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(xiàn)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(dāng)代先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的光伏電池。正在崛起的鈣鈦礦太陽能電池，已經(jīng)吹響了光伏3.0時(shí)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(fā)現(xiàn)

1839年，法國科學(xué)家埃德蒙·貝克雷爾發(fā)現(xiàn)光照能在半導(dǎo)體材料的不同部位產(chǎn)生電位差。這種現(xiàn)象后來被稱為“光伏效應(yīng)”。這一發(fā)現(xiàn)為太陽能電池的誕生奠定了理論基礎(chǔ)。同年，鈣鈦礦的發(fā)現(xiàn)為鈣鈦礦太陽能電池的崛起提供了關(guān)鍵材料基礎(chǔ)。德國地質(zhì)學(xué)家古斯塔夫·羅斯在烏拉爾山脈發(fā)現(xiàn)了鈣鈦礦這種天然礦物，并以俄羅斯礦物學(xué)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(dǎo)體/金屬結(jié)太陽能電池誕生，雖然轉(zhuǎn)換效率只有1%，但標(biāo)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(shí)驗(yàn)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(jì)元。20世紀(jì)70年代以來，晶硅電池技術(shù)不斷取得新突破，電池效率得以顯著提高，特別是能源危機(jī)與環(huán)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(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的光伏電池，并且將在未來相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位。然而在“晶硅一統(tǒng)天下”的太陽能時(shí)代，鈣鈦礦太陽能電池卻能成功逆襲。

鈣鈦礦涉足光伏領(lǐng)域只是近十多年的事情。21世紀(jì)初，鈣鈦礦太陽能電池啟動基礎(chǔ)研究，但仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。2009年，日本科學(xué)家宮坂力將碘化鉛甲胺和溴化鉛甲胺應(yīng)用于染料敏化太陽能電池，獲得了最高3.8%的光電轉(zhuǎn)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(xué)》雜志年度十大科技突破，標(biāo)志著鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)取得重大突破，并引起了全球科學(xué)界的廣泛關(guān)注。

歷經(jīng)十多年的持續(xù)研發(fā)，鈣鈦礦太陽能電池成功逆襲，成為太陽能領(lǐng)域的“新寵”。自此，鈣鈦礦太陽能電池研發(fā)進(jìn)程進(jìn)入快車道。一方面，鈣鈦礦材料配方不斷優(yōu)化，電池效率不斷提高，穩(wěn)定性能不斷完善；另一方面，鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)業(yè)化步伐加快，并成為光伏領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

此“鈣鈦礦”，非彼鈣鈦礦

其實(shí)，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(gè)概念。天然礦物中的鈣鈦礦是一種由無機(jī)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(lǐng)域所使用的“鈣鈦礦”到底是什么物質(zhì)呢？在光伏領(lǐng)域，“鈣鈦礦”材料指的是一類與天然鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)類似的人工設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)。鈣鈦礦材料的結(jié)構(gòu)通式為“ABX3”，這三種元素分別占據(jù)不同的晶格位置，從而賦予其獨(dú)特的電子和光學(xué)特性。其中的A位一般為有機(jī)陽離子，也可以為無機(jī)陽離子，通常為一價(jià)陽離子；B位通常為二價(jià)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(yīng)用場合的鈣鈦礦材料，我們可以通過調(diào)整A、B、X位的元素種類及其組合來實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)然，設(shè)計(jì)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(jī)分子的引入來確定鈣鈦礦材料的結(jié)構(gòu)，選擇合適的合成方法來確保鈣鈦礦材料的質(zhì)量和性能，對合成后的鈣鈦礦材料進(jìn)行表征和分析以確認(rèn)其結(jié)構(gòu)和性能。

