沉睡的鈣鈦礦, 變身光伏“明星”

人類對于太陽的崇拜由來已久，并因此衍生了許多追逐光明的神話故事。現在人類“盜取天火”的工具早已不再是普羅米修斯使用的“茴香枝”，而是凝聚了當代先進科學技術的光伏電池。正在崛起的鈣鈦礦太陽能電池，已經吹響了光伏3.0時代的號角。那么，什么是鈣鈦礦太陽能電池？“鈣鈦礦”又是何方“神圣”？“鈣鈦礦”是如何變身光伏“明星”的？

鈣鈦礦的發現

1839年，法國科學家埃德蒙·貝克雷爾發現光照能在半導體材料的不同部位產生電位差。這種現象后來被稱為“光伏效應”。這一發現為太陽能電池的誕生奠定了理論基礎。同年，鈣鈦礦的發現為鈣鈦礦太陽能電池的崛起提供了關鍵材料基礎。德國地質學家古斯塔夫·羅斯在烏拉爾山脈發現了鈣鈦礦這種天然礦物，并以俄羅斯礦物學家列夫·佩洛夫斯基的名字為其命名。1883年，世界上第一塊硒上覆薄金的半導體/金屬結太陽能電池誕生，雖然轉換效率只有1%，但標志著第一塊光伏電池的誕生。

十年逆襲，“鈣鈦礦”成“新寵”

說起光伏電池，也許你首先想到的是晶硅電池。1954年，美國貝爾實驗室推出了第一塊晶體硅太陽能電池，開啟了晶硅電池的新紀元。20世紀70年代以來，晶硅電池技術不斷取得新突破，電池效率得以顯著提高，特別是能源危機與環境壓力的雙重推動，使得晶硅電池在光伏市場中的占比超過了90%。目前，晶硅電池已成為技術最成熟、應用最廣泛的光伏電池，并且將在未來相當長的時間內占據主導地位。然而在“晶硅一統天下”的太陽能時代，鈣鈦礦太陽能電池卻能成功逆襲。

鈣鈦礦涉足光伏領域只是近十多年的事情。21世紀初，鈣鈦礦太陽能電池啟動基礎研究，但仍處于實驗室研究階段。2009年，日本科學家宮坂力將碘化鉛甲胺和溴化鉛甲胺應用于染料敏化太陽能電池，獲得了最高3.8%的光電轉化效率。

2013年，鈣鈦礦太陽能電池因其高效率、低成本和易制造而入選《科學》雜志年度十大科技突破，標志著鈣鈦礦太陽能電池技術取得重大突破，并引起了全球科學界的廣泛關注。

歷經十多年的持續研發，鈣鈦礦太陽能電池成功逆襲，成為太陽能領域的“新寵”。自此，鈣鈦礦太陽能電池研發進程進入快車道。一方面，鈣鈦礦材料配方不斷優化，電池效率不斷提高，穩定性能不斷完善；另一方面，鈣鈦礦太陽能電池產業化步伐加快，并成為光伏領域的研究熱點。

此“鈣鈦礦”，非彼鈣鈦礦

其實，鈣鈦礦太陽能電池中的“鈣鈦礦”，與天然礦物中的鈣鈦礦并不是一個概念。天然礦物中的鈣鈦礦是一種由無機物鈦酸鈣（CaTiO3）組成的礦物。而鈣鈦礦太陽能電池中的“鈣鈦礦”并不是天然存在的礦物，既不含鈣，也不含鈦……

那么，光伏領域所使用的“鈣鈦礦”到底是什么物質呢？在光伏領域，“鈣鈦礦”材料指的是一類與天然鈣鈦礦晶體結構類似的人工設計制造的新型材料。

看來，光伏電池青睞鈣鈦礦材料，根本原因在于其特殊的晶體結構。鈣鈦礦材料的結構通式為“ABX3”，這三種元素分別占據不同的晶格位置，從而賦予其獨特的電子和光學特性。其中的A位一般為有機陽離子，也可以為無機陽離子，通常為一價陽離子；B位通常為二價金屬離子；X位主要為鹵素陰離子。

