編者按：鈣钛礦作(zuò)為(wèi)新一(yī)代薄膜太陽能(néng)電(diàn)池，其理(↑π‍lǐ)論極限效率高(gāo)達45%，目前實驗室效率已' 經突破30%，同時(shí)原料和(hé)制(zhì)造成本遠(yuǎn)低(dī)于晶矽電(dΩ​​iàn)池，随著(zhe)産業(yè)鏈不(bù)斷進步，技(jì)術(sh ₽∏↕ù)成熟，有(yǒu)望成為(wèi)下(xià)一(♥&©yī)代主流技(jì)術(shù)。本文(w₩‍®βén)由瑞鵬資産趙聖斌為(wèi)您具體(tǐ)解析鈣钛礦太®≤±↑陽能(néng)技(jì)術(shù)。

鈣钛礦太陽能(néng)技(jì)術(shù)解析

一(yī)、鈣钛礦材料介紹

鈣钛礦是(shì)一(yī)種分(fēn)子(zǐ)通(tōng)式$≠™÷為(wèi)ABX3 的(de)晶體(tǐ)材料，呈八面體(tǐ)形狀，光(guān♦↔₽g)電(diàn)轉換效率高(gāo)，是(shì)最具潛力的(de)下(xià)一(yī)代光≠₩€↑(guāng)電(diàn)材料之一(yī)。

鈣钛礦是(shì)一(yī)種具有(yǒu)很(hěn)強光(guāng)-電(d≈Ωiàn)轉換效率的(de)材料結構，應用(yòng)廣泛關注度高(gāo)。鈣钛礦最早 ‍是(shì)1839 年(nián)德國(guó)科(kē)學家(jiā)發現(xiàn)了δ•(le)元素組成為(wèi)CaTiO3 α₩礦物(wù)，後來(lái)人(rén)們将具有( ≈✔yǒu)這(zhè)種晶體(tǐ)結構的(de)物(wù)質統稱為(wèi)©₩鈣钛礦。在鈣钛礦八面體(tǐ)結構中，A 是(shì)較大(dà)的(de)ε↓≈β陽離(lí)子(zǐ)，B 是(shì)較小(xi& ≥↕ǎo)的(de)陽離(lí)子(zǐ)，X是(shì)陰離(lí)子(zǐ)，•​φ←每個(gè)A 離(lí)子(zǐ)被B 和(hé)X 離(lí)子(zǐ)σ→™ 一(yī)起構成的(de)八面體(tǐ)所包圍。

鈣钛礦材料由于其光(guāng)吸收系數(shù)高(g™§ε©āo)、載流子(zǐ)遷移率大(dà)、合成方法簡單等優點，被認為(wèi)是(shì)下׶±(xià)一(yī)代最具前景的(de)光(guāng)電(diࣱ∞n)材料之一(yī)。

圖1：鈣钛礦結構示意圖

光(guāng)伏領域是(shì)鈣钛礦結構材β∞料的(de)主要(yào)應用(yòng)領域之一(yī)。鈣钛礦結 <構可(kě)設計(jì)性強，具有(yǒ ∏&∑u)非常好(hǎo)的(de)光(guāng)伏性能(néng)，是( λ'shì)光(guāng)伏近(jìn)年(nián)來(lái)的(de)熱(©↔rè)門(mén)研究方向。LED 領域是(shì)鈣钛σδ礦結構材料的(de)另一(yī)重要(yào)應用(yòng)領域，是(shì)下(xi •à)一(yī)代照(zhào)明(míng)或顯示器(qì)∞<©LED 的(de)重要(yào)發展路(lù)徑。除了(le)光(guān÷©★γg)伏、LED 領域之外(wài)，鈣钛礦還 Ω(hái)在金(jīn)屬-空(kōng)氣電(☆‍¶↓diàn)池、固體(tǐ)氧化(huà)物(wù)燃料電(diàn)σ<≠±池、催化(huà)劑、磁制(zhì)冷(lěng)材料、自(‍₽πzì)旋電(diàn)子(zǐ)學器(qì)件(jiàn)、氧分(fēn)離(lí)膜Ω§×、氣敏材料、多(duō)功能(néng)導電(diàn)陶瓷材料等方面具ε÷€有(yǒu)廣泛的(de)應用(yòng)，是(shì)極具發展潛力的(de)新興材料。

