèi)將玻璃、膠膜、靶材、化工原料在單一工廠內(nèi)加工成為組件，產(chǎn)業(yè)鏈顯著縮短，價(jià)值高度集中。

行行查數(shù)據(jù)顯示，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的組件生產(chǎn)流程：沉積透明導(dǎo)電層（TCO）、沉積電子傳輸層（ETL）、沉積鈣鈦礦層、沉積空穴傳輸層（HTL）、背電池制備、組件封裝，較晶硅類太陽(yáng)能電池制備大幅簡(jiǎn)化。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池由多個(gè)功能薄膜疊加而成，所以制備鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的基本方法是在基底上一層層累置薄膜。

工藝包括薄膜制備、激光刻蝕、封裝三大步，關(guān)鍵在實(shí)現(xiàn)大面積高質(zhì)量薄膜制備。

鈣鈦礦電池-主要缺點(diǎn)

1.不耐用

穩(wěn)定性是制約鈣鈦礦太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)化的重要因素

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池作為歷史上發(fā)展最快的光伏技術(shù)，在效率及成本端均較晶硅類電池有優(yōu)勢(shì)，但主要缺點(diǎn)是壽命短（穩(wěn)定性低）。目前鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的T80壽命（效率下降到初始值的80%）約4000小時(shí)，距當(dāng)前主流光伏技術(shù)的25年壽命相差甚遠(yuǎn)。

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(jié)構(gòu)可能存在不耐高溫、不耐光照、易水解、易氧化、易發(fā)生二次反應(yīng)等缺陷。盡管近兩年伴隨著鈣鈦礦材料相關(guān)研究的長(zhǎng)足進(jìn)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(hù)措施，如保護(hù)涂層或摻雜等，還存在犧牲效率的可能。

2.不好造

目前的鈣鈦礦電池在大尺寸設(shè)備和批量生產(chǎn)的工藝上仍然存在問(wèn)題。

當(dāng)前的鈣鈦礦電池主要處于實(shí)驗(yàn)室階段，而制備工藝顯然和工業(yè)化生產(chǎn)存在很大不同。當(dāng)前限制鈣鈦礦電池大尺寸化的因素，首先是涂覆技術(shù)的不成熟，鈣鈦礦層沒(méi)法均勻涂抹在設(shè)備表面，對(duì)器件性能有明顯負(fù)面影響，需要開(kāi)發(fā)更好的噴涂工藝。

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

說(shuō)的更直接一點(diǎn)受限于多方面原因，現(xiàn)階段的鈣鈦礦電池根本造不大，造大了的性能也不好。

但近日，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院譚海仁教授課題組和英國(guó)牛津大學(xué)學(xué)者，運(yùn)用涂布印刷、真空沉積等技術(shù)，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了大面積全鈣鈦礦疊層光伏組件的制備，開(kāi)辟了大面積鈣鈦礦疊層電池的量產(chǎn)化、商業(yè)化的全新路徑。該組件穩(wěn)定的光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)21.7%，是目前已知的鈣鈦礦光伏組件的世界最高效率。該成績(jī)被最新一期的《太陽(yáng)電池世界紀(jì)錄表》收錄，相關(guān)成果近日刊發(fā)于國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。

3.不環(huán)保

現(xiàn)階段，工業(yè)化生產(chǎn)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(qiáng)、光電流傳輸速度快、缺陷容忍度高等一系列優(yōu)異綜合性能。

但問(wèn)題在于，鉛是一種廣為人知的有毒重金屬，無(wú)論是對(duì)環(huán)境還是人體都有著毋庸置疑的危害。盡管有些觀點(diǎn)稱，鈣鈦礦材料的生產(chǎn)流程只要設(shè)計(jì)得當(dāng)就不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多污染，但這也意味著更為復(fù)雜的生產(chǎn)工藝與副產(chǎn)物處理流程，在成本上是否足夠經(jīng)濟(jì)還不太確定。

如何用更為環(huán)境友好的配方替代鉛鹵鈣鈦礦是一個(gè)比較主要的研究方向。當(dāng)前錫基材料進(jìn)展相對(duì)不錯(cuò)，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(jì)錄也僅有14%）。此外，相較于鉛，組分中的二價(jià)錫更為敏感，很容易被氧化為四價(jià)錫導(dǎo)致性能急劇惡化，這還會(huì)進(jìn)一步縮減鈣鈦礦電池本就不太行的設(shè)備壽命。

