鈣鈦礦，會(huì)革晶硅電池的命嗎？

近年來(lái)，鈣鈦礦材料正迅速成為太陽(yáng)能領(lǐng)域的一種熱門(mén)候選材料。不過(guò)它的主要缺點(diǎn)之一，就是容易在陽(yáng)光直射下，其性能會(huì)隨著時(shí)間的流逝而退化。據(jù)報(bào)道，來(lái)自美國(guó)、中國(guó)和韓國(guó)的科學(xué)家組成一支研究團(tuán)隊(duì)，研發(fā)成功一種可用于鈣鈦礦光伏面板的新涂層，特點(diǎn)是能夠提升其在陽(yáng)光下的穩(wěn)定性。科研團(tuán)隊(duì)在材料表明沉積一層有機(jī)離子，使表面帶負(fù)電，再讓帶正電的離子與表面帶負(fù)電的離子配對(duì)，這使表面電子變得更中性且穩(wěn)定。測(cè)試結(jié)果表明，這些電池能在2000多個(gè)小時(shí)內(nèi)保持最初光電轉(zhuǎn)化效率的87％。相比之下，在同樣條件下，經(jīng)歷相同時(shí)間后，未經(jīng)處理的太陽(yáng)能電池性能下降到原來(lái)的65％。

該研究為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)商業(yè)化和廣泛采用奠定了基礎(chǔ)。作為目前主流的光伏技術(shù)，晶硅光伏發(fā)電效率已越來(lái)越接近極限。鈣鈦礦作為一種人工合成材料，在2009年首次被嘗試應(yīng)用于光伏發(fā)電領(lǐng)域后，因?yàn)樾阅軆?yōu)異、成本低廉、商業(yè)價(jià)值巨大，被《科學(xué)》（Science）期刊評(píng)為年度十大突破性科技進(jìn)展之一。

一米寬兩米長(zhǎng)的鈣鈦礦電池組件

目前鈣鈦礦電池成為研發(fā)熱點(diǎn)，鈣鈦礦電池或?qū)⒃?年之后，成為真正具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的一股光伏新勢(shì)力，如果各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)能獲得進(jìn)一步突破，鈣鈦礦取代晶硅也不是不可能。鈣鈦礦電池目前取得的進(jìn)展如下所示：

1、鈣鈦礦電池效率獲得突破

如上圖所示，鈣鈦礦用了大概10年左右的時(shí)間，將轉(zhuǎn)換效率從最初的3.8%提升至目前超過(guò)25%的實(shí)驗(yàn)室效率記錄，趕上了過(guò)去晶硅四五十年的發(fā)展。

2、鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)鏈短，投資成本低

對(duì)于晶硅來(lái)說(shuō)，硅料、拉晶、切片、電池、組件需要四個(gè)以上不同工廠生產(chǎn)加工，倘若所有環(huán)節(jié)無(wú)縫對(duì)接，一片組件完工最快也需要一個(gè)多月的時(shí)間；而100兆瓦的鈣鈦礦組件，從玻璃、膠膜、靶材、化工原料進(jìn)入，到組件成型，總共只需45分鐘。

以1GW產(chǎn)能投資來(lái)對(duì)比，晶硅的硅料、硅片、電池、組件全部加起來(lái)，需要大約9億、接近10億元的投資規(guī)模，而鈣鈦礦1GW的產(chǎn)能投資，在達(dá)到一定成熟度后，約為5億元左右，是晶硅的1/2。

3、鈣鈦礦用量少

晶硅組件中的硅片，厚度通常為180微米，而鈣鈦礦組件中，鈣鈦礦層厚度大概是0.3微米，這里有三個(gè)數(shù)量級(jí)的差異。

目前全球晶硅電池每年大概需要60萬(wàn)噸太陽(yáng)能級(jí)硅料，倘若把這60萬(wàn)噸硅料完全替換成鈣鈦礦，大概1000噸就可以滿(mǎn)足需求，所以，鈣鈦礦原料沒(méi)有任何瓶頸，一是用量少，二是不存在稀缺性。

4、鈣鈦礦電池生產(chǎn)成本低

1、每1瓦單晶組件制造的能耗，大約是1.52KWh，而鈣鈦礦組件能耗為0.12KWh，單瓦能耗只有晶硅的1/10；

2、單片組件成本結(jié)構(gòu)中，鈣鈦礦占比約為5%，玻璃、靶材等占到另外的2/3，總成本約為5毛到6毛錢(qián)左右，是晶硅組件極限成本的50%。

5、鈣鈦礦穩(wěn)定性獲得突破

單質(zhì)硅為原子晶體，要想獲得單晶硅片，需要將多晶硅料加熱到1410度，才能將硅料熔接，再通過(guò)CZ直拉單晶的方法獲得單晶硅棒，因此晶硅電池非常穩(wěn)定。

鈣鈦礦是一種六方晶的離子晶體結(jié)構(gòu)，它的分解溫度大概是攝氏200度-300度。由于生成溫度相對(duì)較低，之前鈣鈦礦電池不穩(wěn)定，衰減大，但時(shí)至今日，鈣鈦礦穩(wěn)定性一點(diǎn)都不比晶硅差。因?yàn)樘?yáng)能電池在地球表面使用，溫度很難超過(guò)75度-85度這個(gè)區(qū)間，所以，兩三百度足夠用，而1400度則成為一個(gè)巨大冗余。

2016年，有高校針對(duì)一塊巴掌大小的鈣鈦礦組件做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)——在標(biāo)準(zhǔn)光源下，讓該組件連續(xù)工作12000個(gè)小時(shí)，結(jié)果沒(méi)有任何衰減。

因?yàn)椴煌姆庋b，會(huì)帶來(lái)不同的衰減效果，2020年，協(xié)鑫納米圍繞封裝又進(jìn)行了一系列工作和實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于封裝不好的組件，很快就會(huì)衰減，但良好封裝的組件，在雙85（85℃、85%RH）條件下，2000個(gè)小時(shí)之內(nèi)沒(méi)有任何衰減。

這一年年底，一個(gè)更有力量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明鈣鈦礦的競(jìng)爭(zhēng)力。在晶硅IEC61215標(biāo)準(zhǔn)下，鈣鈦礦組件連續(xù)工作9000個(gè)小時(shí)沒(méi)有任何衰減，可以明確說(shuō)，這個(gè)結(jié)果，同樣沒(méi)有任何一種晶硅能夠達(dá)到。

參考文獻(xiàn)：協(xié)鑫納米范斌：5年后，鈣鈦礦崛起