二、鈣钛礦太陽能(néng)電(diàn)池簡介

當前太陽能(néng)電(diàn)池發展包括三代：

第一(yī)代：以單晶矽、多(duō)晶"€↔矽為(wèi)代表的(de)矽晶太陽能(néng)電(diàn)池，目前該技(jì)術(sh♠'≥Ωù)已經發展成熟且應用(yòng)最為(wèi)廣泛，但(dàn)存在單晶矽太陽能&←§₹(néng)電(diàn)池對(duì)原料要(yào)求過高(gāo)，以及多(duō≠☆$→)晶矽太陽能(néng)電(diàn)池生(shēng)産工α$≠≈(gōng)藝過于複雜(zá)等問(wèn)題。

第二代：薄膜太陽能(néng)電(diàn)池，以碲化(h♥€&uà)镉（CdTe）、砷化(huà)镓（GaAs）為(wèi)代表的(de)的(de)太陽能(n<♥₹éng)電(diàn)池成為(wèi)研究熱(rè)點，該技(jì)術↕&♦₽(shù)與晶矽電(diàn)池相(xiàng)比，所需材料較少(shǎo)且容易φ↑'大(dà)面積生(shēng)産，成本方面優勢較明(míng)顯。

第三代：基于高(gāo)效、綠(lǜ)色環保和(∑↕hé)先進納米技(jì)術(shù)的(de)新型薄膜太陽能(néng)電(diàn)池，如(→♣∏₽rú)染料敏化(huà)太陽能(néng)電(diàn)池（DSS ¥δCs）、鈣钛礦太陽能(néng)電(diàn)池（PSCs）和↑δ£φ(hé)量子(zǐ)點太陽能(néng)電(diàn)池（QDS"→→£Cs）等。

圖2 太陽能(néng)電(diàn)池技(jì)術(shù)的(de)發展

鈣钛礦太陽能(néng)電(diàn)池（PSCs）是(shì)利用(yòng)鈣钛Ω→π礦結構材料作(zuò)為(wèi)吸光(guāng)材料的(δ$"↔de)太陽能(néng)電(diàn)池，屬于第三代太陽能(néπ®ng)電(diàn)池。鈣钛礦太陽能(néng)電(diàn)池λ↓的(de)工(gōng)作(zuò)原理(lǐ)：在光(guāng)照(zhào∑ )條件(jiàn)下(xià)，鈣钛礦化(huà)合物(wù)能(néng)夠吸收光(guā↕γ$≤ng)子(zǐ)，在吸收光(guāng)子(€$zǐ)後其價帶電(diàn)子(zǐ)會(huì)躍遷至導帶，導帶電(diàn)子(zǐ)随後被注ε∏δ₽入到(dào)TiO2 的(de)導帶，然後被傳輸到(dào)FTO，與此同時(shí)空(kōn↑↔g)穴傳輸至有(yǒu)機(jī)空(kōng)穴傳輸層（HTL），從(c♠πóng)而電(diàn)子(zǐ)-空(kōng)穴對(duì)分(fēn)↑$σα離(lí)，在接通(tōng)外(wài)電(diàn)路(lù)時(shí ×♥)，電(diàn)子(zǐ)與空(kōng)穴的(de)移動産生(shēng)電(diàn)流→₹。有(yǒu)機(jī)金(jīn)屬鹵化(huà)物ε¥(wù)鈣钛礦太陽能(néng)電(diàn)♥¥池禁帶寬度約為(wèi)1.5eV，消光(guāng)系數(shù)高(gāo)，幾百納£↔→米厚的(de)薄膜即可(kě)充分(fēn)吸收800nm 以下(xià)的(d→λε✔e)太陽光(guāng)。

三、光(guāng)伏領域的(de)新希望

鈣钛礦太陽能(néng)電(diàn)池（PSCs）是(shì)第三代高(gāo)效薄膜電(÷→↕€diàn)池的(de)代表，憑借良好(hǎo)的(de)吸光(guāng)性→Ω、電(diàn)荷傳輸速率、巨大(dà)的(de)開(k↔₹₽āi)發潛力，實現(xiàn)了(le)高(gāo)效率、高(gāo)柔性、低(dī)成φδ↓≠本，被譽為(wèi)“光(guāng)伏領域的(de)新希望”。鈣钛礦太陽能(néng)÷>&♣電(diàn)池還(hái)可(kě)通(tōng)過與H § ≤JT 疊層進一(yī)步提升光(guāng)電(diàn)轉換效率，是(shì)未來(lái)÷$β産業(yè)化(huà)的(de)重點發展方向。

優點1：光(guāng)電(diàn)轉換效率

晶矽類太陽能(néng)電(diàn)池經過幾十年(nián α)的(de)發展，目前已經接近(jìn)效率♣$極限，仍無法滿足“光(guāng)儲平價上(shàng)網”的(de>☆®×)産業(yè)目标。

