具有通用性及重要現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價值的鈣鈦礦技術(shù)

隨著社會的進(jìn)步，科技的發(fā)展，人們對能源的需求越來越大，而現(xiàn)有的能源有限，需要人們不斷發(fā)展新能源，而光能就是一個不錯的選擇，人們開始大力發(fā)展太陽能發(fā)電。“鈣鈦礦技術(shù)是更新?lián)Q代的技術(shù)，具有通用性及重要現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價值。”協(xié)鑫中央研究院副總工程師范斌在接受記者采訪時表示。 技術(shù)創(chuàng)新是每個產(chǎn)業(yè)發(fā)展的原生動力，光伏也不例外，越接近平價，行業(yè)在新技術(shù)路線上的競爭越呈現(xiàn)加速狀態(tài)。

2017年下半年，輕薄、低價的鈣鈦礦太陽能電池異軍突起，其商業(yè)價值日益受到廣泛關(guān)注，為行業(yè)發(fā)展提供了新的方向。作為全球公認(rèn)最具前景的光伏技術(shù)路線，我國鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)業(yè)化之路還有多遠(yuǎn)?

成本更低的新材料

和硅材料相同，鈣鈦礦屬于半導(dǎo)體。鈣鈦礦太陽能電池是一種由人工合成的新型薄膜太陽能電池，具有廉價、柔韌性強(qiáng)、重量輕、吸光性更為優(yōu)異等特質(zhì)，歷來被追求“降本增效”的光伏行業(yè)寄于厚望。

“和傳統(tǒng)光伏材料相比，鈣鈦礦太陽能電池原材料成本大幅下降，合成成本僅為傳統(tǒng)電池的1/20。”杭州纖納光電科技有限公司(下稱“纖納光電”)創(chuàng)始人之一、CEO姚冀眾介紹。

姚冀眾介紹，鈣鈦礦太陽能電池可將1/4的太陽光直接轉(zhuǎn)化為電力，意味著等量的電力所需原料更少，安裝成本也更低。

相關(guān)研究也表明，鈣鈦礦電池對光的吸收能力是傳統(tǒng)太陽能電池材料的100倍，因此，鈣鈦礦電池只需使用1/100的厚度，即可產(chǎn)出相同的能量，大幅減少原材料的使用，同時其產(chǎn)生的電壓更高，也能增加能量的產(chǎn)出。

從轉(zhuǎn)化率方面來看，鈣鈦礦也具有明顯優(yōu)勢。以目前備受矚目的多晶硅為例，1985年，多晶硅太陽能電池的實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)化率為15%左右，在2004年達(dá)到20.4%;其后，轉(zhuǎn)化率雖略有提升但效果甚微，在早期較快速發(fā)展的20年間僅提高了5%。

反觀鈣鈦礦太陽能電池，其技術(shù)在學(xué)術(shù)界研究始于2009年，目前實(shí)驗(yàn)室小面積器件(面積大小在幾平方毫米)效率在22%-23%以上，其效率提升速度超越傳統(tǒng)硅、碲化鎘和銅銦鎵硒等第一代、第二代光伏材料，成為新原料黑馬，被行業(yè)稱為“第三代光伏材料”;范斌也用“尼龍”這種物美價廉的人造材料比喻鈣鈦礦，他認(rèn)為，如同尼龍取代棉一樣，鈣鈦礦將擁有更為廣闊的應(yīng)用空間。

降本是光伏產(chǎn)業(yè)追求的終極目標(biāo)，鈣鈦礦技術(shù)無疑為此提供了一條新路徑。“當(dāng)前光伏發(fā)電成本雖然大幅下降，但相對傳統(tǒng)能源，成本依舊較高，這也是限制其大規(guī)模應(yīng)用的主要因素。”姚冀眾說，“鈣鈦礦作為新型廉價人工材料，不僅節(jié)約了原材料成本，在工藝方面國內(nèi)企業(yè)也做了很多創(chuàng)新。以纖納光電為例，采用了由傳統(tǒng)高溫鍛造結(jié)晶工藝轉(zhuǎn)變?yōu)槿芤捍蛴〉姆椒?，進(jìn)一步使成本縮減。未來，其發(fā)電成本甚至可以低于傳統(tǒng)煤電電價。”

材料短板獲突破

與硅基電池相比，鈣鈦礦太陽能電池仍是一顆“新星”，從實(shí)驗(yàn)室走到臺前尚不足半年，業(yè)內(nèi)對鈣鈦礦的質(zhì)疑聲也頗多。“有毒”、“怕紫外線”、“怕水”、“壽命短”等常伴鈣鈦礦成為熱搜詞。