4.不明白

鈣鈦礦材料存在一種被稱為“深阱態(tài)”（deep trap state）的缺陷，顧名思義，它會(huì)像陷阱一樣困住載流子，導(dǎo)致光能無(wú)法轉(zhuǎn)化為電能，而以熱量的形式損失，導(dǎo)致發(fā)電能力存在性能損失、穩(wěn)定性欠佳。

盡管有大量研究在嘗試分析，這種現(xiàn)象的具體成因仍然不明。

鈣鈦礦電池-市場(chǎng)格局-研發(fā)端

國(guó)際上著名的鈣鈦礦電池研發(fā)企業(yè)有牛津光伏（Oxford PV）和松下公司（Panasonic）等。

國(guó)內(nèi)本土鈣鈦礦設(shè)備廠商訂單部分已成功交付，生產(chǎn)廠商效率不斷突破，融資進(jìn)展順利，已陸續(xù)布局中試線。

據(jù)PV-Tech不完全統(tǒng)計(jì)，2021年共有17家企業(yè)參與鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)的投資/融資，共計(jì)6項(xiàng)投資項(xiàng)目總投資/融資金額超85億元。

國(guó)內(nèi)PSCs生產(chǎn)主要廠商協(xié)鑫光電、纖納光電、極電光能均已完成超億元融資。

?協(xié)鑫光電已投建全球首條100MW大面積組件中試線，作為目前最大尺寸鈣鈦礦電池記錄的保持者，正致力于開(kāi)發(fā)1m×2m大尺寸鈣鈦礦組件，在度電成本比晶硅更低的情況下，開(kāi)啟鈣鈦礦電池的商業(yè)化量產(chǎn)。

?極電光能已開(kāi)始建設(shè)150MW試驗(yàn)線，64cm鈣鈦礦光伏組件轉(zhuǎn)換效率高達(dá)20.5%，穩(wěn)態(tài)達(dá)20.1%。

?纖納光電七次刷新小組件世界紀(jì)錄。

?無(wú)限光能獲數(shù)千萬(wàn)元天使輪融資，融資資金將用于大尺寸鈣鈦礦太陽(yáng)能電池模組試驗(yàn)線的建設(shè)、擴(kuò)充研發(fā)及量產(chǎn)技術(shù)團(tuán)隊(duì)，預(yù)計(jì)將在三季度完成試驗(yàn)線建設(shè)，年內(nèi)實(shí)現(xiàn)大尺寸電池模組批量下線。

2020年上海光伏展上，協(xié)鑫、愛(ài)旭和賽維展出了鈣鈦礦疊層電池相關(guān)產(chǎn)品。

2021年安徽華晟完成了異質(zhì)結(jié)/鈣鈦礦疊層電池中試開(kāi)發(fā)；隆基公布異質(zhì)結(jié)-鈣鈦礦疊層電池專利，該疊層電池包括底電池、空穴傳輸層、鈣鈦礦吸收層以及透明導(dǎo)電層。泰州錦能新能源在湖南常德規(guī)劃鈣鈦礦銅銦鎵硒疊層電池項(xiàng)目，南京大學(xué)在全鈣鈦礦疊層電池效率高達(dá)26.4%，創(chuàng)造世界紀(jì)錄。

鈣鈦礦電池-市場(chǎng)格局-設(shè)備端

鈣鈦礦電池設(shè)備研發(fā)，助力鈣鈦礦電池成熟商用鈣鈦礦電池原料用量少，不稀缺，其關(guān)鍵技術(shù)壁壘將建立在設(shè)備端。

從設(shè)備端來(lái)看，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制備主要工藝為涂布及PVD（物理氣相沉積），生產(chǎn)流程比晶硅類大幅簡(jiǎn)化，目前處于設(shè)備工藝驗(yàn)證階段。

國(guó)產(chǎn)設(shè)備廠商有德滬涂膜、眾能光電、捷佳偉創(chuàng)、晟成光電（京山輕機(jī)子公司）、邁為股份、帝爾激光等

?德滬涂膜深耕狹縫涂布設(shè)備，供應(yīng)協(xié)鑫100MW量產(chǎn)線；

?眾能光電已對(duì)外銷售刮涂/涂布一體機(jī)、磁控濺射、熱蒸發(fā)鍍、ALD和激光刻蝕機(jī)等工藝單機(jī)以及光伏組件整線近100臺(tái)套；

