【編者按】十年前，《科學》（Science）雜志評選2013年十大突破，新型太陽能電池材料鈣鈦礦制成的電池入選。它具備效率高、成本低、制造工藝簡單、光譜吸收范圍廣等優勢，一夜之間成為行業關注焦點。

2016年，國內迎來鈣鈦礦電池創業元年。到2022年下半年，鈣鈦礦電池已經成為大熱賽道，但在經歷奧聯電子“履歷門”事件后熱度降溫。資本大量涌入下，行業亟需理性態度。在技術上，鈣鈦礦電池存在多條各有優劣的技術路線，面臨壽命、穩定性、大面積應用時的效率損失等痛點，很多原始創新仍然出自國外。

近期，鈣鈦礦領域多位學術界和產業界人士向澎湃科技（www.usamodel.cn）回溯了鈣鈦礦電池的冷與熱，提出推進產業化的理性思考。澎湃科技特別推出“探路鈣鈦礦”專題，敬請垂注。

南京大學昆山創新研究院研發的全印刷工藝大面積碳電極鈣鈦礦太陽能電池 微信公眾號@材料人 資料圖

傳統晶硅電池的光電轉換效率已接近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，鈣鈦礦太陽能電池成為光伏技術變革新方向之一。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路線，轉換效率全球最高紀錄已達33.2%。

當前，鈣鈦礦電池有多條技術路線，每一條技術路線各有優劣，都需要繼續解決壽命、穩定性、大面積應用時的效率損失等痛點。鈣鈦礦電池結構就像三明治，一般由透明導電電極、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，其在大面積制備時的均勻度和致密度，與電池大面積時的效率損失密切相關。

耀途資本投資副總裁周俊認為，無論是單結鈣鈦礦電池還是疊層鈣鈦礦電池、干法鍍膜還是濕法鍍膜，最關鍵的是降本增效、人事匹配，“哪一種技術路線能做出降本增效的產品并且擅長這種技術路線，去做就行。更多資本和專業人士進來，能夠指出行業的問題，幫助行業快速迭代和發展。”

鈣鈦礦電池主流技術路線

當前，鈣鈦礦電池主要有單結鈣鈦礦電池和疊層鈣鈦礦電池。如果一個鈣鈦礦電池只有鈣鈦礦本身的“三明治”結構，那么就是單結鈣鈦礦電池。所謂疊層鈣鈦礦電池，是指鈣鈦礦層可以堆疊在彼此之上，也可以堆疊在傳統晶硅太陽能電池之上，形成能夠吸收更寬太陽光譜的“串聯”電池。按照不同材料的堆疊，疊層鈣鈦礦電池的技術路線有晶硅/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。

太陽能電池分類。

單結鈣鈦礦電池是所有鈣鈦礦電池產品形態的基礎，技術難度相對更低。其理論轉換效率可達33%，實驗室最高認證效率目前為25.8%。從事鈣鈦礦電池技術研發和商業化應用的深圳無限光能技術有限公司（下稱“無限光能”）創始人兼CEO梁作對澎湃科技（www.usamodel.cn）表示，單結鈣鈦礦電池的商業化將先于疊層電池實現。一方面是由于單結鈣鈦礦電池發展時間長，工藝及材料體系相對更成熟。另一方面，晶硅/鈣鈦礦疊層電池中，鈣鈦礦電池的穩定性和晶硅電池的穩定性是否匹配仍有待驗證，在得到驗證之前，晶硅/鈣鈦礦疊層電池的大規模應用難度大。無限光能以首先量產單結鈣鈦礦電池為目標，晶硅/鈣鈦礦疊層電池也在同步研發。

暨南大學新能源技術研究院院長、廣東脈絡能源科技有限公司創始人麥耀華告訴澎湃科技，晶硅/鈣鈦礦疊層電池轉換效率全球最高紀錄已達33.2%，已超過單晶硅電池29.4%的理論轉換效率，因此前景光明，可依托現有光伏產業進行開發，降低成本。

晶硅/鈣鈦礦疊層電池的堆疊方式有兩端結構和四端結構。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%。兩端疊層電池結構是在晶硅電池上直接生長鈣鈦礦電池，中間通過復合層或隧道結將兩個子電池串聯起來，這種電池僅需要一個透明電極，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。”機械堆疊的四端疊層電池的兩個子電池獨立制作，僅在光學上存在聯系，電路相互獨立，正負極總計有四個。梁作表示，從工藝難度來看，四端疊層電池更容易實現，但增加了成本，兩套系統的電流電壓也會不同。麥耀華也提到，四端疊層電池疊起來簡單，但系統設計復雜，將增加線纜成本、人力成本等系統成本，未來很難降低使用鈣鈦礦電池時的度電成本，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，開發全鈣鈦礦疊層電池，提高光電轉換效率。南京大學現代工程與應用科學學院教授譚海仁及其創辦的仁爍光能（蘇州）有限公司正在從事鈣鈦礦和鈣鈦礦的疊層研究和產業化。根據公開資料，仁爍光能全鈣鈦礦疊層電池穩態光電轉換效率達29%。麥耀華創辦的脈絡能源同樣聚焦全鈣鈦礦疊層電池技術路線，他表示，目前來看全鈣鈦礦疊層電池的工藝兼容性最好，有機會獲得更低成本。但梁作認為，當前全鈣鈦礦疊層電池仍處于早期研究階段，商業化路徑相對更長，產業發展需要一步一個腳印推進；技術上，不同帶隙寬度可吸收不同波長的光，讓電池吸收更寬范圍波長的光才能讓電池效率更高，因此要調節兩層鈣鈦礦的帶隙，這就需要調節材料的配方體系，但這又令電池穩定性面臨挑戰。

