【編者按】十年前，《科學(xué)》（Science）雜志評(píng)選2013年十大突破，新型太陽(yáng)能電池材料鈣鈦礦制成的電池入選。它具備效率高、成本低、制造工藝簡(jiǎn)單、光譜吸收范圍廣等優(yōu)勢(shì)，一夜之間成為行業(yè)關(guān)注焦點(diǎn)。

2016年，國(guó)內(nèi)迎來鈣鈦礦電池創(chuàng)業(yè)元年。到2022年下半年，鈣鈦礦電池已經(jīng)成為大熱賽道，但在經(jīng)歷奧聯(lián)電子“履歷門”事件后熱度降溫。資本大量涌入下，行業(yè)亟需理性態(tài)度。在技術(shù)上，鈣鈦礦電池存在多條各有優(yōu)劣的技術(shù)路線，面臨壽命、穩(wěn)定性、大面積應(yīng)用時(shí)的效率損失等痛點(diǎn)，很多原始創(chuàng)新仍然出自國(guó)外。

近期，鈣鈦礦領(lǐng)域多位學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界人士向澎湃科技（m.dbgt.com.cn）回溯了鈣鈦礦電池的冷與熱，提出推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化的理性思考。澎湃科技特別推出“探路鈣鈦礦”專題，敬請(qǐng)垂注。

南京大學(xué)昆山創(chuàng)新研究院研發(fā)的全印刷工藝大面積碳電極鈣鈦礦太陽(yáng)能電池 微信公眾號(hào)@材料人 資料圖

傳統(tǒng)晶硅電池的光電轉(zhuǎn)換效率已接近29.4%的理論極限，未來效率提升空間小。為了突破效率天花板，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池成為光伏技術(shù)變革新方向之一。將晶硅電池和鈣鈦礦電池堆疊形成的晶硅/鈣鈦礦疊層電池技術(shù)路線，轉(zhuǎn)換效率全球最高紀(jì)錄已達(dá)33.2%。

當(dāng)前，鈣鈦礦電池有多條技術(shù)路線，每一條技術(shù)路線各有優(yōu)劣，都需要繼續(xù)解決壽命、穩(wěn)定性、大面積應(yīng)用時(shí)的效率損失等痛點(diǎn)。鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)就像三明治，一般由透明導(dǎo)電電極、電子傳輸層、鈣鈦礦吸光層、空穴傳輸層、金屬電極5部分組成。核心層鈣鈦礦層薄膜可使用干法、濕法等制備方式，其在大面積制備時(shí)的均勻度和致密度，與電池大面積時(shí)的效率損失密切相關(guān)。

耀途資本投資副總裁周俊認(rèn)為，無論是單結(jié)鈣鈦礦電池還是疊層鈣鈦礦電池、干法鍍膜還是濕法鍍膜，最關(guān)鍵的是降本增效、人事匹配，“哪一種技術(shù)路線能做出降本增效的產(chǎn)品并且擅長(zhǎng)這種技術(shù)路線，去做就行。更多資本和專業(yè)人士進(jìn)來，能夠指出行業(yè)的問題，幫助行業(yè)快速迭代和發(fā)展?！?/p>

鈣鈦礦電池主流技術(shù)路線

當(dāng)前，鈣鈦礦電池主要有單結(jié)鈣鈦礦電池和疊層鈣鈦礦電池。如果一個(gè)鈣鈦礦電池只有鈣鈦礦本身的“三明治”結(jié)構(gòu)，那么就是單結(jié)鈣鈦礦電池。所謂疊層鈣鈦礦電池，是指鈣鈦礦層可以堆疊在彼此之上，也可以堆疊在傳統(tǒng)晶硅太陽(yáng)能電池之上，形成能夠吸收更寬太陽(yáng)光譜的“串聯(lián)”電池。按照不同材料的堆疊，疊層鈣鈦礦電池的技術(shù)路線有晶硅/鈣鈦礦疊層電池、全鈣鈦礦疊層電池、薄膜電池（如銅銦鎵硒）/鈣鈦礦疊層電池等。