鈣鈦礦“脫穎而出”的底氣

在“硅光文明”主導(dǎo)的太陽能電池時(shí)代，鈣鈦礦是如何“脫穎而出”的？

先來說說晶硅電池在發(fā)展過程中所遭遇的瓶頸。就晶硅電池的技術(shù)品質(zhì)而言，光電轉(zhuǎn)換效率向來是其立足的“金標(biāo)準(zhǔn)”。晶硅電池走向輝煌靠的是什么？無非是光電轉(zhuǎn)換效率從不到1%到26.7%的躍升。未來，晶硅電池光電轉(zhuǎn)換效率還有多大的提升空間？據(jù)悉，晶硅電池光電轉(zhuǎn)換效率的理論極限為29.43%，也就是說，進(jìn)一步提升的空間已經(jīng)非常有限。當(dāng)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(chǎn)能耗比較高，生產(chǎn)工藝也比較復(fù)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(chǎn)對環(huán)境也會產(chǎn)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(dú)特結(jié)構(gòu)，賦予其出類拔萃的光電性能。短短十多年時(shí)間，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率就從3.8%躍升至26%，足見其性能之優(yōu)、潛力之大。鈣鈦礦太陽能電池的單層理論效率可達(dá)31%，而雙層或三層疊加結(jié)構(gòu)的理論效率可超過45%。這說明鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率在能源轉(zhuǎn)換方面具有顯著優(yōu)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(zhuǎn)換效率方面的優(yōu)勢之外，還在生產(chǎn)成本、環(huán)保性能、可塑性能等方面具有明顯優(yōu)勢。

與傳統(tǒng)的硅基太陽能電池相比，鈣鈦礦太陽能電池在生產(chǎn)成本方面具有明顯優(yōu)勢：鈣鈦礦材料的生產(chǎn)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(huán)保的角度來看，鈣鈦礦太陽能電池的生產(chǎn)過程環(huán)保性能較好，使用過程中不會產(chǎn)生有害氣體排放，對環(huán)境的影響比較小。

鈣鈦礦材料的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，賦予其很強(qiáng)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(jié)構(gòu)，以適應(yīng)各種曲面以及不規(guī)則的表面，如建筑外墻、汽車車頂?shù)取?/p>

除了應(yīng)用于傳統(tǒng)的光伏發(fā)電和分布式能源系統(tǒng)之外，鈣鈦礦太陽能電池還可以應(yīng)用于光伏建筑一體化、可穿戴電子設(shè)備等諸多領(lǐng)域，應(yīng)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(gè)PN結(jié)的鈣鈦礦太陽能電池稱為單結(jié)太陽能電池，這是鈣鈦礦太陽能電池的一種基礎(chǔ)形式。

疊層鈣鈦礦太陽能電池則是通過多層結(jié)構(gòu)的堆疊來提高鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。作為一種新型的太陽能電池技術(shù)，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(lián)”電池。

鈣鈦礦太陽能電池有何獨(dú)特的結(jié)構(gòu)？我們以單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池為例來了解其基本構(gòu)成，主要包括透明導(dǎo)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(dǎo)電基底透明導(dǎo)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(fù)責(zé)收集和傳輸由鈣鈦礦層產(chǎn)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(fù)責(zé)高效傳輸電子并阻擋空穴，是提升電池性能的關(guān)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(wěn)定性。鈣鈦礦吸光層負(fù)責(zé)吸收太陽光并將其轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)高效率的光電轉(zhuǎn)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(guān)鍵組件，負(fù)責(zé)有效提取和傳輸光生空穴，提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

金屬電極金屬電極位于電池的最后一層，主要負(fù)責(zé)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(dú)特的結(jié)構(gòu)和高效的光電轉(zhuǎn)換機(jī)制，可以有效地將光能轉(zhuǎn)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(guān)系。鈣鈦礦材料的帶隙是指價(jià)帶和導(dǎo)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(lǐng)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(xué)組分可以調(diào)節(jié)材料的帶隙，從而實(shí)現(xiàn)對太陽光譜的更廣泛吸收，以此來提高光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

同晶硅電池一樣，單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池也是基于光電效應(yīng)而工作的。具體來講，當(dāng)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(shí)，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?shù)截?fù)極，空穴傳輸層將與電子分離的空穴傳輸?shù)秸龢O；在外電路形成的回路中，由于電荷的定向移動而產(chǎn)生電流。這就是鈣鈦礦太陽能電池把陽光轉(zhuǎn)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(fā)電的新紀(jì)元，這是人類文明史上的一件大事。回溯光伏電池的發(fā)展歷史，不難發(fā)現(xiàn)貫穿其中的創(chuàng)新脈絡(luò)。

第一代光伏電池

誕生于20世紀(jì)50年代的晶硅太陽能電池，被認(rèn)為是光伏技術(shù)的先驅(qū)。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(zhǔn)金屬的物理性質(zhì)，純度要求達(dá)到99.9999％以上，可用于制造半導(dǎo)體器件和太陽能電池等。單晶硅太陽能電池以光電轉(zhuǎn)換效率高而在市場上占據(jù)主導(dǎo)地位。

多晶硅是一種由許多不同大小的單晶硅顆粒經(jīng)過重新熔化結(jié)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(yīng)用于眾多領(lǐng)域。

