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鈣鈦礦太陽能電池

鈣鈦礦是一種具有與礦物鈣鈦氧化物(最早發(fā)現(xiàn)的鈣鈦礦晶體)相同的晶體結(jié)構(gòu)的材料。通常，鈣鈦礦化合物具有化學(xué)式ABX 3，其中“ A”和“ B”代表陽離子，X是與兩者鍵合的陰離子，大量不同的元素可以結(jié)合在一起形成鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。

利用這種成分的靈活性，科學(xué)家可以設(shè)計(jì)鈣鈦礦晶體，使其具有多種物理，光學(xué)和電學(xué)特性。鈣鈦礦晶體如今在超聲波機(jī)器，存儲芯片以及現(xiàn)在的太陽能電池中都可以找到。

鈣鈦礦的清潔能源應(yīng)用

所有光伏太陽能電池都依靠半導(dǎo)體(位于玻璃等電絕緣體和諸如銅之類的金屬導(dǎo)體之間的中間地層中的材料)將光能轉(zhuǎn)化為電能。來自太陽的光激發(fā)半導(dǎo)體材料中的電子，電子流入導(dǎo)電電極并產(chǎn)生電流。

自19世紀(jì)50年代以來，硅一直是太陽能電池中使用的主要半導(dǎo)體材料，因?yàn)楣璧陌雽?dǎo)體特性與太陽光線的光譜非常吻合，并且相對豐富且穩(wěn)定。但是，常規(guī)太陽能電池板中使用的硅晶體需要昂貴的多步驟制造過程，耗費(fèi)大量能量。在尋找替代物時(shí)，科學(xué)家利用鈣鈦礦的可調(diào)性來制造具有與硅相似性質(zhì)的半導(dǎo)體。

鈣鈦礦型太陽能電池可以使用簡單的添加劑沉積技術(shù)(例如印刷)來制造，而成本和能耗卻很低。由于鈣鈦礦的成分靈活性，它們也可以進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)調(diào)整以理想地匹配太陽光譜。

2012年，研究人員首先發(fā)現(xiàn)了如何使用鹵化鈣鈦礦作為光吸收層來制作穩(wěn)定的薄膜鈣鈦礦太陽能電池，其光子至電子的光轉(zhuǎn)換效率超過10%。從那時(shí)起，鈣鈦礦型太陽能電池的太陽光-電能轉(zhuǎn)換效率猛增，實(shí)驗(yàn)室記錄為25.2%。研究人員還將鈣鈦礦光伏電池與常規(guī)晶硅電池結(jié)合在一起，這些“硅-鈣鈦礦”串聯(lián)電池的記錄效率目前為29.1%(超過常規(guī)硅電池的27%的記錄)，并且還在迅速上升。隨著電池效率的迅速提高，鈣鈦礦光伏電池和鈣鈦礦疊層串聯(lián)太陽能電池可能很快成為傳統(tǒng)晶硅光伏電池的廉價(jià)，高效替代品。

鈣鈦礦電池的最大挑戰(zhàn)

盡管鈣鈦礦電池(包括晶硅鈣鈦礦疊層電池)已被全球數(shù)十家公司商業(yè)化，但仍存在一些基礎(chǔ)科學(xué)和設(shè)計(jì)、制造領(lǐng)域的挑戰(zhàn)需要解決，改善其性能、可靠性和可制造性。

一方面是效率的繼續(xù)提升：鈣鈦礦研究人員通過表征鈣鈦礦中的缺陷，繼續(xù)提高轉(zhuǎn)化效率。盡管鈣鈦礦半導(dǎo)體具有很高的容錯(cuò)能力，但缺陷仍對性能產(chǎn)生負(fù)面影響，尤其是那些出現(xiàn)在有源層表面的缺陷。

美國科學(xué)家用鈣鈦礦涂層修飾硅太陽能電池，以更有效地收集高能藍(lán)光光子，從而繞開了常規(guī)硅電池33%轉(zhuǎn)換的理論極限?？茖W(xué)家開發(fā)出的鈣鈦礦量子點(diǎn)(比人的頭發(fā)小數(shù)千倍的微小粒子)，它們可以吸收高能光子，并發(fā)射出兩倍于低能光子，這一過程被稱為“量子切割”。太陽能電池吸收的每個(gè)光子都會產(chǎn)生一個(gè)電子，因此鈣鈦礦量子點(diǎn)涂層可以顯著提高轉(zhuǎn)換效率。

從2009到2019短短10年內(nèi)，鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)換效率已從最初的3.8%提高到了25.2%。

另一方面是穩(wěn)定性和壽命：穩(wěn)定性、耐久性是當(dāng)下鈣鈦礦電池商業(yè)化的最大障礙，全球幾乎所有的研究人員都正在探索新的鈣鈦礦化學(xué)配方，以針對特定應(yīng)用(如疊層串聯(lián)電池)調(diào)整其電子躍遷性能，或進(jìn)一步提高其穩(wěn)定性和壽命。