太陽(yáng)能電池分類。

單結(jié)鈣鈦礦電池是所有鈣鈦礦電池產(chǎn)品形態(tài)的基礎(chǔ)，技術(shù)難度相對(duì)更低。其理論轉(zhuǎn)換效率可達(dá)33%，實(shí)驗(yàn)室最高認(rèn)證效率目前為25.8%。從事鈣鈦礦電池技術(shù)研發(fā)和商業(yè)化應(yīng)用的深圳無限光能技術(shù)有限公司（下稱“無限光能”）創(chuàng)始人兼CEO梁作對(duì)澎湃科技（m.dbgt.com.cn）表示，單結(jié)鈣鈦礦電池的商業(yè)化將先于疊層電池實(shí)現(xiàn)。一方面是由于單結(jié)鈣鈦礦電池發(fā)展時(shí)間長(zhǎng)，工藝及材料體系相對(duì)更成熟。另一方面，晶硅/鈣鈦礦疊層電池中，鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性和晶硅電池的穩(wěn)定性是否匹配仍有待驗(yàn)證，在得到驗(yàn)證之前，晶硅/鈣鈦礦疊層電池的大規(guī)模應(yīng)用難度大。無限光能以首先量產(chǎn)單結(jié)鈣鈦礦電池為目標(biāo)，晶硅/鈣鈦礦疊層電池也在同步研發(fā)。

暨南大學(xué)新能源技術(shù)研究院院長(zhǎng)、廣東脈絡(luò)能源科技有限公司創(chuàng)始人麥耀華告訴澎湃科技，晶硅/鈣鈦礦疊層電池轉(zhuǎn)換效率全球最高紀(jì)錄已達(dá)33.2%，已超過單晶硅電池29.4%的理論轉(zhuǎn)換效率，因此前景光明，可依托現(xiàn)有光伏產(chǎn)業(yè)進(jìn)行開發(fā)，降低成本。

晶硅/鈣鈦礦疊層電池的堆疊方式有兩端結(jié)構(gòu)和四端結(jié)構(gòu)。例如隆基綠能“鈣鈦礦/晶硅疊層兩端電池”效率29.55%、“鈣鈦礦/晶硅疊層四端電池”效率25.9%。兩端疊層電池結(jié)構(gòu)是在晶硅電池上直接生長(zhǎng)鈣鈦礦電池，中間通過復(fù)合層或隧道結(jié)將兩個(gè)子電池串聯(lián)起來，這種電池僅需要一個(gè)透明電極，有利于減少寄生吸收，降低成本。但梁作表示，“晶硅/鈣鈦礦疊層電池中，鈣鈦礦電池發(fā)揮的效率約為總效率的2/3，晶硅電池只有約1/3，如果10年或15年以后鈣鈦礦電池效率突然掉得很厲害，可能不如直接使用單晶硅電池?！睓C(jī)械堆疊的四端疊層電池的兩個(gè)子電池獨(dú)立制作，僅在光學(xué)上存在聯(lián)系，電路相互獨(dú)立，正負(fù)極總計(jì)有四個(gè)。梁作表示，從工藝難度來看，四端疊層電池更容易實(shí)現(xiàn)，但增加了成本，兩套系統(tǒng)的電流電壓也會(huì)不同。麥耀華也提到，四端疊層電池疊起來簡(jiǎn)單，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，將增加線纜成本、人力成本等系統(tǒng)成本，未來很難降低使用鈣鈦礦電池時(shí)的度電成本，因此兩端疊層電池是未來。

