鈣鈦礦是一種對(duì)稱(chēng)的立方八面體晶格結(jié)構(gòu)，后來(lái)科學(xué)家們將擁有這種晶格結(jié)構(gòu)的一類(lèi)物質(zhì)統(tǒng)稱(chēng)為鈣鈦礦。這類(lèi)材料通常具有ABX3的化學(xué)式，其中A、B、X都對(duì)應(yīng)著不同的離子，通常，A代表有機(jī)胺陽(yáng)離子，B代表金屬陽(yáng)離子，如鉛Pb離子、錫Sn離子，X代表鹵素陰離子。因此，鈣鈦礦指的不是特定材料，而是一種結(jié)構(gòu)，一類(lèi)物質(zhì)。
圖1：鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)和A、B、X離子
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）是第三代高效薄膜電池的代表，具有高效率、高柔性、低成本的發(fā)展?jié)摿?，被譽(yù)為“光伏領(lǐng)域新希望”。鈣鈦礦電池還可通過(guò)與HJT疊層進(jìn)一步提升光電轉(zhuǎn)換效率，是未來(lái)產(chǎn)業(yè)化的重點(diǎn)研究方向。
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中最主要的問(wèn)題在于解決穩(wěn)定性問(wèn)題、大面積制備問(wèn)題和環(huán)保性問(wèn)題。
圖2：三代太陽(yáng)能電池
鈣鈦礦電池的主要優(yōu)勢(shì)有：高效率、低成本優(yōu)勢(shì)、降耗。
鈣鈦礦光電轉(zhuǎn)換效率提升速度明顯很快，下圖中斜率是很大的。鈣鈦礦在10年左右的時(shí)間里，從最初的3.8%提高至25.7%（更新至2021年12月26日)。
圖3：鈣鈦礦電池效率（紅色）提升速度很快
單結(jié)鈣鈦礦電池理論轉(zhuǎn)化效率可達(dá) 31%。單結(jié)指只有一個(gè)PN結(jié)，多結(jié)指有多個(gè)PN結(jié)，多結(jié)光譜吸收效果更好、效率更高，但成本也更高。多結(jié)鈣鈦礦最高光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)47%，相比晶硅電池的理論最高效率29.4%來(lái)說(shuō)，確實(shí)很高。
圖4：不同太陽(yáng)能電池技術(shù)的效率范圍與極限
TOPCon、HJT是晶硅電池領(lǐng)先PERC電池的新一代技術(shù)。雖然當(dāng)前市場(chǎng)主流技術(shù)仍是 PERC，但目前產(chǎn)能擴(kuò)張主要集中在TOPCon和HJT。而隨著TOPCon 、HJT的成熟，晶硅-鈣鈦礦疊層電池也成為了研究發(fā)展的重點(diǎn)方向。
這里就要說(shuō)下，相比TOPCon，鈣鈦礦與HJT具有更好的疊層電池匹配度。根據(jù)禁帶寬度從小到大、光譜波段由長(zhǎng)到短，可依次將不同材料從底向頂羅列起來(lái)，形成疊層電池。HJT具有1.1eV的窄帶隙，非常適合作為底電池，與之相匹配的頂電池帶隙在1.6-1.9eV之間。鈣鈦礦通過(guò)調(diào)整元素成分，可以獲得一個(gè)從1.5-2.2eV可調(diào)控的禁帶寬度，當(dāng)調(diào)節(jié)至合適帶隙，可形成高效率的疊層電池。
圖5：鈣鈦礦-HJT疊層電池產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖
鈣鈦礦-HJT疊層電池能更加合理地利用全光譜范圍內(nèi)的光子，減少能量損失，是突破單結(jié)電池效率極限的重要方法，目前研究表明，極限效率在44-45%，比HJT電池有很大的提升。
鈣鈦礦電池未來(lái)在原材料、生產(chǎn)環(huán)節(jié)、能耗上具有一定的成本優(yōu)勢(shì)。
圖6：鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)疽鈭D
鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)，相對(duì)晶硅電池的硅料-硅片-電池-組件來(lái)說(shuō)，明顯縮短。鈣鈦礦電池可在單一工廠(chǎng)內(nèi)，將玻璃、膠膜、靶材、化工原料等加工成為組件。
鈣鈦礦對(duì)原材料純度的要求更低。對(duì)鈣鈦礦原料的需求也比較低。從組件制造成本來(lái)看，晶硅電池的主要成本就是電池片（晶硅），而鈣鈦礦電池組件的主要成本確實(shí)電極材料和封裝材料，鈣鈦礦只占5%左右。
鈣鈦礦可低溫溶液制備，主要工藝有旋涂、噴涂、刮涂等溶液工藝實(shí)現(xiàn)成膜，生產(chǎn)過(guò)程中的能耗較低。
圖7：晶硅組件和鈣鈦礦組件的制造成本結(jié)構(gòu)
此外，鈣鈦礦產(chǎn)能投資在未來(lái)也存在優(yōu)勢(shì)。鈣鈦礦1GW產(chǎn)能投資約5億元，晶硅1GW的產(chǎn)能（硅料、硅片、電池、組件）投資在10億左右。協(xié)鑫納米鈣鈦礦的第一條100MW設(shè)備產(chǎn)線(xiàn)投資為1億元，目前看與晶硅電池持平。
