鈣鈦礦太陽能光伏電池特點、產業布局與發展前瞻

鈣鈦礦太陽能光伏電池是使用與鈣鈦礦晶體結構相似的半導體材料作為吸光材料的第三代薄膜太陽能光伏電池，具有光電轉換效率高、可柔性製備、低成本等突出優勢，具有廣闊的應用前景，有望引發相關領域的能源革命。其發展大致經歷了三個發展階段：

第一代太陽能光伏電池，主要是單晶矽和多晶矽太陽能電池。經過半個多世紀的持續發展，晶體矽太陽能電池製備工藝已經十分成熟，單晶矽和多晶矽太陽能電池的實驗室轉換效率分別達到25.6%和20.8%，已接近理論極限水平。憑藉著較為成熟的技術與較高的光電轉換效率，晶體矽太陽能電池在光伏市場上佔有89%的絕對市場份額。但由於矽基太陽能電池的高效率依賴於高純度的矽材料，使得其製造成本偏高。

第二代太陽能光伏電池，主要是非晶矽薄膜太陽能電池和晶矽薄膜太陽能電池。其中非晶矽的砷化鎵太陽能電池效率目前可達30%左右，但是價格昂貴，綜合性價比並不高，因此多用於對性能要求很高的太空飛行器領域。晶矽薄膜太陽能電池採用化學氣相沉積或者等離子增強化學氣相沉積法製備，但是矽基太陽能電池需要採用高純度的矽材料，使光伏成本偏高。而非晶矽薄膜太陽能電池需要採用稀土元素且製備過程中環境汙染嚴重，導致難以進一步推廣。

第三代太陽能光伏電池，主要是鈣鈦礦太陽能電池、量子點太陽能電池、有機光伏電池等一些新概念光伏電池。其中基於染料敏化太陽能電池發展起來的鈣鈦礦太陽能光伏電池以其較高的光電轉換效率、較低的製造成本、可製備柔性結構等優勢，成為最有發展前景第三代太陽能光伏電池。2009年首次提出鈣鈦礦太陽能光伏電池概念，2013年被美國《科學》雜誌評為十大科學突破之一，2014年被Nature雜誌評為最值得期待的科技突破之一，2016年在世界經濟論壇上被譽為 「最具商業化潛力的十大新興技術」 之一，2017年被路透社列為諾貝爾化學獎的熱門提名。

國外發展現狀

國外眾多高校、研究機構開展了鈣鈦礦太陽能光伏技術研究，並創造了多次光電轉換效率的世界紀錄，已經開始產業化推進。

英國牛津大學製備出全球首個介孔超結構鈣鈦礦太陽能光伏電池，實現從傳統介觀鈣鈦礦太陽能光伏電池向平面鈣鈦礦太陽能光伏電池的過渡。2010年12月，牛津大學的Henry J. Snaith教授創立牛津光伏公司，突破鈣鈦礦太陽能光伏穩定性等多項關鍵技術，申請200多項專利，即將實現鈣鈦礦太陽能光伏電池的產業化應用。2018年12月，牛津光伏公司1平方釐米麵積的鈣鈦礦-矽疊層太陽能電池效率達28%。該公司得到多家能源公司和投資機構的戰略投資，正在建設250MW鈣鈦礦-矽疊層太陽能電池生產線，計劃2020年推出商業化產品。

瑞士洛桑聯邦理工學院的Michael Grätzel教授首創兩步連續沉積法製備鈣鈦礦薄膜電池，2016年6月試製出單元尺寸為32mm*24mm的鈣鈦礦太陽能光伏電池，光電轉換效率超過20%。2019年8月，韓國化學技術研究所與MIT合作創造了25.2%鈣鈦礦光伏效率(有效面積小於1平方釐米)。加拿大多倫多大學在低成本可印刷式鈣鈦礦太陽能光伏電池生產方面實現新突破，相關團隊生產的新型可印刷式鈣鈦礦型太陽能電池能夠在使用500小時後，仍維持原有效率的90%以上。美國杜克大學、史丹福大學、國家可再生能源實驗室、內布拉斯加-林肯大學、華盛頓大學等單位均開展了鈣鈦礦太陽能光伏技術的相關研究。

國外高校及相關公司開展了多項先期應用探索，為鈣鈦礦太陽能光伏電池在多個領域的應用奠定了一定基礎。由於具備柔性、高轉換效率、低重量的特性，鈣鈦礦太陽能電池在基於太陽能動力的無人機、航天飛行器領域極具潛力。奧地利約翰內斯普勒大學的研究人員使用3微米厚、穩定12%轉換效率的鈣鈦礦太陽能光伏板(64個獨立光伏，單位重量功率值23W/g)，為無人飛行器模型提供動力(翼展58cm)。

國內發展現狀

總體上，我國鈣鈦礦太陽能光伏電池技術與國外先進水平基本持平，產業化工作正在積極推進。

上海交通大學材料科學與工程學院韓禮元教授團隊，2017年實現了有效面積36.1平方釐米、認證效率12.1%的大面積鈣鈦礦模塊的效率世界紀錄;團隊依託上海黎元新能源科技有限公司開展技術轉化以及光伏組件的產業化研發。