非晶硅是單質(zhì)硅的一種形態(tài)，也被稱為無定形硅。非晶硅材料生產(chǎn)成本較低，易于大規(guī)模生產(chǎn)。非晶硅太陽能電池被廣泛應(yīng)用于光伏建筑一體化、大規(guī)模光伏發(fā)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(jì)70年代的薄膜太陽能電池，被認(rèn)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(zhuǎn)換效率較高而受到關(guān)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(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，成本約為晶硅電池的三分之一，光電轉(zhuǎn)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(fā)電系統(tǒng)，尤其是在光照條件不佳的地區(qū)表現(xiàn)突出。

碲化鎘薄膜太陽能電池的理論光電轉(zhuǎn)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(yīng)用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢，并適用于地面光伏發(fā)電系統(tǒng)以及光照條件不佳的環(huán)境中的發(fā)電應(yīng)用。在碲化鎘薄膜太陽能電池中，鎘元素以穩(wěn)定化合物形式存在，但仍然具有一定的毒性，回收時(shí)需要進(jìn)行妥善處理。

砷化鎵薄膜太陽能電池以高效率、耐溫性好、穩(wěn)定性好和弱光性能好等優(yōu)勢，在太陽能電池領(lǐng)域占據(jù)重要地位。它不僅適用于地面光伏發(fā)電系統(tǒng)以及光照條件不佳的環(huán)境中的發(fā)電應(yīng)用，還被用于空間探測等特殊領(lǐng)域，但其面臨成本高昂、原料稀缺以及毒性問題的挑戰(zhàn)。

第三代光伏電池

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

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

量子點(diǎn)敏化太陽能電池是一種利用無機(jī)半導(dǎo)體量子點(diǎn)作為吸光材料的電池。所謂量子點(diǎn)，指的是直徑小于10納米的半導(dǎo)體納米晶體。其設(shè)計(jì)原理是利用量子點(diǎn)的尺寸效應(yīng)來調(diào)整其光電特性，以實(shí)現(xiàn)更高的光電轉(zhuǎn)換效率。目前，量子點(diǎn)敏化太陽能電池仍然面臨一些挑戰(zhàn)和限制。未來，它有望在清潔能源領(lǐng)域發(fā)揮更大作用，并將應(yīng)用于柔性電子產(chǎn)品、加密量子通信等尖端領(lǐng)域。

“鈣鈦礦”時(shí)代，離我們還有多遠(yuǎn)

第三代光伏電池代表了光伏技術(shù)的最前沿，有望在未來的光伏產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮重要作用。鈣鈦礦太陽能電池以其優(yōu)異的光吸收能力和電荷傳輸特性，在光電轉(zhuǎn)換效率方面具有明顯的優(yōu)勢。那么，鈣鈦礦太陽能電池大規(guī)模應(yīng)用的新時(shí)代離我們還有多遠(yuǎn)？

我國“十四五”規(guī)劃明確將高效鈣鈦礦電池制備與產(chǎn)業(yè)化列入重點(diǎn)任務(wù)，從而為鈣鈦礦電池的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的政策支持。

我國在鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域取得了顯著的成就，并已達(dá)到國際先進(jìn)水平。如楊上峰教授團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池26.1%的光電轉(zhuǎn)換效率。徐集賢教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造的鈣鈦礦電池穩(wěn)態(tài)效率達(dá)到26.7%，刷新了世界紀(jì)錄。

目前第三代光伏電池仍處于研發(fā)階段以及商業(yè)化應(yīng)用的初級階段，主要制備的是小面積鈣鈦礦器件。未來大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用還有待技術(shù)、資金、產(chǎn)業(yè)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(yè)化應(yīng)用的重要一環(huán)。

鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性問題也是制約其發(fā)展的重要因素之一。鈣鈦礦材料對濕度、氧氣、溫度等環(huán)境因素十分敏感，這些因素容易讓材料的結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化，導(dǎo)致電池的穩(wěn)定性受到影響。通過優(yōu)化鈣鈦礦材料的組成和結(jié)構(gòu)、優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)以及采用先進(jìn)的封裝技術(shù)等措施，可以提高鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性。

鈣鈦礦太陽能電池的“脫穎而出”，足以說明它的強(qiáng)大生命力。到2030年，我國鈣鈦礦組件產(chǎn)能預(yù)計(jì)將達(dá)到142吉瓦，從而推動鈣鈦礦電池技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，并有望在清潔能源領(lǐng)域發(fā)揮極其重要的作用。