鈣鈦礦電池距離商業化還有多遠

文／滕繼濮 韓 榮

光伏電池是一種通過光電效應將太陽能轉化成電能的裝置，具有廣闊的發展和應用前景。鈣鈦礦太陽能電池（以下簡稱鈣鈦礦電池）作為一種新型的光伏電池，也在近年逐漸嶄露頭角。近日，科技部等九部門聯合印發《科技支撐碳達峰碳中和實施方案（2022—2030年）》，也對鈣鈦礦電池這一新型電池有所提及。

那么，什么是鈣鈦礦電池？其相比傳統太陽能電池有哪些不同之處？未來將有哪些應用場景？科技日報記者就此采訪了多位深耕于鈣鈦礦電池領域的專家。

結構形似“三明治”的新型光伏電池

鈣鈦礦電池由染料敏化電池演化而來，指采用鈣鈦礦材料作為吸光層材料的電池。

作為新一代太陽能電池，鈣鈦礦電池工作原理與傳統太陽能電池并無不同。它的結構形似“三明治”，典型結構有5層。兩個電極就像三明治的兩片面包分別位于最外層，由外向內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。

當太陽光照在鈣鈦礦電池上，太陽光光子能量大于帶隙時，鈣鈦礦層吸收光子產生“電子—空穴對”。電子傳輸層將分離出來的電子傳輸到負極上；空穴傳輸層則將與電子分離的空穴傳輸到正極上，進一步在外電路形成電荷定向移動，從而產生電流，實現光能向電能的轉換。

北京理工大學材料學院教授陳棋這樣形容鈣鈦礦電池的工作原理：“如果說太陽能電池本身是一間教室的話，男同學和女同學則是電子和空穴。當光照到太陽能電池，就好像下課鈴響起了一樣。這時，男同學就會排隊從后門出來，女同學就排隊從前門出來，從而形成電荷定向運動。”

鈣鈦礦電池有三大突出優勢

鈣鈦礦電池因材料特殊，自“出生”就“天賦異稟”，得到了廣泛的關注。

2016年《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》中就提及，要“加強鈣鈦礦、染料敏化、有機等新型高效低成本太陽能電池技術研發”。

重慶大學物理學院教授、博士生導師鄧業浩表示，相比市場上常見的晶硅太陽能電池，鈣鈦礦電池有三大突出優勢。

首先，鈣鈦礦材料本身的吸光能力強。在太陽光的主要波長下，鈣鈦礦材料的吸光能力可達晶硅的10倍以上。因此，在太陽能轉換效率相當的情況下，鈣鈦礦電池可以做得更薄。“這將極大地拓展產品形式，豐富應用場景。”鄧業浩說。

其次，鈣鈦礦電池具有低成本和易制備的優點。鄧業浩說：“鈣鈦礦材料是一種合成材料，其原料本身沒有稀有金屬，并且可以通過溶液制備。因而鈣鈦礦材料的制造成本較低，制備容易。”

最后，鈣鈦礦材料還具有弱光效率高的優勢。在陰天弱光的條件下，鈣鈦礦材料不僅可以吸收短波光，還可以將能量轉化效率保持在相對穩定的狀態。鈣鈦礦材料的這一特點使得鈣鈦礦電池作為一種薄膜型光伏電池，不僅可以做成單層電池，理論上還可以疊加在各種電池材料表面，形成疊層電池，從而有效提高太陽光的利用效率。

鄧業浩表示，從目前實驗室測得的結果來看，經過幾十年發展的晶硅太陽能電池的最高轉化效率為26.7%，而目前鈣鈦礦電池的轉化效率就已經可以達到25.7%，鈣鈦礦電池未來可期。

走出實驗室還需補齊兩個短板

盡管在理論上、實驗室中鈣鈦礦電池有相當大的優勢，可是從產業化角度來看，鈣鈦礦電池仍處于萌芽狀態。這是由于其本身存在兩個短板，即穩定性較差和大面積應用時的效率損失。

首先，是穩定性較差這一問題。

陳棋表示，盡管在實驗室中，鈣鈦礦電池可以實現較高的光電轉換效率。但其在實際應用中，仍受到諸多條件的制約。

北京曜能科技有限公司董事長孫于超表示，業內正在從多方面努力，以解決鈣鈦礦電池面臨的問題。以穩定性問題為例，解決該問題最直接的一種手段，就是針對鈣鈦礦材料本身的改性。即通過結構設計、元素替換、添加摻雜等手段，讓材料本身變得穩定，提高材料的本征穩定性。另一種可行的手段，是通過工藝和工程手段隔絕外界的不穩定因素，即隔絕水、熱等環境因素，從而減少乃至避免外界不穩定因素對于材料和器件的影響。

對此，中國科學院電工研究所太陽電池技術研究部主任王文靜表示，從外圍手段隔絕不穩定因素，尚需經過大量的室外驗證。據了解，目前已報道的鈣鈦礦電池其最長工作壽命往往只能達到幾千小時，遠低于晶硅電池。

除了穩定性問題外，大面積應用時的效率損失問題是鈣鈦礦電池的另一短板。

“在效率上，其實鈣鈦礦電池完全可以進行商業化應用。但是如何從實驗室的小面積，擴展到實際應用場景中的大面積，是其商業化需要面臨的一個嚴峻挑戰。”王文靜坦言，目前實驗室里制造的鈣鈦礦電池只有指甲蓋大小，與市場需要的太陽能電池在尺寸上相距甚遠。

鈣鈦礦材料本身的結晶時間短，生產中的工藝窗口時間只有幾秒，造成了生產上的困難。除此以外，在制備鈣鈦礦電池的過程中，一個壞點、一個灰塵都有可能影響整個電池面板的效率，影響了其大面積應用時的效率。

“目前來看，鈣鈦礦電池制備技術需要解決如何讓鈣鈦礦的薄膜更加致密平整，以及如何保證環境清潔，避免灰塵等因素干擾提升良品率兩個問題。設計更為先進的制備技術，能有效保證鈣鈦礦電池在大面積應用時的效率。”王文靜說。

我國鈣鈦礦光伏技術未來可期

盡管鈣鈦礦電池有諸多不確定性，但學界不少專家仍對其未來持樂觀態度。

陳棋表示，目前我國在鈣鈦礦電池的學術研究和產業研究上，具有兩個最大的優勢：一是研究群體大，國內研究鈣鈦礦電池的企業、機構遠比國外多；二是國內有非常巨大的產業基礎，光伏市場和光伏制造業在中國呈現蓬勃之勢。

“我國鈣鈦礦光伏技術的未來，可謂前途無量。”陳棋說。

在鈣鈦礦電池的未來應用方面，孫于超表示，鈣鈦礦技術最有價值的應用場景是在大規模光伏發電領域。鈣鈦礦在與晶硅結合組成疊層電池后，可以大幅提高現有光伏組件的發電效率，從而進一步降低發電成本，加快對于傳統化石能源的替代，助力我國“雙碳”目標實現。此外，鈣鈦礦電池的厚度僅為晶硅電池的千分之一，柔性輕便的特質使其具有豐富的應用場景，例如用于穿戴式發電裝置、光伏玻璃建筑一體化、野外臨時發電設備等，甚至可以運用于太空發電。

奮戰在鈣鈦礦電池領域多年，孫于超和科研團隊見證了鈣鈦礦電池從不為人知，到漸漸走入大眾視野。在得知《科技支撐碳達峰碳中和實施方案（2022—2030年）》中提及“要研發高效穩定的鈣鈦礦電池”后，孫于超興奮地表示：“鈣鈦礦電池的好時候到了！”

（文章來源：《科技日報》）