圖3 晶矽太陽能(néng)電(diàn)池♦∑光(guāng)電(diàn)轉換效率

PSCs 光(guāng)電(diàn)轉換效率提升速度明(m≈₽íng)顯高(gāo)于晶矽類。鈣钛礦太陽能(néng)電(diàn)池（PSCsΩγ）用(yòng)了(le)10年(niá≈<±>n)左右的(de)時(shí)間(jiān)将轉換效率從∏"₹(cóng)最初的(de)3.8%，提高(gāo)至25.7%（截至2021年(ni↑φán)12 月(yuè)26 日(rì) §），而這(zhè)一(yī)進程晶矽類太陽能‌÷$§(néng)電(diàn)池花(huā)費(fèi)了(le)四五十年(nián)>≥π。

單結PSCs 當前最高(gāo)轉換效率達 ‌≤25.7%，理(lǐ)論轉化(huà)效率可(kě)達31≠'%。單結PSCs 指隻有(yǒu)一(yī)個(≈♣→gè)PN 結的(de)鈣钛礦太陽能(néng)電(diàn)池，多(duō)結PSCsγ≠≈ 指有(yǒu)多(duō)個(gè)PN 結的(de)✘λπ鈣钛礦太陽能(néng)電(diàn)池，多(duō)結的(de)PSCs 光(g ✘αuāng)譜吸收效果更好(hǎo)、效率更高(gāo)，但(dàn)成本也(yě♠ε)更高(gāo)。理(lǐ)論上(shàn€σ€g)單結PSCs 最高(gāo)光(guāng)電(dià™γ'☆n)轉換效率可(kě)達31%，多(duō)結PSCs 最高(g≈α€'āo)光(guāng)電(diàn)轉換效率可(kě)達47%，顯著高(gā>≥≤o)于晶體(tǐ)矽太陽能(néng)電(dià₽∏<n)池的(de)29.4%。

鈣钛礦帶隙寬度可(kě)調，可(kě)制(zh₹✘∏βì)備高(gāo)效疊層電(diàn)池。鈣钛礦可(kě)制(zhì)備2 結、3 結及以上≠π(shàng)的(de)疊層電(diàn)池，其中2 結疊層電(π§diàn)池有(yǒu)鈣钛礦-鈣钛礦和(hé)鈣钛礦-晶矽疊層電(diàn)池兩種✔₹☆♦，轉換效率可(kě)提高(gāo)到(dào)40%左右，3 結及以→'β上(shàng)鈣钛礦疊層電(diàn)池的(de)理(lǐ)論轉換效率更是(shì)能(n≥ éng)達到(dào)50%左右。

優點2：組件(jiàn)成本較晶矽大(dà)幅降低(dī)

PSCs 産業(yè)鏈顯著縮短(duǎn)，原材料到(dào)組件(jiàn)僅需∞&45 分(fēn)鐘(zhōng)。晶矽電(diàn)池在四個(gè)不(bù)同工(gōng)>φ'←廠(chǎng)內(nèi)分(fēn)别加工(gōng)矽料、​ ₹ 矽片、電(diàn)池、組件(jiàn)，此過程需要(yào)$ε<↔至少(shǎo)耗時(shí)3天。協鑫納∑¶‌米披露，鈣钛礦太陽能(néng)電(diàn)池÷£"λ的(de)生(shēng)産流程簡單，可(kě)在45 分(f✘ §ēn)鐘(zhōng)內(nèi)将玻璃、膠膜、靶材、化(huà)工(gōng)原料在φ∞單一(yī)工(gōng)廠(chǎng)內(nèi)加工(gōng)成為(wèi)組件("α¥jiàn)，産業(yè)鏈顯著縮短(duǎn)，價值高(gāo)度集中。

圖4 鈣钛礦與晶矽的(de)工(gōng)藝流程對(duì)✔δ✘☆比

PSCs 産能(néng)投資是(shì)晶☆±矽的(de)二分(fēn)之一(yī)，1GW僅為(wèi)5 億元。協鑫光(guān✔§→g)電(diàn)總經理(lǐ)範斌指出，晶矽1GW "✔∑的(de)産能(néng)（矽料、矽片、電(diàn)池、組件(ji ♦ ☆àn)）投資在11.6 億；而協鑫納米鈣钛礦的(de)第一(yī)條↓∏Ωπ100MW 設備産線投資在1 億元，未來(lái)如(rú)規模量&∏→¶産後将進一(yī)步降低(dī)。

