近兩年，一種名為「鈣鈦礦」的太陽能電池突然間聲名鵲起，「效率高」、「成本低」、「有望取代晶矽」等傳聞甚囂塵上，引得光伏圈、投資圈乃至吃瓜群眾紛紛投來好奇的目光。那麼這位新晉「網紅」到底是什麼電池呢？
01 鈣鈦礦家族的「扛把子」
說起「鈣鈦礦」，其實並不是專指某種太陽能電池，而是一種晶體結構的名稱，它的起源的確與礦產有關。
1839年，鈦酸鈣（CaTiO3）礦石被發現並冠以俄羅斯地質學家佩羅夫斯基（Perovski）的名字，命名為鈣鈦礦（Perovskite）。
在這種礦物的晶體結構中，Ca原子占據立方體的八個頂點，O原子嵌在六個面的面心，Ti原子填充在立方體的體心。如果把頂點稱為A位，體心稱為B位，面心稱為X位，鈣鈦礦晶體結構的通式就可以寫作ABX3。每個位點上都可以替換為各種原子或基團，形成的這些具有鈣鈦礦結構的物質都屬於鈣鈦礦「大家族」。
鈣鈦礦家族中並非只有太陽能電池，還有鈣鈦礦發光二極體（LED）、鈣鈦礦光催化劑、鈣鈦礦傳感器等。得益於晶體結構中各位點上物質替換的靈活性，鈣鈦礦材料的化學構成和用途多種多樣，堪稱「寶藏家族」。
圖1 鈣鈦礦晶體結構示意圖
目前，在鈣鈦礦家族中最當紅的鈣鈦礦太陽能電池（Perovskite Solar Cell，PSC）是日本科學家宮坂力等於2009年發明的，最初在A位採用甲胺離子（CH3NH3+），B位為鉛離子（Pb2+），X位為碘離子（I-）等鹵素離子。
當時，以這種鈣鈦礦結構化合物CH3NH3PbI3作為光吸收層的太陽能電池發電效率僅3.8%。但令人驚喜的是，幾年之後，鈣鈦礦電池的最高效率就突破了20%，直追晶矽電池。現在，鈣鈦礦電池效率的世界紀錄已高達25.7%。
圖2 鈣鈦礦電池薄膜結構示意圖
02 多才多藝的太陽能電池「新秀」
在各類太陽能電池中，單晶矽電池無疑是絕對主流，但其效率越來越接近理論上限值，而且成本下降乏力。於是，光伏行業開始把目光投向新興的鈣鈦礦電池。這位「新秀」可謂才華橫溢：
效率高，現已超過25%，而且還有繼續提升的潛力；
弱光性能好，在陰天和室內條件下比晶矽電池發電能力強；
對溫度變化不敏感，高溫下發電效率幾乎不下降；
厚度薄，僅幾百納米，大約是晶矽電池的三百分之一；
可彎曲，作為沉積在基材上的薄膜電池，若基底為柔性，則電池為柔性；
外觀獨特，鈣鈦礦電池本身是半透明的棕紅色，具有一定的透光能力，還可以通過調節電池中各層薄膜的化學成分和微觀結構等製成其它顏色；
成本低，原材料都是普通的化學品，便宜易得，而且用量少；
產業鏈短，從原料到組件在一條生產線上完成，所需生產設備少，生產線建設投資低，而且不易發生因產業鏈各環節產能失配造成的產量和價格波動風險。
這樣「天賦異稟」的鈣鈦礦電池不僅有望大幅降低光伏發電成本，還擅長很多特殊「才藝」。
首先，鈣鈦礦電池易於製成半透明、多種顏色和圖案、可彎曲、異形等個性化、定製化的光伏組件產品，適用於光伏建築一體化（BIPV）、「光伏+交通」、自供電消費品等各類應用場景。
圖3 鈣鈦礦電池通常是半透明的棕紅色
圖4 柔性鈣鈦礦光伏組件
由於鈣鈦礦光吸收層的帶隙可調，並且可以通過薄膜沉積、塗布等工藝製備，鈣鈦礦電池也很適合與晶矽電池、銅銦鎵硒電池等結合，製成疊層電池；當然，不同帶隙的鈣鈦礦電池也可以相互組合。寬帶隙的電池作為頂電池，吸收短波長的可見光，長波長的紅外光則穿過頂電池，被窄帶隙的底電池吸收，上下齊心，默契配合，更加電力十足。
圖5 鈣鈦礦疊層電池結構示意圖
另外，鈣鈦礦電池不僅能「在外工作」，還能「居家辦公」。因為弱光性能優異，鈣鈦礦電池可以在室內光照條件下發電。在光譜最適合鈣鈦礦電池吸收的LED燈光照射下，電池發電效率甚至高達40%。基於這種「超能力」，鈣鈦礦電池不僅能為遙控器、可攜式小風扇等生活用品供電，還可以用於電子射頻標籤（RFID），未來將有望在物聯網中大顯神通。
圖6
波蘭Saule Technologies公司將鈣鈦礦電池集成在電子標籤上
03 前途是光明的，道路是曲折的
「天賦異稟」的鈣鈦礦電池可謂身負鄉親們的殷切期待，但問世僅十餘年的它目前還很稚嫩，要想在光伏大業中獨當一面，還需苦練內功，突破三道難關。
第一關是「長個子」。由於大面積薄膜質量控制難度較高，鈣鈦礦組件面積越大，效率下降越多。目前實驗室里研發的高效率鈣鈦礦電池尺寸都很小，往往不到1平方厘米，製備方法也很難拓展應用於大規模產線。在中試線上生產的數十平方厘米的小組件效率大約是18%~20%，而平米級組件效率僅在16%左右，相比於面積超過2平方米、效率高達21%以上的晶矽組件，仍存在很大差距。
第二關是「穩心性」。鈣鈦礦電池在氧氣、水汽等的侵蝕下，容易發生降解。作為用於戶外的設備，這種不穩定性是致命的弱點。因此，需通過電池組分、封裝工藝等方面的優化，治好「風濕病」，顯著提高耐候性和使用壽命。
第三關是「鑄兵器」。不同於晶矽組件中數十片小電池片相互串並聯的構造，鈣鈦礦電池是直接沉積在整片玻璃上的，鍍膜面積需達到平米級，才能滿足實際應用需求，這對鍍膜設備的大面積均勻連續鍍膜能力提出了極高的要求。可以說，鍍膜設備的水平提升將直接決定鈣鈦礦光伏的發展進程。
鈣鈦礦電池作為光伏界最炙手可熱的「網紅」，天資卓越，但弱點也不少。發電效率、尺寸、穩定性、量產設備和工藝等方面的提升都非一日之功，要摒棄炒作心態，潛心修煉，才能在未來與晶矽電池比肩。
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編輯：劉梁皓月、邢雯
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