為了定制能夠滿足不同應用場合的鈣鈦礦材料，我們可以通過調整A、B、X位的元素種類及其組合來實現。

當然，設計制備高性能鈣鈦礦材料并非易事，必須滿足以下條件：選擇合適的A位和B位元素，通過有機分子的引入來確定鈣鈦礦材料的結構，選擇合適的合成方法來確保鈣鈦礦材料的質量和性能，對合成后的鈣鈦礦材料進行表征和分析以確認其結構和性能。

鈣鈦礦“脫穎而出”的底氣

在“硅光文明”主導的太陽能電池時代，鈣鈦礦是如何“脫穎而出”的？

先來說說晶硅電池在發展過程中所遭遇的瓶頸。就晶硅電池的技術品質而言，光電轉換效率向來是其立足的“金標準”。晶硅電池走向輝煌靠的是什么？無非是光電轉換效率從不到1%到26.7%的躍升。未來，晶硅電池光電轉換效率還有多大的提升空間？據悉，晶硅電池光電轉換效率的理論極限為29.43%，也就是說，進一步提升的空間已經非常有限。當然，晶硅電池的成本問題也是需要考慮的因素。首先，晶硅電池的生產能耗比較高，生產工藝也比較復雜，自然成本就相對較高。其次，硅的純度越高，其成本就越高。另外，晶硅電池的生產對環境也會產生一定的影響。

再來說說鈣鈦礦“脫穎而出”的底氣。

鈣鈦礦所具有的獨特結構，賦予其出類拔萃的光電性能。短短十多年時間，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率就從3.8%躍升至26%，足見其性能之優、潛力之大。鈣鈦礦太陽能電池的單層理論效率可達31%，而雙層或三層疊加結構的理論效率可超過45%。這說明鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率在能源轉換方面具有顯著優勢，并且還有比較大的提升空間。

鈣鈦礦太陽能電池能夠“脫穎而出”，除了在光電轉換效率方面的優勢之外，還在生產成本、環保性能、可塑性能等方面具有明顯優勢。

與傳統的硅基太陽能電池相比，鈣鈦礦太陽能電池在生產成本方面具有明顯優勢：鈣鈦礦材料的生產相對簡單，所需原材料來源比較豐富，且對其純度要求不高。

從環保的角度來看，鈣鈦礦太陽能電池的生產過程環保性能較好，使用過程中不會產生有害氣體排放，對環境的影響比較小。

鈣鈦礦材料的獨特結構，賦予其很強的塑性變形能力。因此，可以把鈣鈦礦太陽能電池做成可彎曲的輕薄結構，以適應各種曲面以及不規則的表面，如建筑外墻、汽車車頂等。

除了應用于傳統的光伏發電和分布式能源系統之外，鈣鈦礦太陽能電池還可以應用于光伏建筑一體化、可穿戴電子設備等諸多領域，應用前景十分廣闊。

光伏“明星”，如何盜取“天火”

鈣鈦礦太陽能電池是利用鈣鈦礦材料作為吸光層的太陽能電池。我們通常把只包含一個PN結的鈣鈦礦太陽能電池稱為單結太陽能電池，這是鈣鈦礦太陽能電池的一種基礎形式。

疊層鈣鈦礦太陽能電池則是通過多層結構的堆疊來提高鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率。作為一種新型的太陽能電池技術，疊層鈣鈦礦太陽能電池可以將兩種或多種不同帶隙的鈣鈦礦材料疊加在一起，以形成能夠吸收更寬太陽光譜的“串聯”電池。

鈣鈦礦太陽能電池有何獨特的結構？我們以單結鈣鈦礦太陽能電池為例來了解其基本構成，主要包括透明導電基底、電子傳輸層、鈣鈦礦吸光層、空穴傳輸層和金屬電極等器件。

透明導電基底透明導電基底（TCO）通常使用摻氟的氧化錫或摻銦的氧化錫等材料制成，其在鈣鈦礦太陽能電池中扮演著極其重要的角色。作為透明電極，TCO主要負責收集和傳輸由鈣鈦礦層產生的電子。