理論上，最理想的疊層鈣鈦礦電池是鈣鈦礦堆疊鈣鈦礦，開發(fā)全鈣鈦礦疊層電池，提高光電轉(zhuǎn)換效率。南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院教授譚海仁及其創(chuàng)辦的仁爍光能（蘇州）有限公司正在從事鈣鈦礦和鈣鈦礦的疊層研究和產(chǎn)業(yè)化。根據(jù)公開資料，仁爍光能全鈣鈦礦疊層電池穩(wěn)態(tài)光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)29%。麥耀華創(chuàng)辦的脈絡(luò)能源同樣聚焦全鈣鈦礦疊層電池技術(shù)路線，他表示，目前來看全鈣鈦礦疊層電池的工藝兼容性最好，有機(jī)會(huì)獲得更低成本。但梁作認(rèn)為，當(dāng)前全鈣鈦礦疊層電池仍處于早期研究階段，商業(yè)化路徑相對(duì)更長(zhǎng)，產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要一步一個(gè)腳印推進(jìn)；技術(shù)上，不同帶隙寬度可吸收不同波長(zhǎng)的光，讓電池吸收更寬范圍波長(zhǎng)的光才能讓電池效率更高，因此要調(diào)節(jié)兩層鈣鈦礦的帶隙，這就需要調(diào)節(jié)材料的配方體系，但這又令電池穩(wěn)定性面臨挑戰(zhàn)。

除此之外，將鈣鈦礦電池和銅銦鎵硒電池組成串聯(lián)太陽(yáng)能電池，也可以提高器件光電轉(zhuǎn)換效率。但麥耀華表示，目前銅銦鎵硒電池成本難以降低。

鈣鈦礦層薄膜制備方式

無論采用哪一種技術(shù)路線，鈣鈦礦電池仍然需要繼續(xù)解決壽命、穩(wěn)定性、大面積應(yīng)用時(shí)的效率損失等痛點(diǎn)。

麥耀華表示，晶硅電池采用雙玻組件封裝，壽命可以達(dá)到30年。而鈣鈦礦電池最大的缺點(diǎn)是壽命尚未得到有效驗(yàn)證。IEC61215是地面用光伏組件設(shè)計(jì)鑒定和定型測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于晶硅電池和無機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池而言，通過這項(xiàng)測(cè)試意味著電池?fù)碛辛?0年壽命。目前一些企業(yè)的鈣鈦礦電池組件已通過IEC61215測(cè)試，說明已經(jīng)擁有非常好的穩(wěn)定性。但鈣鈦礦電池作為一項(xiàng)新技術(shù)，是否存在特殊的失效機(jī)制還需要更多研究，基于現(xiàn)有失效機(jī)制在室內(nèi)測(cè)試條件下模擬實(shí)際環(huán)境仍有局限。未來需要2-3年時(shí)間把更多組件安裝在不同氣候環(huán)境條件下實(shí)證測(cè)試，打消客戶疑慮。

梁作認(rèn)為，鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性、效率衰減、壽命是一個(gè)概念，穩(wěn)定性好意味著壽命長(zhǎng)。鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性可從兩個(gè)層面理解，一是材料本身的穩(wěn)定性，鈣鈦礦材料是離子鍵結(jié)構(gòu)，與晶硅材料的共價(jià)鍵相比，鈣鈦礦材料更易發(fā)生分解與離子遷移，帶來材料的不穩(wěn)定性。這種不穩(wěn)定一般可以通過調(diào)整材料配方、優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決，比如摻雜其他離子使得晶格穩(wěn)定，或設(shè)計(jì)特殊鈍化層減少離子遷移。二是環(huán)境穩(wěn)定性，鈣鈦礦電池對(duì)于環(huán)境中的水、氧等外界因素敏感，從而影響穩(wěn)定性，這種不穩(wěn)定一般通過封裝技術(shù)解決，目前主流技術(shù)路線是利用防水膠進(jìn)行雙玻封裝。

鈣鈦礦電池大面積應(yīng)用時(shí)的效率衰減是另一個(gè)短板?！霸谌魏伪∧ぬ?yáng)能電池里，包括晶硅電池，都會(huì)碰到同樣的問題，擴(kuò)大電池面積以后轉(zhuǎn)換效率更低了。”麥耀華表示，目前晶硅電池26.81%的轉(zhuǎn)換效率是在270多平方厘米的面積上實(shí)現(xiàn)的，如果鈣鈦礦電池只在小面積上做到30%左右的轉(zhuǎn)換效率仍然是不夠的，所以晶硅/鈣鈦礦疊層電池和全鈣鈦礦疊層電池都需要進(jìn)一步提升轉(zhuǎn)換效率。“把面積放大之后，轉(zhuǎn)換效率有所下降，這幾乎是必然的。例如通常我們會(huì)把鈣鈦礦電池分割成很多小的子電池串聯(lián)起來，要求每個(gè)子電池的電流一致，如果均勻性不好，某些子電池電流高，某些電流低，串聯(lián)起來之后整個(gè)電池的電流受到最小電流的限制，帶來了效率損失。”