除了通過改善鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性來提高壽命，研究人員還在研究新的電池設(shè)計(jì)和新的封裝策略以保護(hù)鈣鈦礦免受環(huán)境因素影響。如鈣鈦礦電池對水汽尤為敏感，水汽是影響電池壽命的重要因素，科學(xué)家一直在尋找最合適的封裝材料來杜絕水汽的進(jìn)入

研究人員還努力了解鈣鈦礦電池的衰減機(jī)理，從而尋找加速老化方法來研究預(yù)測鈣鈦礦太陽能電池的壽命。

不久前，纖納光電宣布其20cm2的鈣鈦礦小組件通過3倍IEC61215測試。在濕熱實(shí)驗(yàn)測試中，組件老化時(shí)間由之前的1000小時(shí)提升至3000小時(shí)(高于IEC濕熱測試Damp heat test3倍時(shí)長)，組件轉(zhuǎn)化效率無衰減。與此同時(shí)，紫外預(yù)處理實(shí)驗(yàn)使用了100kWh的劑量(等同于IEC檢測標(biāo)準(zhǔn)的6.5倍以上)，組件效率衰減小于2%。而這些都是晶硅電池可用25年的理論依據(jù)。

第三方面，如何大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)鈣鈦礦電池。一些公司正在迅速探索各種制造工藝，包括如何使鈣鈦礦“油墨”適應(yīng)已建立的大規(guī)模溶液印刷方法。使用一種卷對卷打印機(jī)，可以在低溫下將鈣鈦礦墨水打印到柔性基材上。

第四方面是大面積的挑戰(zhàn)。近兩年來鈣鈦礦電池得到了行業(yè)巨大的關(guān)注，最大的吸睛點(diǎn)來自鈣鈦礦電池效率的不斷突破，目前已接近晶硅電池，超越晶硅電池的效率已經(jīng)指日可待。然而，鈣鈦礦效率的提升并沒有帶來商業(yè)化的投資，最大的問題就是鈣鈦礦電池的面積：屢破記錄的效率只能在幾平方厘米的電池面積上實(shí)現(xiàn)。

2020年美國能源部太陽能技術(shù)辦公室(DOE-SETO)2000萬美元推進(jìn)鈣鈦礦，其中支持的意向沉積技術(shù)，就是生產(chǎn)用于大面積太陽能電池和增強(qiáng)常規(guī)硅太陽能電池的鈣鈦礦材料薄膜。

最后，鈣鈦礦電池的環(huán)保問題。含鉛一直是部分環(huán)保人士針對鈣鈦礦電池的最大詬病，如今性能最佳的鈣鈦礦一般都是用少量的鉛制成的，盡管研究人員也在探索替代成分和新的封裝策略，以減輕與鉛毒性有關(guān)的擔(dān)憂。

對于鈣鈦礦含鉛or NOT對光伏電池的收益和風(fēng)險(xiǎn)，行業(yè)專家由不同的理解和看法。相對于晶硅電池中的含鉛焊帶，鈣鈦礦電池中的鉛幾乎可以忽略不計(jì)，協(xié)鑫納米的鈣鈦礦專家范斌就一直在用實(shí)證來說明鈣鈦礦電池中鉛的穩(wěn)定性。

鈣鈦礦電池的商業(yè)化

鈣鈦礦電池盡管一直沒有得到規(guī)?；膽?yīng)用，但其商業(yè)化的道路卻備受關(guān)注。牛津光伏與梅耶博格的頂級合作，協(xié)鑫納米100MW產(chǎn)線的落地，最新的分析認(rèn)為鈣鈦礦光伏產(chǎn)品將于2021年開售。

而今年7月31日，杭州纖納光電宣布，衢州纖納新能源科技有限公司5GW生產(chǎn)基地落成典禮暨鈣鈦礦生產(chǎn)線投產(chǎn)儀式舉行。

在轉(zhuǎn)化效率上，NREL新紀(jì)錄：鈣鈦礦疊層效率24.16%。

鈣鈦礦的研究成果正在從實(shí)驗(yàn)室快速步入規(guī)模化生產(chǎn)，商業(yè)化進(jìn)程不斷加快，投資者的關(guān)注也愈發(fā)強(qiáng)烈。從科技猜想到實(shí)驗(yàn)室、再到產(chǎn)線的過程無論是時(shí)間、還是空間都在縮短，成為光伏領(lǐng)域產(chǎn)、學(xué)、研最為濃縮，融入最為緊密的前沿領(lǐng)域。

作為最有想象力和生命力的下一代新型太陽能電池技術(shù)，第二屆全球鈣鈦礦與疊層電池產(chǎn)業(yè)化論壇即將于2020年10月召開，一場由科學(xué)家、研究院、生產(chǎn)商、投資商、設(shè)備商、實(shí)驗(yàn)室、地方產(chǎn)業(yè)園區(qū)、金融研究等全行業(yè)參與的盛會即將開幕。

推薦設(shè)備：鈣鈦礦激光刻蝕劃線機(jī)