電子傳輸層電子傳輸層在鈣鈦礦太陽能電池中負責高效傳輸電子并阻擋空穴，是提升電池性能的關鍵因素。電子傳輸層常用的材料包括二氧化鈦、氧化鋅等。

鈣鈦礦吸光層鈣鈦礦吸光層是電池的核心器件，其性能直接影響電池的效率和穩定性。鈣鈦礦吸光層負責吸收太陽光并將其轉化為電能。由于鈣鈦礦材料的帶隙寬度適中，能夠吸收大部分太陽光譜，因而可以實現高效率的光電轉換。

空穴傳輸層空穴傳輸層位于鈣鈦礦層和金屬電極之間，是鈣鈦礦太陽能電池的關鍵組件，負責有效提取和傳輸光生空穴，提高電池的光電轉換效率。

金屬電極金屬電極位于電池的最后一層，主要負責收集和傳輸電荷并連接外電路，確保電流的有效輸出。金屬電極通常使用金、銀或鋁材料制成。

鈣鈦礦太陽能電池通過其獨特的結構和高效的光電轉換機制，可以有效地將光能轉換為電能。需要說明的是，鈣鈦礦材料的帶隙與吸收光的波長之間存在著密切的關系。鈣鈦礦材料的帶隙是指價帶和導帶之間的能量差，它決定了材料能夠吸收光的最大波長。

在光伏領域，寬帶隙鈣鈦礦材料通常用于吸收高能量的光子，而窄帶隙鈣鈦礦材料則用于吸收低能量的光子。通過改變鈣鈦礦材料的化學組分可以調節材料的帶隙，從而實現對太陽光譜的更廣泛吸收，以此來提高光伏電池的光電轉換效率。

同晶硅電池一樣，單結鈣鈦礦太陽能電池也是基于光電效應而工作的。具體來講，當太陽光照射到鈣鈦礦太陽能電池上，太陽光光子能量大于鈣鈦礦材料的帶隙時，鈣鈦礦層吸收光子而形成“電子—空穴對”。電子傳輸層將分離出來的電子傳輸到負極，空穴傳輸層將與電子分離的空穴傳輸到正極；在外電路形成的回路中，由于電荷的定向移動而產生電流。這就是鈣鈦礦太陽能電池把陽光轉化為電能的基本過程。

光伏族譜，“鈣鈦礦”的“宗親”們

光伏電池的誕生開啟了人類利用太陽能發電的新紀元，這是人類文明史上的一件大事。回溯光伏電池的發展歷史，不難發現貫穿其中的創新脈絡。

第一代光伏電池

誕生于20世紀50年代的晶硅太陽能電池，被認為是光伏技術的先驅。作為第一代光伏電池的代表，晶硅電池主要分為單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽能電池三大類。

單晶硅具有準金屬的物理性質，純度要求達到99.9999％以上，可用于制造半導體器件和太陽能電池等。單晶硅太陽能電池以光電轉換效率高而在市場上占據主導地位。

多晶硅是一種由許多不同大小的單晶硅顆粒經過重新熔化結晶而形成的材料。雖然多晶硅的純度略低于單晶硅，但是其制造成本相對較低，并且具有更好的耐久性，因此，多晶硅太陽能電池被廣泛應用于眾多領域。

非晶硅是單質硅的一種形態，也被稱為無定形硅。非晶硅材料生產成本較低，易于大規模生產。非晶硅太陽能電池被廣泛應用于光伏建筑一體化、大規模光伏發電站以及太陽能照明光源等。

第二代光伏電池

誕生于20世紀70年代的薄膜太陽能電池，被認為是第二代光伏電池的代表。薄膜太陽能電池最初以成本較低和理論轉換效率較高而受到關注。第二代光伏電池主要包括銅銦鎵硒、碲化鎘、砷化鎵等薄膜太陽能電池。

