鈣鈦礦成為目前最為先進(jìn)的一種光伏材料

隨著社會(huì)的進(jìn)步，科技的發(fā)展，人們對(duì)能源的需求越來(lái)越大，而現(xiàn)有的能源有限，需要人們不斷發(fā)展新能源，而光能就是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，人們開(kāi)始大力發(fā)展太陽(yáng)能發(fā)電。光伏材料又稱(chēng)太陽(yáng)能電池材料，是指能將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換成電能的材料。晶硅作為最主要的傳統(tǒng)光伏材料，其市場(chǎng)占有率達(dá)90% 以上。

1976 年出現(xiàn)新型薄膜太陽(yáng)能電池，涉及材料包括硫化鎘、砷化鎵、銅銦硒等，光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)18%。然而，自2009 年以來(lái)，有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池因其簡(jiǎn)易的制備方式和優(yōu)異的光電性能備受關(guān)注，光電轉(zhuǎn)換效率在短短幾年內(nèi)就由3.8% 上升至22.1%，顯示出極大的應(yīng)用潛力。因此鈣鈦礦成為目前最為先進(jìn)的一種光伏材料。

鈣鈦礦簡(jiǎn)介

與傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池不同，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池采用有機(jī)金屬鹵化物作吸光材料，這也是鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的核心材料，代替了染料敏化太陽(yáng)能電池中的染料分子和有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池中的吸光層。目前在高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中，最常見(jiàn)的鈣鈦礦材料為碘化鉛甲胺(CH3NH3PbI3)，其帶隙約為1.5 eV。因此，從廣義上講，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池使用了具有鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的有機(jī)金屬鹵化物的一種太陽(yáng)能電池技術(shù)。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池優(yōu)缺點(diǎn)簡(jiǎn)析

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的原材料儲(chǔ)量豐富，制備工藝簡(jiǎn)單，有利于商業(yè)化生產(chǎn)。其中，鈣鈦礦層具有低的結(jié)晶能，可以通過(guò)低溫液相法或氣相沉積法得到缺陷密度低的高質(zhì)量納米晶薄膜。此外，可以通過(guò)改變材料的組分來(lái)調(diào)節(jié)帶隙寬度，從而滿足不同的使用場(chǎng)景。因此，與現(xiàn)有的成熟晶硅太陽(yáng)能電池技術(shù)相比極具優(yōu)勢(shì)，也為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的商業(yè)化應(yīng)用帶來(lái)了樂(lè)觀的前景。

當(dāng)然，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池也有自身的缺點(diǎn)。這種有機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，對(duì)濕度、紫外光和溫度等環(huán)境因素敏感。在室外環(huán)境中老化數(shù)日就顯著分解，未封裝的器件性能也隨之衰減;目前轉(zhuǎn)換效率較高的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的尺寸均為實(shí)驗(yàn)室級(jí)別，隨著電池尺寸的增加，其光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)隨之下降;鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中一般都含有鉛元素，對(duì)人體和環(huán)境都有極大的危害。

受限于該材料自身的缺點(diǎn)以及大面積器件光電轉(zhuǎn)換效率較低等因素的制約，目前鈣鈦礦太陽(yáng)能電池仍以實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)完善為主，少有幾個(gè)國(guó)內(nèi)外的公司正在嘗試鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用。

相關(guān)產(chǎn)業(yè)分析

成熟的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)的發(fā)展可以替代現(xiàn)有的晶硅太陽(yáng)能電池，而其特有的柔性更拓寬了電池的應(yīng)用領(lǐng)域。以簡(jiǎn)單的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池發(fā)電薄膜為例，可以廣泛地用于手機(jī)、電腦、野外設(shè)備中作為移動(dòng)補(bǔ)充電源，代替目前的太陽(yáng)貼膜用于汽車(chē)中作為移動(dòng)發(fā)電電源，以及代替建筑用玻璃貼膜作為建筑光伏使用。

以汽車(chē)用太陽(yáng)貼膜為例，中國(guó)現(xiàn)有各類(lèi)機(jī)動(dòng)車(chē)2 億多輛，其中家庭用小汽車(chē)約1.07 億輛，到2020 年會(huì)增加到約1.5 億輛，每輛車(chē)需用的太陽(yáng)貼膜面積約3 平方米，因而其市場(chǎng)規(guī)?？蛇_(dá)900 億元人民幣。到2020 年中國(guó)建筑面積會(huì)接近900 億平方米，若其中窗戶(hù)面積的20% 貼上太陽(yáng)能薄膜進(jìn)行發(fā)電，則市場(chǎng)規(guī)模在200 億元人民幣。

