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鈣鈦礦太陽能電池

鈣鈦礦是一種具有與礦物鈣鈦氧化物(最早發(fā)現(xiàn)的鈣鈦礦晶體)相同的晶體結(jié)構(gòu)的材料。通常，鈣鈦礦化合物具有化學式ABX 3，其中“ A”和“ B”代表陽離子，X是與兩者鍵合的陰離子，大量不同的元素可以結(jié)合在一起形成鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。

利用這種成分的靈活性，科學家可以設計鈣鈦礦晶體，使其具有多種物理，光學和電學特性。鈣鈦礦晶體如今在超聲波機器，存儲芯片以及現(xiàn)在的太陽能電池中都可以找到。

鈣鈦礦的清潔能源應用

所有光伏太陽能電池都依靠半導體(位于玻璃等電絕緣體和諸如銅之類的金屬導體之間的中間地層中的材料)將光能轉(zhuǎn)化為電能。來自太陽的光激發(fā)半導體材料中的電子，電子流入導電電極并產(chǎn)生電流。

自19世紀50年代以來，硅一直是太陽能電池中使用的主要半導體材料，因為硅的半導體特性與太陽光線的光譜非常吻合，并且相對豐富且穩(wěn)定。但是，常規(guī)太陽能電池板中使用的硅晶體需要昂貴的多步驟制造過程，耗費大量能量。在尋找替代物時，科學家利用鈣鈦礦的可調(diào)性來制造具有與硅相似性質(zhì)的半導體。

鈣鈦礦型太陽能電池可以使用簡單的添加劑沉積技術(例如印刷)來制造，而成本和能耗卻很低。由于鈣鈦礦的成分靈活性，它們也可以進行分子結(jié)構(gòu)調(diào)整以理想地匹配太陽光譜。

2012年，研究人員首先發(fā)現(xiàn)了如何使用鹵化鈣鈦礦作為光吸收層來制作穩(wěn)定的薄膜鈣鈦礦太陽能電池，其光子至電子的光轉(zhuǎn)換效率超過10%。從那時起，鈣鈦礦型太陽能電池的太陽光-電能轉(zhuǎn)換效率猛增，實驗室記錄為25.2%。研究人員還將鈣鈦礦光伏電池與常規(guī)晶硅電池結(jié)合在一起，這些“硅-鈣鈦礦”串聯(lián)電池的記錄效率目前為29.1%(超過常規(guī)硅電池的27%的記錄)，并且還在迅速上升。隨著電池效率的迅速提高，鈣鈦礦光伏電池和鈣鈦礦疊層串聯(lián)太陽能電池可能很快成為傳統(tǒng)晶硅光伏電池的廉價，高效替代品。

鈣鈦礦電池的最大挑戰(zhàn)

盡管鈣鈦礦電池(包括晶硅鈣鈦礦疊層電池)已被全球數(shù)十家公司商業(yè)化，但仍存在一些基礎科學和設計、制造領域的挑戰(zhàn)需要解決，改善其性能、可靠性和可制造性。

一方面是效率的繼續(xù)提升：鈣鈦礦研究人員通過表征鈣鈦礦中的缺陷，繼續(xù)提高轉(zhuǎn)化效率。盡管鈣鈦礦半導體具有很高的容錯能力，但缺陷仍對性能產(chǎn)生負面影響，尤其是那些出現(xiàn)在有源層表面的缺陷。

美國科學家用鈣鈦礦涂層修飾硅太陽能電池，以更有效地收集高能藍光光子，從而繞開了常規(guī)硅電池33%轉(zhuǎn)換的理論極限。科學家開發(fā)出的鈣鈦礦量子點(比人的頭發(fā)小數(shù)千倍的微小粒子)，它們可以吸收高能光子，并發(fā)射出兩倍于低能光子，這一過程被稱為“量子切割”。太陽能電池吸收的每個光子都會產(chǎn)生一個電子，因此鈣鈦礦量子點涂層可以顯著提高轉(zhuǎn)換效率。

從2009到2019短短10年內(nèi)，鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)換效率已從最初的3.8%提高到了25.2%。

另一方面是穩(wěn)定性和壽命：穩(wěn)定性、耐久性是當下鈣鈦礦電池商業(yè)化的最大障礙，全球幾乎所有的研究人員都正在探索新的鈣鈦礦化學配方，以針對特定應用(如疊層串聯(lián)電池)調(diào)整其電子躍遷性能，或進一步提高其穩(wěn)定性和壽命。

