鈣鈦礦電池工作原理

鈣鈦礦太陽能電池，這個名字在今年的光伏行業(yè)聲名鵲起。鈣鈦礦電池的工作原理與晶硅電池類似。光生電動勢的物理過程為：鈣鈦礦吸光層吸收光子之后，電子吸收能量從價帶躍遷到導帶，形成電子-空穴對。電子與空穴對在吸 光層內(nèi)部迅速分開，分別通過電子傳輸層（ETL）、空穴傳輸層(HTL)輸送到陰極、陽 極，隨著電子和空穴在陽極和陰極堆積，兩極之間產(chǎn)生光生電動勢，進而產(chǎn)生光電流。

高效率、低成本、易制備，它以十年的時間走完晶硅太陽能電池近半個世紀的發(fā)展之路，成為第三代光伏技術(shù)的焦點。協(xié)鑫光電董事長范斌表示，鈣鈦礦技術(shù)不僅可以打破晶硅電池技術(shù)轉(zhuǎn)換效率的理論“天花板”，還可以降低光伏產(chǎn)業(yè)度電成本，是唯一具有商業(yè)化應用前景的新興光伏技術(shù)。

晶硅太陽能電池的“顛覆者”?

鈣鈦礦太陽能電池是以鈣鈦礦型（ABX3型）晶體作為吸光層材料的電池。它的結(jié)構(gòu)類似于“三明治”。兩個電極像三明治的兩片面包分別位于最外層，由外向內(nèi)挨著電極的是空穴傳輸層和電子傳輸層，而鈣鈦礦層則居于最中間。

南京大學現(xiàn)代工程與應用科學學院教授譚海仁指出“目前，傳統(tǒng)的晶硅單結(jié)太陽能電池遭遇了兩個發(fā)展瓶頸，一是現(xiàn)有的工業(yè)生產(chǎn)能力已經(jīng)逼近晶硅單結(jié)太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率的極限；二是成本高、能耗大，將石英砂提煉為工業(yè)硅，制成單晶硅的過程，需要超過1000℃的高溫，而鈣鈦礦太陽能電池的制備只需要大約100℃。在這種情況下，生產(chǎn)成本更低、更節(jié)能的鈣鈦礦電池，被視為近年來光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新機遇。”

但鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性是制約其產(chǎn)業(yè)化的重要因素。鈣鈦礦太陽能電池在效率和成本方面都優(yōu)于晶硅電池，但其主要缺點是壽命短(穩(wěn)定性差)。目前，鈣鈦礦太陽能電池的T80壽命約為4000小時，其效率僅為初始值的80%，與目前主流光伏技術(shù)25年壽命相差甚遠。鈣鈦礦太陽能電池不穩(wěn)定的原因主要有：吸濕性、熱不穩(wěn)定性、離子遷移等，以及外部因素如紫外線、光照等。

鈣鈦礦電池的量產(chǎn)還有許多其他難題。目前PSCs 大面積模塊的效率仍遠低于小面積，是制約產(chǎn)業(yè)化的另一難題；高質(zhì)量均勻大面積薄膜的制備方法有待突破；含鉛鈣鈦礦存在環(huán)境污染風險，也是產(chǎn)業(yè)化待解決的問題。

然而，在我國新能源政策推動下，這些難題正被一一突破。

政策支持，行業(yè)布局加速

今年以來，國家層面出臺不少政策積極推進鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展。

《“十四五”能源領域科技創(chuàng)新規(guī)劃》指出，要開展高效鈣鈦礦電池制備與產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)的示范試驗，具體包括∶研制基于溶液法與物理法的鈣鈦礦電池量產(chǎn)工藝制程設備，開發(fā)高可靠性組件級聯(lián)與封裝技術(shù)，研發(fā)大面積、高效率、高穩(wěn)定性、環(huán)境友好型的鈣鈦礦電池；開展晶體硅/鈣鈦礦、鈣鈦礦/鈣鈦礦等高效疊層電池制備及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)研究。

《科技支撐碳達峰碳中和實施方案（2022—2030年）》提出，研發(fā)高效硅基光伏電池、高效穩(wěn)定鈣鈦礦電池等技術(shù)。近日發(fā)布的《關于推動能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導意見（征求意見稿）》中也要求，加快智能光伏創(chuàng)新突破，支持鈣鈦礦及疊層電池等先進技術(shù)的研發(fā)應用，提升規(guī)模化量產(chǎn)能力。

國內(nèi)鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)布局推進，未來可期.在設備方面，國內(nèi)設備企業(yè)和下游太陽能電池企業(yè)聯(lián)合開展鈣鈦礦疊層電池技術(shù)開發(fā)戰(zhàn)略合作；與此同時，其他設備企業(yè)也在研發(fā) RPD設備，獲得了中試生產(chǎn)訂單，后續(xù)還會深入研發(fā)和推進整條生產(chǎn)線。

除設備端外，國內(nèi)光伏企業(yè)(如通威股份、東方日升)、寧德時代、聆達股份等非光伏企業(yè)紛紛布局鈣鈦礦電池項目；同時，協(xié)鑫光電也成為鈣鈦礦太陽能電池組件發(fā)展速度最快的企業(yè)之一。今年二月，全球首座鈣鈦礦光伏地面電站由纖納光電提供，裝機規(guī)模為12兆瓦。國內(nèi)企業(yè)紛紛布局鈣鈦礦，試圖在鈣鈦礦電池領域搶占先機。