華中科技大學武漢光電國家實驗室韓宏偉教授團隊，2014年在美國《科學》雜誌發表基於全印刷技術的介觀鈣鈦礦太陽能光伏技術，實現了印刷介觀太陽能電池及光電器件關鍵技術的突破;2015年研製出6平米全印刷介觀鈣鈦礦太陽能光伏模組，應用前景良好;同時，依託鄂州萬度光能有限責任公司進行全產業鏈布局一體化推進，旨在實現廉價光伏發電產業化。

武漢理工大學材料複合新技術國家重點實驗室印刷光電子實驗室程一兵教授團隊，實現了10釐米*10釐米鈣鈦礦光伏認證效率16.5%、7釐米*7釐米轉換效率達17.9%的鈣鈦礦光伏組件等傑出成果。

中科院半導體所遊經碧研究員團隊，2018年末刷新了鈣鈦礦光伏電池的轉換效率紀錄，經美國可再生能源實驗室權威認證，轉換效率突破23.7%。

中科院化學研究所綠色印刷實驗室宋延林教授團隊，開展了柔性鈣鈦礦太陽能光伏研究，通過納米組裝-印刷方式製備出「蜂巢狀納米支架」，實現了柔性鈣鈦礦太陽能光伏更高的力學穩定，有望為柔性可穿戴電子設備提供可靠電源，當前1平方釐米的柔性鈣鈦礦太陽能光伏的光電轉換效率達到12.32%。

國內多家商業公司正在積極推動鈣鈦礦太陽能光伏電池的產業化發展，如蘇州協鑫納米公司、杭州纖納光電公司、杭州眾能光電公司、上海黎元新能源公司、湖北萬度光能公司等。

蘇州協鑫納米公司生產的面積1300平方釐米鈣鈦礦太陽能光伏效率達13.48%，創造截至2019年9月世界最大面積鈣鈦礦光伏組件之最、大面積鈣鈦礦組件效率之最，目前正在建設100MW級鈣鈦礦電池生產線。

杭州眾能光電科技公司計劃百兆瓦級生產線2020年實現量產，2021年推出GW級生產線。

另外，2019年8月，杭州纖納光電科技有限公司量產鈣鈦礦薄膜光伏模組(200-800平方釐米)認證效率超過11.98%，標誌著商業化大組件的成功下線，目前正在建設20MW鈣鈦礦太陽能光伏生產線。萬度光能依託華中科技大學韓宏偉團隊技術研發基礎，已建立110平方米可印刷鈣鈦礦太陽能光伏示範系統。

發展展望

鑑於鈣鈦礦太陽能電池的多方面綜合突出優勢，以及國內外產業化進程的持續推進，可以預見，鈣鈦礦太陽能光伏電池將迎來快速發展和規模應用階段。

1、效率持續提高，達到並超過市場主流產品水平

高光電轉換效率是眾多領域應用的首要需求。2009年，世界上首次製備出鈣鈦礦太陽能光伏電池，轉換效率僅3.8%;2019年8月，經權威認證的鈣鈦礦太陽能光伏轉換效率已達25.2%。短短十年間，鈣鈦礦太陽能光伏的轉換效率已達到目前第一代單晶矽太陽能電池的水平。

鈣鈦礦晶體結構光電轉換材料具有吸光性能高、覆蓋光譜範圍寬等特點，單結鈣鈦礦太陽能光伏理論轉換效率約33%，雙結鈣鈦礦太陽能光伏理論轉換效率可達40%以上。預計，單結、雙結鈣鈦礦太陽能光伏電池光電轉換效率將繼續不斷刷新紀錄。

2、成本穩步降低，為規模化產業化應用鋪平道路

鈣鈦礦材料來源豐富、儲量豐富，材料成本低，且鈣鈦礦材料配方可調，選擇空間大。鈣鈦礦太陽能光伏製備工藝相對簡單，生產成本低，材料純度要求90%以上即可，而矽基太陽能電池必須使用99.9999%高純矽。此外，第二代的砷化鎵薄膜電池雖轉換效率達30%左右，但生產成本特別昂貴。預期，鈣鈦礦組件的製造成本可達到單晶矽組件成本的50%。

國內外多家公司正在大力推進鈣鈦礦太陽能電池的產業化工作，相關產業化技術在不遠的將來可實現重大突破，並在多個典型領域實現規模應用。預計，非柔性鈣鈦礦太陽能電池將首先實現規模化產業化應用，在一定程度上實現對其他太陽能電池的替代應用。

3、大面積、輕質化、柔性技術，應用領域不斷拓寬

鈣鈦礦材料吸光係數大，光伏厚度僅需微米級就能實現太陽光的有效利用;與傳統光伏電池製備工藝相比，鈣鈦礦太陽能電池可在相對較低的溫度下製備，可採用輕薄、柔性基底，顯著降低光伏電池重量。

大面積高效柔性鈣鈦礦太陽能光伏規模化生產設備目前尚處於試製、試驗階段，相關技術發展亟需代表性應用領域的需求牽引，相關標準體系亟需建立。預計，在航空航天等典型領域應用需求牽引下，大面積高效柔性鈣鈦礦太陽能光伏電池關鍵技術有望在三年左右時間實現突破，並實現規模應用。

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