“實(shí)驗(yàn)室的小面積鈣鈦礦電池效率做得都挺高的，關(guān)鍵是讓大面積的鈣鈦礦層薄膜質(zhì)量保持和小面積時(shí)一樣?！绷鹤鞅硎?，鈣鈦礦電池的核心層鈣鈦礦層薄膜在大面積制備時(shí)，均勻度、致密度是挑戰(zhàn)，這和設(shè)備、工藝、材料密切相關(guān)，最終需要三者共同配合。材料上，目前主流的鈣鈦礦材料體系是甲脒鉛碘體系，“如果做疊層電池，要調(diào)帶隙，可能會(huì)添加銫、錫、溴、氯等元素。整個(gè)材料體系大家都摸索得差不多了，但也還在不斷優(yōu)化，提升效率和穩(wěn)定性?！?/p>

從工藝角度看，在鈣鈦礦電池的生產(chǎn)中，鍍膜、激光刻蝕、封裝是三大核心工藝環(huán)節(jié)。其中最核心的是鈣鈦礦層薄膜的制備，如何在大面積基板上制備均勻、無孔洞的鈣鈦礦層薄膜是技術(shù)攻關(guān)的重點(diǎn)方向。目前鈣鈦礦薄膜的制備方法主要有干法和濕法。

梁作介紹，干法主要使用真空蒸鍍?cè)O(shè)備，在高真空環(huán)境下，通過蒸發(fā)源加熱，使鈣鈦礦層需要的有機(jī)、無機(jī)材料升華沉積在基片表面，形成薄膜?！坝捎谡婵涨惑w里的環(huán)境一致，沉積薄膜的均勻度以及各批次之間的一致性相對(duì)容易控制?！绷鹤鞅硎?，這種工藝從面板行業(yè)借鑒而來，工藝可控性高，但缺點(diǎn)是工藝速度較慢，為了達(dá)到同樣的生產(chǎn)節(jié)拍，設(shè)備投資相對(duì)較大，但他表示這并不會(huì)對(duì)總產(chǎn)線的成本產(chǎn)生很大影響，“因?yàn)殁}鈦礦層設(shè)備占整線設(shè)備成本不到20%?！?/p>

所謂濕法，也就是低成本的溶液法，將鈣鈦礦層所需的有機(jī)、無機(jī)材料配制成前驅(qū)體溶液，通過狹縫涂布技術(shù)成膜、結(jié)晶。溶液法操作簡(jiǎn)單、成膜速度快，但需要對(duì)有機(jī)溶劑進(jìn)行回收和環(huán)保處理，增加了后端輔助設(shè)備投資。而成膜和結(jié)晶的物理和化學(xué)一致性好壞決定了發(fā)電效能。麥耀華表示，其創(chuàng)辦的脈絡(luò)能源采用涂布技術(shù)鍍膜，涂布設(shè)備相對(duì)于蒸發(fā)設(shè)備更便宜，成本下降空間更大，但涂布的工藝控制過程相當(dāng)復(fù)雜，要進(jìn)一步研究預(yù)結(jié)晶和結(jié)晶的過程。鈣鈦礦電池上游核心設(shè)備供應(yīng)商上海德滬涂膜設(shè)備有限公司董事長(zhǎng)王錦山表示，“變成晶體的過程不難，但在大尺寸上實(shí)現(xiàn)物理變化誘導(dǎo)的成核/結(jié)晶高度化學(xué)一致性比較難。如果解決了這個(gè)難題，就基本實(shí)現(xiàn)了大面積單結(jié)鈣鈦礦的產(chǎn)業(yè)化?！?/p>