但鈣鈦礦電池穩(wěn)定性、大面積制備、環(huán)保性是目前制約發(fā)展的重要因素。
穩(wěn)定性是鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)化最需要解決的問(wèn)題。鈣鈦礦太陽(yáng)能主要缺點(diǎn)是壽命（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)，距晶硅電池25年壽命相差甚遠(yuǎn)。
從原因來(lái)看，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池不穩(wěn)定的原因可以分為吸濕性、熱不穩(wěn)定性、離子遷移等內(nèi)在因素，和紫外線(xiàn)、光照等外在因素。
圖8：鈣鈦礦電池不穩(wěn)定性原因
目前鈣鈦礦大面積組件效率仍遠(yuǎn)低于小面積，實(shí)驗(yàn)室很多超記錄的效率都是很小的組件。小面積與大面積存在顯著的效率差距的原因主要有：
1、溶液處理法下大面積薄膜的覆蓋率、均勻性、平整度控制難度更高；
2、鈣鈦礦層的缺陷增加，對(duì)光誘導(dǎo)載流子的提取和傳輸產(chǎn)生負(fù)面影響；
3、透明電極的電阻隨面積增大而近似線(xiàn)性增加，使電池的串聯(lián)電阻增加，性能下降。
同時(shí)，鈣鈦礦存在環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，也是產(chǎn)業(yè)化待解決的問(wèn)題。鈣鈦礦電池中含有鉛元素，鉛元素在國(guó)際許多國(guó)家和地區(qū)都被列為禁止使用的材料。研究者們?cè)谂ο驘o(wú)鉛化鈣鈦礦探索，但相應(yīng)會(huì)帶來(lái)轉(zhuǎn)換效率降低。
各大廠(chǎng)家已在鈣鈦礦設(shè)備、電池、材料、檢測(cè)端紛紛布局。
鈣鈦礦制備過(guò)程較晶硅電池更簡(jiǎn)單，當(dāng)前處于設(shè)備工藝驗(yàn)證階段。鈣鈦礦電池組件生產(chǎn)流程主要為：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。較晶硅電池制備簡(jiǎn)化不少。
鈣鈦礦主要設(shè)備廠(chǎng)商邁為股份、晟成光伏、捷佳偉創(chuàng)、杰普特、德滬涂膜等，訂單方面都有進(jìn)展。
德滬涂膜是核心涂膜設(shè)備供應(yīng)商，首套大面積核心涂膜設(shè)備系統(tǒng)已經(jīng)被客戶(hù)驗(yàn)收成功。晟成光伏與協(xié)鑫光電聯(lián)合開(kāi)發(fā)疊層電池工藝與相關(guān)設(shè)備。眾能光電激光劃線(xiàn)刻蝕設(shè)備出貨50臺(tái)套，PVD設(shè)備出貨30臺(tái)套。
邁為主要做鈣鈦礦電池激光設(shè)備、真空設(shè)備，為客戶(hù)定制的單結(jié)鈣鈦礦電池激光設(shè)備已經(jīng)交付使用。捷佳偉創(chuàng)主要為鈣鈦礦中試設(shè)備，中標(biāo)了首個(gè)鈣鈦礦中試設(shè)備采購(gòu)訂單。
協(xié)鑫集成、纖納光電、極電光能、眾能光電、萬(wàn)度光能等本土鈣鈦礦電池廠(chǎng)商產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度正在資本的助力下快速發(fā)展，預(yù)計(jì)2023年國(guó)內(nèi)鈣鈦礦電池總產(chǎn)能可以達(dá)到1GW，也是一個(gè)重要的里程碑。
鈣鈦礦生產(chǎn)主要廠(chǎng)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(xiàn)，極電光能也已開(kāi)始建設(shè)150MW試驗(yàn)線(xiàn)，纖納光電完成由三峽資本領(lǐng)投的C輪融資，并已在衢州投100MW鈣鈦礦電池集中式電站。
圖9：鈣鈦礦電池生產(chǎn)廠(chǎng)商最新融資情況
鈣鈦礦電池具有質(zhì)量輕、厚度低、可彎曲、半透明等特性，十分適合制備成柔性電池，以便與航空、軍事、建筑、可穿戴式發(fā)電器件集成在一起，并極大拓寬了應(yīng)用場(chǎng)景。
鈣鈦礦電池在光伏建筑BIPV領(lǐng)域被寄予厚望，此外還可用于電動(dòng)汽車(chē)移動(dòng)發(fā)電電源及其它光伏+高性能場(chǎng)景，預(yù)計(jì)未來(lái)總市場(chǎng)規(guī)模超千億。
鈣鈦礦與晶硅疊層太陽(yáng)電池和組件產(chǎn)品可應(yīng)用于集中式發(fā)電站。
鈣鈦礦電池發(fā)展在資本的助力下，如火如荼。疊層電池創(chuàng)新也為新能源行業(yè)注入了新的效率增長(zhǎng)路線(xiàn)。
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