中國(guó)工業(yè)報(bào)記者   張楠

“雙碳”目標(biāo)下，光伏行業(yè)潛力無(wú)限。鈣鈦礦技術(shù)，作為第三代光伏技術(shù)，在促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展上扮演著越來(lái)越重要的角色。

鈣鈦礦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，主要包括單結(jié)鈣鈦礦電池和疊層鈣鈦礦電池。

近年來(lái)，鈣鈦礦電池技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展階段，單結(jié)鈣鈦礦電池能量轉(zhuǎn)換效率從2016年的19.6%提高到2024年的34.6%。在今年的上海SNEC展會(huì)上，隆基綠能宣布其研制的晶硅-鈣鈦礦疊層太陽(yáng)電池取得了重大突破。據(jù)歐洲太陽(yáng)能測(cè)試機(jī)構(gòu)（ESTI）的權(quán)威認(rèn)證，該電池的光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)34.6%，再次刷新了隆基團(tuán)隊(duì)此前創(chuàng)造的晶硅-鈣鈦礦疊層電池效率世界紀(jì)錄（33.9%）。

相比晶硅電池，鈣鈦礦電池有著與生俱來(lái)的優(yōu)勢(shì)。從電池效率來(lái)看，單結(jié)鈣鈦礦電池效率上限超30%，雙結(jié)疊層效率上限更有望接近45%，而單結(jié)晶硅電池效率難以突破30%。從成本來(lái)看，鈣鈦礦電池相對(duì)于晶硅電池所需原材料價(jià)格更低，且更容易加工。從“雙碳”角度來(lái)看，晶硅的原材料耗電量較高，據(jù)測(cè)算，晶硅電池在原材料環(huán)節(jié)的耗電量需要其“工作”六到七年才能抵消。而鈣鈦礦的有機(jī)原材料耗電量很低，且用量少。此外，鈣鈦礦電池相對(duì)晶硅電池具備高弱光效應(yīng)，鈣鈦礦材料在陰雨天氣和日出日落等弱光環(huán)境均能工作。

理想的數(shù)據(jù)很豐滿(mǎn)，但是，要真正實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦電池商業(yè)化，仍然面臨著很多難題。中國(guó)科學(xué)院院士、高分子化學(xué)家李永舫在接受中國(guó)工業(yè)報(bào)記者采訪時(shí)指出，鈣鈦礦的核心問(wèn)題就是要解決穩(wěn)定性。如果穩(wěn)定性不解決就很難占領(lǐng)市場(chǎng)。

究其原因，主要是鹵化物鈣鈦礦材料本身易分解，在紫外光照、潮濕、熱輻射、氧氣、電場(chǎng)等環(huán)境中會(huì)加快分解。另外，溶液法涂層的多晶鈣鈦礦薄膜表界面存在大量的缺陷，而且表界面缺陷和離子遷移也加快了鹵化物鈣鈦礦材料的破壞，容易加速自身老化；缺陷還易引起非輻射電荷復(fù)合，限制器件光伏性能。

另一大挑戰(zhàn)，則是大面積高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜的制備。李永舫院士解釋?zhuān)S著面積的增大，鈣鈦礦膜的均勻性和質(zhì)量往往會(huì)明顯下降，導(dǎo)致電池效率大幅下降。這是制約鈣鈦礦太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的主要瓶頸之一。

如何克服這些難題，成為當(dāng)前科研領(lǐng)域的重要課題。

近日，華北電力大學(xué)與瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院等高?？蒲腥藛T合作，成功突破鈣鈦礦材料光熱穩(wěn)定性不足的難題，有效提升鈣鈦礦太陽(yáng)能電池壽命。相關(guān)成果11月1日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》發(fā)表。

日前，中國(guó)科學(xué)院院士、南京航空航天大學(xué)教授郭萬(wàn)林團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池領(lǐng)域取得了重大突破。該團(tuán)隊(duì)采用全新的基于氣相的鈣鈦礦處理方法，成功制備出光電轉(zhuǎn)化效率超過(guò)18%、面積超過(guò)200平方厘米的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。這一成果為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池走向商業(yè)化應(yīng)用提供了新的策略。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所的孟慶波團(tuán)隊(duì)也在進(jìn)行鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研究，他們發(fā)現(xiàn)，在涂布過(guò)程中，鈣鈦礦的成核及結(jié)晶過(guò)程是影響大面積電池效率的關(guān)鍵因素。因此，他們通過(guò)界面應(yīng)力調(diào)控、鈣鈦礦薄膜表界面缺陷鈍化以及鈣鈦礦層結(jié)晶誘導(dǎo)等方法，實(shí)現(xiàn)了超過(guò)25%的光電轉(zhuǎn)換效率，并在電池模塊上實(shí)現(xiàn)了超過(guò)22%的光電轉(zhuǎn)換效率。

日前，李永舫院士、孟磊研究員團(tuán)隊(duì)與合作者成功研制了新型鈣鈦礦——有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池，實(shí)現(xiàn)26.4%的光電轉(zhuǎn)化效率（經(jīng)第三方認(rèn)證25.7%），為迄今此類(lèi)疊層太陽(yáng)能電池最高效率。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和科研人員的積極探索，鈣鈦礦電池商業(yè)化應(yīng)用指日可待。李永舫院士認(rèn)為，柔性的鈣鈦礦電池在未來(lái)一到兩年就能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。“但是做到玻璃上，我認(rèn)為是無(wú)法和硅競(jìng)爭(zhēng)的，因?yàn)槟壳肮栀u(mài)的更便宜。用戶(hù)會(huì)考慮性?xún)r(jià)比，買(mǎi)更便宜、穩(wěn)定性更好的產(chǎn)品。另外，鈣鈦礦電池含有重金屬，還需解決回收問(wèn)題?！崩钣吏吃菏酷槍?duì)目前的研究現(xiàn)狀與市場(chǎng)前景補(bǔ)充道。

李永舫院士認(rèn)為，鈣鈦礦電池的發(fā)展要做柔性的，發(fā)揮其輕、薄、柔的優(yōu)點(diǎn)。將來(lái)它和硅不是競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系，是互補(bǔ)的關(guān)系。柔性鈣鈦礦有其獨(dú)特的應(yīng)用場(chǎng)景，比如光伏建筑一體化、車(chē)載光伏、室內(nèi)光伏等。