除了通過改善鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性來提高壽命，研究人員還在研究新的電池設計和新的封裝策略以保護鈣鈦礦免受環(huán)境因素影響。如鈣鈦礦電池對水汽尤為敏感，水汽是影響電池壽命的重要因素，科學家一直在尋找最合適的封裝材料來杜絕水汽的進入

研究人員還努力了解鈣鈦礦電池的衰減機理，從而尋找加速老化方法來研究預測鈣鈦礦太陽能電池的壽命。

不久前，纖納光電宣布其20cm2的鈣鈦礦小組件通過3倍IEC61215測試。在濕熱實驗測試中，組件老化時間由之前的1000小時提升至3000小時(高于IEC濕熱測試Damp heat test3倍時長)，組件轉(zhuǎn)化效率無衰減。與此同時，紫外預處理實驗使用了100kWh的劑量(等同于IEC檢測標準的6.5倍以上)，組件效率衰減小于2%。而這些都是晶硅電池可用25年的理論依據(jù)。

第三方面，如何大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)鈣鈦礦電池。一些公司正在迅速探索各種制造工藝，包括如何使鈣鈦礦“油墨”適應已建立的大規(guī)模溶液印刷方法。使用一種卷對卷打印機，可以在低溫下將鈣鈦礦墨水打印到柔性基材上。

第四方面是大面積的挑戰(zhàn)。近兩年來鈣鈦礦電池得到了行業(yè)巨大的關注，最大的吸睛點來自鈣鈦礦電池效率的不斷突破，目前已接近晶硅電池，超越晶硅電池的效率已經(jīng)指日可待。然而，鈣鈦礦效率的提升并沒有帶來商業(yè)化的投資，最大的問題就是鈣鈦礦電池的面積：屢破記錄的效率只能在幾平方厘米的電池面積上實現(xiàn)。

2020年美國能源部太陽能技術辦公室(DOE-SETO)2000萬美元推進鈣鈦礦，其中支持的意向沉積技術，就是生產(chǎn)用于大面積太陽能電池和增強常規(guī)硅太陽能電池的鈣鈦礦材料薄膜。

最后，鈣鈦礦電池的環(huán)保問題。含鉛一直是部分環(huán)保人士針對鈣鈦礦電池的最大詬病，如今性能最佳的鈣鈦礦一般都是用少量的鉛制成的，盡管研究人員也在探索替代成分和新的封裝策略，以減輕與鉛毒性有關的擔憂。

對于鈣鈦礦含鉛or NOT對光伏電池的收益和風險，行業(yè)專家由不同的理解和看法。相對于晶硅電池中的含鉛焊帶，鈣鈦礦電池中的鉛幾乎可以忽略不計，協(xié)鑫納米的鈣鈦礦專家范斌就一直在用實證來說明鈣鈦礦電池中鉛的穩(wěn)定性。

鈣鈦礦電池的商業(yè)化

鈣鈦礦電池盡管一直沒有得到規(guī)模化的應用，但其商業(yè)化的道路卻備受關注。牛津光伏與梅耶博格的頂級合作，協(xié)鑫納米100MW產(chǎn)線的落地，最新的分析認為鈣鈦礦光伏產(chǎn)品將于2021年開售。

而今年7月31日，杭州纖納光電宣布，衢州纖納新能源科技有限公司5GW生產(chǎn)基地落成典禮暨鈣鈦礦生產(chǎn)線投產(chǎn)儀式舉行。

在轉(zhuǎn)化效率上，NREL新紀錄：鈣鈦礦疊層效率24.16%。

鈣鈦礦的研究成果正在從實驗室快速步入規(guī)模化生產(chǎn)，商業(yè)化進程不斷加快，投資者的關注也愈發(fā)強烈。從科技猜想到實驗室、再到產(chǎn)線的過程無論是時間、還是空間都在縮短，成為光伏領域產(chǎn)、學、研最為濃縮，融入最為緊密的前沿領域。

作為最有想象力和生命力的下一代新型太陽能電池技術，第二屆全球鈣鈦礦與疊層電池產(chǎn)業(yè)化論壇即將于2020年10月召開，一場由科學家、研究院、生產(chǎn)商、投資商、設備商、實驗室、地方產(chǎn)業(yè)園區(qū)、金融研究等全行業(yè)參與的盛會即將開幕。

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