范斌認(rèn)為這些說法缺乏科學(xué)依據(jù)。

他說：“質(zhì)疑聲主要針對鈣鈦礦含鉛這一事實(shí)，但實(shí)際上，鈣鈦礦組件的含鉛量遠(yuǎn)比普通電子電氣設(shè)備低得多，甚至比現(xiàn)在使用含鉛焊料的常規(guī)組件含鉛量更低。”

他進(jìn)一步解釋道，在鈣鈦礦電池里，鈣鈦礦層非常薄，只有0.5微米左右，組件含鉛量僅為0.006%。根據(jù)歐盟RoHS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不能超過0.1%，鈣鈦礦太陽能電池有毒之說言過其實(shí)，鈣鈦礦不僅完全符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)，甚至比該標(biāo)準(zhǔn)含量還低。

“如果從發(fā)電量角度考慮，利用鈣鈦礦電池每發(fā)一度電所涉及的鉛元素含量，比現(xiàn)有火力發(fā)電制造廢料里的鉛含量還低。”纖納光電另一創(chuàng)始人顏步一表示。

據(jù)記者了解，國內(nèi)部分院校也在研發(fā)無鉛鈣鈦礦電池。顏步一認(rèn)為：“由于無鉛鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性與含鉛鈣鈦礦電池還有差距，因此現(xiàn)階段對其的關(guān)注更多還是集中在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域。”

針對其他質(zhì)疑，姚冀眾也表示，這些質(zhì)疑可以被歸納為是對鈣鈦礦穩(wěn)定性和工藝良率的疑問，都源自鈣鈦礦研發(fā)開始之初學(xué)術(shù)界遇到的普遍問題，但實(shí)際上，國內(nèi)鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化的機(jī)構(gòu)已經(jīng)擁有了完整的解決方案，技術(shù)均已獲得突破。

初備產(chǎn)業(yè)化條件

鈣鈦礦技術(shù)產(chǎn)業(yè)化起步始于2014年，近兩年屢獲突破。2017年被列為“2017諾貝爾化學(xué)獎”熱門提名，可以說，全球眾多擁有半導(dǎo)體材料研究機(jī)構(gòu)，都在爭相進(jìn)入其產(chǎn)業(yè)化的研究中。

而產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中一個最重要的指標(biāo)是鈣鈦礦組件的轉(zhuǎn)換效率。據(jù)了解，實(shí)驗(yàn)室研究數(shù)據(jù)，自2015年起，經(jīng)過權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證，鈣鈦礦小組件(面積大于10平方厘米，小于100平方厘米)的最高轉(zhuǎn)換效率提高了5.3%，發(fā)展較快。

姚冀眾坦言，現(xiàn)在并沒有為鈣鈦礦太陽能電池量身定制的老化測試。目前，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界普遍參考晶硅電池的IEC61215認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行穩(wěn)定性測試。雖然鈣鈦礦的穩(wěn)定性已經(jīng)獲得了長足發(fā)展，但是使用壽命還需要有第一批商業(yè)化的組件實(shí)測才能獲得。

據(jù)范斌介紹，在采用新的電極材料之后，壽命問題也已經(jīng)獲得解決。

全球均在致力于鈣鈦礦太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化，但國內(nèi)對鈣鈦礦太陽能技術(shù)尚存疑慮。到底是作為技術(shù)儲備，還是產(chǎn)業(yè)化推廣仍頗具爭議。

“鈣鈦礦技術(shù)發(fā)展到今天，已不是簡單的技術(shù)儲備了。短短幾年轉(zhuǎn)換效率及穩(wěn)定性都有很大提高，初步具備了產(chǎn)業(yè)化條件。”姚冀眾認(rèn)為，“就纖納光電來說，目前正在為量產(chǎn)做最后的準(zhǔn)備。國家產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略、自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)以及公司自身研發(fā)創(chuàng)新續(xù)航力都給了我們產(chǎn)業(yè)化得極大信心。”

顏步一認(rèn)為發(fā)展鈣鈦礦有利于中國技術(shù)引領(lǐng)世界的科技自信、節(jié)能環(huán)保及扶貧等。“由于鈣鈦礦太陽能電池柔性、透明和彩色的特性，依靠分布式光伏和可穿戴的發(fā)電設(shè)備，太陽能可以更好的服務(wù)于人們?nèi)粘９ぷ骷吧?其產(chǎn)品將有望引領(lǐng)未來社會的能源革命，實(shí)現(xiàn)發(fā)電集成對用電需求的全方位覆蓋，為智慧城市、綠色建筑、多能互補(bǔ)建設(shè)提供靈活多樣的新光伏智能解決方案。”顏步一說。相信再過幾年到幾十年，當(dāng)人類利用太陽能的技術(shù)很成熟的時候，這樣就有了無窮盡的能源供給社會的使用，再當(dāng)下就需要研究者更加努力研究新技術(shù)。