如果以平均年日照時(shí)間2000 小時(shí)計(jì)，僅用于建筑玻璃上的太陽(yáng)能電池薄膜每年就能發(fā)電7200 億度(太陽(yáng)能電池薄膜的效率按10% 計(jì)算)，相當(dāng)于每年節(jié)約電費(fèi)約4300 億元，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤近3 億噸，減少碳排放量7.2 億噸。下表列出了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的產(chǎn)業(yè)鏈。

國(guó)外研究進(jìn)展

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池作為新型光伏器件，近年來(lái)受到了國(guó)際上的廣泛關(guān)注，掀起了科學(xué)家們的研究熱潮。分析國(guó)外研究機(jī)構(gòu)和大型生產(chǎn)企業(yè)的動(dòng)態(tài)可見(jiàn)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的商業(yè)化生產(chǎn)已成為不可阻擋的趨勢(shì)。隨著技術(shù)日益成熟和工藝日趨完善，商業(yè)化生產(chǎn)和技術(shù)的不斷革新交替進(jìn)行是國(guó)外對(duì)于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池市場(chǎng)推進(jìn)的主流方式。

國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

近年來(lái)，我國(guó)在鈣鈦礦領(lǐng)域的研究也緊跟國(guó)際趨勢(shì)，涌現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)的高校實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)和少量致力于將鈣鈦礦太陽(yáng)能電池商業(yè)化應(yīng)用的科技型公司。在該領(lǐng)域的進(jìn)展表明，無(wú)論是科研院校還是高新技術(shù)企業(yè)，都將鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能的提升作為研究熱點(diǎn)，并沒(méi)有明確該材料的商業(yè)開(kāi)發(fā)方向，使得我國(guó)目前的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池依然停留在科研領(lǐng)域。

現(xiàn)狀分析

目前，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池仍以科學(xué)研究為主，國(guó)內(nèi)的研究與產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)幾乎與國(guó)外同步展開(kāi)，并取得了顯著進(jìn)步。國(guó)內(nèi)很多團(tuán)隊(duì)的研究水平達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，太陽(yáng)能電池的效率超過(guò)20%。甚至某些研究方向居于國(guó)際領(lǐng)先，比如，具有更好熱穩(wěn)定性的全無(wú)機(jī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，國(guó)內(nèi)多個(gè)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換效率12% 以上。

然而，對(duì)比國(guó)內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)，我們可以看到有明顯的不同。國(guó)外的研究團(tuán)隊(duì)注重于生產(chǎn)工藝的改進(jìn)、新型原材料的開(kāi)發(fā)，為了早日實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的商業(yè)化生產(chǎn)，學(xué)者和企業(yè)大多致力于優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品一致性;開(kāi)發(fā)新型空穴傳輸材料，降低成本;研究先進(jìn)的硅基疊層太陽(yáng)能電池技術(shù)，生產(chǎn)高效的串聯(lián)太陽(yáng)能電池;在提高轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)，延長(zhǎng)鈣鈦礦電池的使用壽命;同時(shí)，國(guó)外相關(guān)企業(yè)的研究也更注重于實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的工業(yè)生產(chǎn)，甚至不惜小幅度地犧牲轉(zhuǎn)換效率以提升電池的綜合性能。

相對(duì)而言，我國(guó)對(duì)于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研究主要集中于電池轉(zhuǎn)換效率的提升和電池組件有效面積的擴(kuò)大，而對(duì)于電池商業(yè)化生產(chǎn)急需解決的成本、工藝、壽命等問(wèn)題關(guān)注較少，這也是我國(guó)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)較少發(fā)展較慢的主要原因。相信再過(guò)幾年到幾十年，當(dāng)人類(lèi)利用太陽(yáng)能的技術(shù)很成熟的時(shí)候，這樣就有了無(wú)窮盡的能源供給社會(huì)的使用，再當(dāng)下就需要研究者更加努力研究新技術(shù)。