除此之外，將鈣鈦礦電池和銅銦鎵硒電池組成串聯太陽能電池，也可以提高器件光電轉換效率。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路線，鈣鈦礦電池仍然需要繼續解決壽命、穩定性、大面積應用時的效率損失等痛點。

麥耀華表示，晶硅電池采用雙玻組件封裝，壽命可以達到30年。而鈣鈦礦電池最大的缺點是壽命尚未得到有效驗證。IEC61215是地面用光伏組件設計鑒定和定型測試標準，對于晶硅電池和無機薄膜太陽能電池而言，通過這項測試意味著電池擁有了20年壽命。目前一些企業的鈣鈦礦電池組件已通過IEC61215測試，說明已經擁有非常好的穩定性。但鈣鈦礦電池作為一項新技術，是否存在特殊的失效機制還需要更多研究，基于現有失效機制在室內測試條件下模擬實際環境仍有局限。未來需要2-3年時間把更多組件安裝在不同氣候環境條件下實證測試，打消客戶疑慮。

梁作認為，鈣鈦礦電池的穩定性、效率衰減、壽命是一個概念，穩定性好意味著壽命長。鈣鈦礦電池的穩定性可從兩個層面理解，一是材料本身的穩定性，鈣鈦礦材料是離子鍵結構，與晶硅材料的共價鍵相比，鈣鈦礦材料更易發生分解與離子遷移，帶來材料的不穩定性。這種不穩定一般可以通過調整材料配方、優化電池結構設計解決，比如摻雜其他離子使得晶格穩定，或設計特殊鈍化層減少離子遷移。二是環境穩定性，鈣鈦礦電池對于環境中的水、氧等外界因素敏感，從而影響穩定性，這種不穩定一般通過封裝技術解決，目前主流技術路線是利用防水膠進行雙玻封裝。

鈣鈦礦電池大面積應用時的效率衰減是另一個短板。“在任何薄膜太陽能電池里，包括晶硅電池，都會碰到同樣的問題，擴大電池面積以后轉換效率更低了。”麥耀華表示，目前晶硅電池26.81%的轉換效率是在270多平方厘米的面積上實現的，如果鈣鈦礦電池只在小面積上做到30%左右的轉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一步提升轉換效率。“把面積放大之后，轉換效率有所下降，這幾乎是必然的。例如通常我們會把鈣鈦礦電池分割成很多小的子電池串聯起來，要求每個子電池的電流一致，如果均勻性不好，某些子電池電流高，某些電流低，串聯起來之后整個電池的電流受到最小電流的限制，帶來了效率損失。”

“實驗室的小面積鈣鈦礦電池效率做得都挺高的，關鍵是讓大面積的鈣鈦礦層薄膜質量保持和小面積時一樣。”梁作表示，鈣鈦礦電池的核心層鈣鈦礦層薄膜在大面積制備時，均勻度、致密度是挑戰，這和設備、工藝、材料密切相關，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，要調帶隙，可能會添加銫、錫、溴、氯等元素。整個材料體系大家都摸索得差不多了，但也還在不斷優化，提升效率和穩定性。”

從工藝角度看，在鈣鈦礦電池的生產中，鍍膜、激光刻蝕、封裝是三大核心工藝環節。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攻關的重點方向。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設備，在高真空環境下，通過蒸發源加熱，使鈣鈦礦層需要的有機、無機材料升華沉積在基片表面，形成薄膜。“由于真空腔體里的環境一致，沉積薄膜的均勻度以及各批次之間的一致性相對容易控制。”梁作表示，這種工藝從面板行業借鑒而來，工藝可控性高，但缺點是工藝速度較慢，為了達到同樣的生產節拍，設備投資相對較大，但他表示這并不會對總產線的成本產生很大影響，“因為鈣鈦礦層設備占整線設備成本不到20%。”

所謂濕法，也就是低成本的溶液法，將鈣鈦礦層所需的有機、無機材料配制成前驅體溶液，通過狹縫涂布技術成膜、結晶。溶液法操作簡單、成膜速度快，但需要對有機溶劑進行回收和環保處理，增加了后端輔助設備投資。而成膜和結晶的物理和化學一致性好壞決定了發電效能。麥耀華表示，其創辦的脈絡能源采用涂布技術鍍膜，涂布設備相對于蒸發設備更便宜，成本下降空間更大，但涂布的工藝控制過程相當復雜，要進一步研究預結晶和結晶的過程。鈣鈦礦電池上游核心設備供應商上海德滬涂膜設備有限公司董事長王錦山表示，“變成晶體的過程不難，但在大尺寸上實現物理變化誘導的成核/結晶高度化學一致性比較難。如果解決了這個難題，就基本實現了大面積單結鈣鈦礦的產業化。”