PSCs 原材料純度要(yào)求低(d↑€βī)且十分(fēn)易得(de)，用(yòng)量亦低(dī)于晶矽類。鈣钛礦太陽能(néng)電♥₩ §(diàn)池的(de)原材料均為(wèi)基礎化(huà)工(gōng)材料，≠‌Ω不(bù)含稀有(yǒu)元素。晶矽類太陽能(néng)電(diàn)池對(duδα&ì)矽料純度要(yào)求需達99.9999%，而鈣钛礦材料對(duì)雜(zá)質不(bù←€)敏感，純度在90%左右的(de)鈣钛礦材料即可(kě)制(zhì)成轉換♣>§<效率在20%以上(shàng)的(de)太陽能(néng)電(diàn)池， Ω95%純度的(de)鈣钛礦即可(kě)滿↓≤&×足生(shēng)産使用(yòng)需求，原材料更加易得(de)。

圖5 鈣钛礦太陽能(néng)電(diàn)≤★ 池優勢

發展制(zhì)約：穩定性、大(dà)面積制(z€♠Ω×hì)備、環保性待突破

穩定性是(shì)制(zhì)約鈣钛礦太陽能(>♦néng)電(diàn)池産業(yè)化(huàλ☆​ )的(de)重要(yào)因素。鈣钛礦太陽能(néng)電(diàn)±↑‍池作(zuò)為(wèi)曆史上(shà™γng)發展最快(kuài)的(de)光(guāng)伏π↔技(jì)術(shù)，在效率及成本端均較晶£↔σ矽類電(diàn)池有(yǒu)優勢，但(d'εε£àn)主要(yào)缺點是(shì)壽命短(duǎn)（穩定性低(dī)）。目前鈣σ↓₹&钛礦太陽能(néng)電(diàn)池的(de)T80 壽命（效率下(xià)φ₽降到(dào)初始值的(de)80%）約εαΩ4000 小(xiǎo)時(shí)，距當前主流光(guāng)伏技(jì)術(shù)的(deσ™)25 年(nián)壽命相(xiàng)差甚遠($←♣∞yuǎn)。從(cóng)原因來(lái)看(kàn)，鈣钛礦太陽能(néng)電(♥φdiàn)池不(bù)穩定的(de)原因可(kě)以分(fēn)為γ↕(wèi)吸濕性、熱(rè)不(bù)穩定性≥ ₹γ、離(lí)子(zǐ)遷移等內(nèi)在因素，和(hé)紫外(wài)線、光(g♦♣​uāng)照(zhào)等外(wài)在因∏♥♣™素。

目前PSCs 大(dà)面積模塊的(de)效率仍遠(y∑∞₽uǎn)低(dī)于小(xiǎo)面積，是(sh©→↕↔ì)制(zhì)約産業(yè)化(huà)的(de)‌‍δ另一(yī)難題。小(xiǎo)面積電(diàn)池與大(dà)面積模塊之間(ji$ε✘©ān)存在顯著的(de)效率差距的(de)原因主要(yào)有σ£€(yǒu)：

（1）溶液處理(lǐ)法下(xià)大(dà)面積薄膜的(de)覆蓋率、均£&勻性、平整度控制(zhì)難度更高(gāo)；

（2）尺寸增大(dà)時(shí)，鈣钛礦層的(de)缺陷也(yě)增加，對(duì)光(gu©®≤≠āng)誘導載流子(zǐ)的(de)提取和(hé)傳輸産生(s‌®>hēng)負面影(yǐng)響；

（3）透明(míng)電(diàn)極的(de)電(diàn)阻随面積增大(dà)而近♥λ (jìn)似線性增加，使電(diàn)池的(de)串聯電(diàn)阻增加，性能(néng)↓¥下(xià)降。

總結：随著(zhe)目前光(guāng)伏市(shì)場(cγ>π♣hǎng)主流技(jì)術(shù)PERC 效率逐步接近(jìn)天€↔≈花(huā)闆，HJT、TOPCon、xBC技(jì)術(shù)發•↓ 展如(rú)火(huǒ)如(rú)荼，鈣钛礦太陽能(nén±←♥£g)電(diàn)池作(zuò)為(wèi)下(xià)一(yī)代光(guāλ£ng)伏新勢力，光(guāng)電(diàn)‌•£轉換效率持續提升，将成為(wèi)光(guāng)伏廠(chǎ↕φng)商未來(lái)布局的(de)重中之重。瑞±∏₹δ鵬資産将持續關注鈣钛礦領域的(de)技(jì)術(shù)發展，尋找優質投資标​‌'≥的(de)。