?2022年6月，晟成光伏鈣鈦礦電池團(tuán)簇型多腔式蒸鍍?cè)O(shè)備量產(chǎn)，成功應(yīng)用多個(gè)客戶端；

?2022年7月，捷佳偉創(chuàng)鈣鈦礦電池RPD設(shè)備（立式反應(yīng)式等離子體鍍膜設(shè)備）出廠發(fā)貨；

?邁為股份、帝爾激光積極推進(jìn)鈣鈦礦激光設(shè)備。

產(chǎn)業(yè)鏈主要企業(yè)還包括亞瑪頓、金辰股份、羅博特科、隆基股份、寧德時(shí)代、東方日升、通威股份、晶科能源、中來(lái)股份、聆達(dá)股份、金風(fēng)科技、杰普特、拓日新能、無(wú)限光能、杭蕭鋼構(gòu)等。

隨著學(xué)術(shù)界不斷刷新鈣鈦礦電池光電轉(zhuǎn)換效率，初創(chuàng)企業(yè)如雨后春筍，傳統(tǒng)巨頭也準(zhǔn)備加深護(hù)城河，鈣鈦礦電池已經(jīng)來(lái)到商業(yè)化的前夜。各家企業(yè)著力解決大尺寸面積，高性能高穩(wěn)定性鈣鈦礦電池組件制造問(wèn)題。

鈣鈦礦電池-未來(lái)發(fā)展關(guān)鍵點(diǎn)

中信證券研究所認(rèn)為，鈣鈦礦未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)在于：

?1）提升疊層電池器件中鈣鈦礦頂電池的穩(wěn)定性和大面積制備是疊層電池邁向產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)；

?2）鈣鈦礦光電器件裝備的研發(fā)，激光、蒸鍍、磁控和SALD設(shè)備和配套工藝方面的積累；

?3）鈣鈦礦技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，需要材料、設(shè)備及鍍膜等合作開(kāi)發(fā)新型的鍍膜材料及相關(guān)鍍膜設(shè)備

?4）傳統(tǒng)鈣鈦礦吸光材料在長(zhǎng)期光照加熱條件下結(jié)構(gòu)極易被破壞，導(dǎo)致電池性能迅速衰減，穩(wěn)定性是個(gè)世界難題，這一點(diǎn)纖納光電近期有所突破，但仍需很長(zhǎng)的路要走。

鈣鈦礦電池-思考

在光電轉(zhuǎn)換效率上，鈣鈦礦確實(shí)表現(xiàn)出了遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)晶硅電池的水平。

2021年11月底，柏林亥姆霍茲中心(HZB)的研究人員開(kāi)發(fā)出了一種認(rèn)證效率高達(dá)29.8%的鈣鈦礦/硅串聯(lián)電池，打破了2020年12月由英國(guó)牛津的Oxford PV公司創(chuàng)下的前紀(jì)錄29.52%。這兩組數(shù)據(jù)甚至都已經(jīng)超越晶硅電池29.43%的理論極限，達(dá)到了全新領(lǐng)域。

當(dāng)然有人會(huì)說(shuō)這不是純鈣鈦礦電池，那么也有韓國(guó)蔚山國(guó)家科學(xué)技術(shù)研究所（UNIST）大學(xué)的25.8%效率的單結(jié)鈣鈦礦電池和南京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)26.7%效率的全鈣鈦礦疊層電池。還有許多其他路線的鈣鈦礦電池都能達(dá)到22.5%的晶硅電池國(guó)標(biāo)要求。

但效率從來(lái)不是光伏電池唯一需要解決的問(wèn)題，這些了不起的成績(jī)，都是有前提的。

首先，作為實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目這些成果對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的指導(dǎo)意義終究有限。

其次是這些電池的尺寸很小，HZB和Oxford PV的電池尺寸分別只有1cm2、1.12cm2（這種尺寸在實(shí)驗(yàn)室電池中甚至不算小）；壽命也非常的短，例如500小時(shí)標(biāo)準(zhǔn)光照后，UNIST的設(shè)備效率就會(huì)下降至90%水平。一言以蔽之，都離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)室。

這些數(shù)據(jù)在晶硅電池25年的使用壽命與平米級(jí)的組件尺寸面前，只有學(xué)術(shù)價(jià)值，還不值得工業(yè)上的關(guān)注。

這揭示了當(dāng)前一種不太好的趨勢(shì)：在談及光伏領(lǐng)域的成果時(shí)過(guò)分強(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)化效率，孤立地將之作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，有意無(wú)意忽視其它條件。這顯然過(guò)度簡(jiǎn)化了新技術(shù)在投入工業(yè)生產(chǎn)時(shí)面對(duì)的復(fù)雜性。