編者按：鈣鈦礦作為新一代薄膜太陽(yáng)能電池，其理論極限效率高達(dá)45%，目前實(shí)驗(yàn)室效率已經(jīng)突破30%，同時(shí)原料和制造成本遠(yuǎn)低于晶硅電池，隨著產(chǎn)業(yè)鏈不斷進(jìn)步，技術(shù)成熟，有望成為下一代主流技術(shù)。本文由瑞鵬資產(chǎn)趙圣斌為您具體解析鈣鈦礦太陽(yáng)能技術(shù)。

鈣鈦礦太陽(yáng)能技術(shù)解析

一、鈣鈦礦材料介紹

鈣鈦礦是一種分子通式為ABX3 的晶體材料，呈八面體形狀，光電轉(zhuǎn)換效率高，是最具潛力的下一代光電材料之一。

鈣鈦礦是一種具有很強(qiáng)光-電轉(zhuǎn)換效率的材料結(jié)構(gòu)，應(yīng)用廣泛關(guān)注度高。鈣鈦礦最早是1839 年德國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了元素組成為CaTiO3 礦物，后來(lái)人們將具有這種晶體結(jié)構(gòu)的物質(zhì)統(tǒng)稱為鈣鈦礦。在鈣鈦礦八面體結(jié)構(gòu)中，A 是較大的陽(yáng)離子，B 是較小的陽(yáng)離子，X是陰離子，每個(gè)A 離子被B 和X 離子一起構(gòu)成的八面體所包圍。

鈣鈦礦材料由于其光吸收系數(shù)高、載流子遷移率大、合成方法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是下一代最具前景的光電材料之一。

圖1：鈣鈦礦結(jié)構(gòu)示意圖

光伏領(lǐng)域是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，具有非常好的光伏性能，是光伏近年來(lái)的熱門(mén)研究方向。LED 領(lǐng)域是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料的另一重要應(yīng)用領(lǐng)域，是下一代照明或顯示器LED 的重要發(fā)展路徑。除了光伏、LED 領(lǐng)域之外，鈣鈦礦還在金屬-空氣電池、固體氧化物燃料電池、催化劑、磁制冷材料、自旋電子學(xué)器件、氧分離膜、氣敏材料、多功能導(dǎo)電陶瓷材料等方面具有廣泛的應(yīng)用，是極具發(fā)展?jié)摿Φ男屡d材料。

二、鈣鈦礦太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)介

當(dāng)前太陽(yáng)能電池發(fā)展包括三代：

第一代：以單晶硅、多晶硅為代表的硅晶太陽(yáng)能電池，目前該技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟且應(yīng)用最為廣泛，但存在單晶硅太陽(yáng)能電池對(duì)原料要求過(guò)高，以及多晶硅太陽(yáng)能電池生產(chǎn)工藝過(guò)于復(fù)雜等問(wèn)題。

第二代：薄膜太陽(yáng)能電池，以碲化鎘（CdTe）、砷化鎵（GaAs）為代表的的太陽(yáng)能電池成為研究熱點(diǎn)，該技術(shù)與晶硅電池相比，所需材料較少且容易大面積生產(chǎn)，成本方面優(yōu)勢(shì)較明顯。

第三代：基于高效、綠色環(huán)保和先進(jìn)納米技術(shù)的新型薄膜太陽(yáng)能電池，如染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSCs）、鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）和量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池（QDSCs）等。

圖2 太陽(yáng)能電池技術(shù)的發(fā)展

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）是利用鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料作為吸光材料的太陽(yáng)能電池，屬于第三代太陽(yáng)能電池。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的工作原理：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，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。有機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦太陽(yáng)能電池禁帶寬度約為1.5eV，消光系數(shù)高，幾百納米厚的薄膜即可充分吸收800nm 以下的太陽(yáng)光。

三、光伏領(lǐng)域的新希望

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）是第三代高效薄膜電池的代表，憑借良好的吸光性、電荷傳輸速率、巨大的開(kāi)發(fā)潛力，實(shí)現(xiàn)了高效率、高柔性、低成本，被譽(yù)為“光伏領(lǐng)域的新希望”。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池還可通過(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)發(fā)展方向。

優(yōu)點(diǎn)1：光電轉(zhuǎn)換效率

晶硅類太陽(yáng)能電池經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，目前已經(jīng)接近效率極限，仍無(wú)法滿足“光儲(chǔ)平價(jià)上網(wǎng)”的產(chǎn)業(yè)目標(biāo)。

圖3 晶硅太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率

PSCs 光電轉(zhuǎn)換效率提升速度明顯高于晶硅類。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）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%。

鈣鈦礦帶隙寬度可調(diào)，可制備高效疊層電池。鈣鈦礦可制備2 結(jié)、3 結(jié)及以上的疊層電池，其中2 結(jié)疊層電池有鈣鈦礦-鈣鈦礦和鈣鈦礦-晶硅疊層電池兩種，轉(zhuǎn)換效率可提高到40%左右，3 結(jié)及以上鈣鈦礦疊層電池的理論轉(zhuǎn)換效率更是能達(dá)到50%左右。

優(yōu)點(diǎn)2：組件成本較晶硅大幅降低

PSCs 產(chǎn)業(yè)鏈顯著縮短，原材料到組件僅需45 分鐘。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。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。

圖4 鈣鈦礦與晶硅的工藝流程對(duì)比

PSCs 產(chǎn)能投資是晶硅的二分之一，1GW僅為5 億元。協(xié)鑫光電總經(jīng)理范斌指出，晶硅1GW 的產(chǎn)能（硅料、硅片、電池、組件）投資在11.6 億；而協(xié)鑫納米鈣鈦礦的第一條100MW 設(shè)備產(chǎn)線投資在1 億元，未來(lái)如規(guī)模量產(chǎn)后將進(jìn)一步降低。

PSCs 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。

圖5 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池優(yōu)勢(shì)

發(fā)展制約：穩(wěn)定性、大面積制備、環(huán)保性待突破

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)。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、光照等外在因素。

目前PSCs 大面積模塊的效率仍遠(yuǎn)低于小面積，是制約產(chǎn)業(yè)化的另一難題。小面積電池與大面積模塊之間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）尺寸增大時(shí)，鈣鈦礦層的缺陷也增加，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性增加，使電池的串聯(lián)電阻增加，性能下降。

總結(jié)：隨著目前光伏市場(chǎng)主流技術(shù)PERC 效率逐步接近天花板，HJT、TOPCon、xBC技術(shù)發(fā)展如火如荼，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池作為下一代光伏新勢(shì)力，光電轉(zhuǎn)換效率持續(xù)提升，將成為光伏廠商未來(lái)布局的重中之重。瑞鵬資產(chǎn)將持續(xù)關(guān)注鈣鈦礦領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，尋找優(yōu)質(zhì)投資標(biāo)的。