銅銦鎵硒薄膜太陽能電池具有效率高、成本低、污染小、穩定性強等特點，成本約為晶硅電池的三分之一，光電轉換效率接近于晶硅電池。銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的弱光性能好，適用于地面光伏發電系統，尤其是在光照條件不佳的地區表現突出。

碲化鎘薄膜太陽能電池的理論光電轉換效率約為28%，具有成本較低、輕量化以及弱光性能好的特性。碲化鎘薄膜太陽能電池在空間應用中具有獨特的優勢，并適用于地面光伏發電系統以及光照條件不佳的環境中的發電應用。在碲化鎘薄膜太陽能電池中，鎘元素以穩定化合物形式存在，但仍然具有一定的毒性，回收時需要進行妥善處理。

砷化鎵薄膜太陽能電池以高效率、耐溫性好、穩定性好和弱光性能好等優勢，在太陽能電池領域占據重要地位。它不僅適用于地面光伏發電系統以及光照條件不佳的環境中的發電應用，還被用于空間探測等特殊領域，但其面臨成本高昂、原料稀缺以及毒性問題的挑戰。

第三代光伏電池

起源于20世紀90年代的第三代光伏電池，力求在新材料、新結構、高效率以及穩定性方面有所突破。第三代光伏電池主要包括有機太陽能電池、量子點敏化太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池等。

有機太陽能電池的核心是用有機材料作為光吸收層，具有輕質、柔性、可彎曲等優勢。因此，有機太陽能電池非常適用于便攜式電子設備以及可穿戴電子設備等。有機太陽能電池通常由透明導電玻璃、有機半導體材料、金屬電極等組成，但它需要在光電轉換效率、穩定性能以及生產成本等方面取得新突破，才能在未來的太陽能電池領域占有一席之地。

量子點敏化太陽能電池是一種利用無機半導體量子點作為吸光材料的電池。所謂量子點，指的是直徑小于10納米的半導體納米晶體。其設計原理是利用量子點的尺寸效應來調整其光電特性，以實現更高的光電轉換效率。目前，量子點敏化太陽能電池仍然面臨一些挑戰和限制。未來，它有望在清潔能源領域發揮更大作用，并將應用于柔性電子產品、加密量子通信等尖端領域。

“鈣鈦礦”時代，離我們還有多遠

第三代光伏電池代表了光伏技術的最前沿，有望在未來的光伏產業中發揮重要作用。鈣鈦礦太陽能電池以其優異的光吸收能力和電荷傳輸特性，在光電轉換效率方面具有明顯的優勢。那么，鈣鈦礦太陽能電池大規模應用的新時代離我們還有多遠？

我國“十四五”規劃明確將高效鈣鈦礦電池制備與產業化列入重點任務，從而為鈣鈦礦電池的發展提供了強有力的政策支持。

我國在鈣鈦礦太陽能電池領域取得了顯著的成就，并已達到國際先進水平。如楊上峰教授團隊成功實現了單結鈣鈦礦太陽能電池26.1%的光電轉換效率。徐集賢教授團隊創造的鈣鈦礦電池穩態效率達到26.7%，刷新了世界紀錄。

目前第三代光伏電池仍處于研發階段以及商業化應用的初級階段，主要制備的是小面積鈣鈦礦器件。未來大規模的商業化應用還有待技術、資金、產業等方面的成熟和突破。解決鈣鈦礦太陽能電池大面積制備的問題，無疑是暢通商業化應用的重要一環。

鈣鈦礦太陽能電池的穩定性問題也是制約其發展的重要因素之一。鈣鈦礦材料對濕度、氧氣、溫度等環境因素十分敏感，這些因素容易讓材料的結構和性能發生變化，導致電池的穩定性受到影響。通過優化鈣鈦礦材料的組成和結構、優化界面結構以及采用先進的封裝技術等措施，可以提高鈣鈦礦太陽能電池的穩定性。

鈣鈦礦太陽能電池的“脫穎而出”，足以說明它的強大生命力。到2030年，我國鈣鈦礦組件產能預計將達到142吉瓦，從而推動鈣鈦礦電池技術的產業化進程，并有望在清潔能源領域發揮極其重要的作用。