鈣鈦礦太陽能電池作為新興的第三代光伏技術，自2009年面世以來，短短十幾年內(nèi)光電轉換效率從3.8%提升到了25.7%。為促使我國在鈣鈦礦光伏產(chǎn)業(yè)化初期建立先發(fā)優(yōu)勢，需協(xié)調(diào)“政產(chǎn)學研用”多端發(fā)力，引入多種先進技術提升鈣鈦礦光伏量產(chǎn)水平，加快開展實證和示范應用，及時構建鈣鈦礦光伏標準體系，確保鈣鈦礦光伏技術產(chǎn)業(yè)化進程全面自主可持續(xù)。

鈣鈦礦光伏技術發(fā)展現(xiàn)狀

鈣鈦礦太陽能電池以鈣鈦礦結構鹵化物作為光吸收層材料，具有帶隙可調(diào)、吸光系數(shù)高、溫度系數(shù)低、輕薄柔性等特點，是當前最具大規(guī)模推廣應用前景的一類新型太陽能電池。經(jīng)過十余年研究，鈣鈦礦光伏的基本原理、材料配方、性能優(yōu)化路徑等方面已逐步成型。同時，晶硅光伏電池和組件的量產(chǎn)工藝及生產(chǎn)線設備的全面國產(chǎn)化為鈣鈦礦光伏技術產(chǎn)業(yè)化提供了先導性的借鑒。

（一）鈣鈦礦太陽能電池研究現(xiàn)狀

高效率是鈣鈦礦太陽能電池最引人注目的優(yōu)勢。鈣鈦礦電池的理論極限效率為33%，遠高于晶硅電池的29.4%。通過優(yōu)化電池的組分、微觀結　構、制備工藝等，實驗室中制備鈣鈦礦電池的效率屢創(chuàng)新高。2022年7月，中科院半導體所研發(fā)的鈣鈦礦電池獲得了25.6%的認證效率，僅次于韓國蔚山國立科學技術研究院（UNIST）于2021年創(chuàng)造的25.7%的世界最高效率紀錄。

鈣鈦礦電池的光譜響應范圍在300~800納米，即可見光波段，而晶硅電池、銅銦鎵硒（CIGS）電池等可以吸收利用紅外光。因此，將鈣鈦礦電池和晶硅、CIGS等電池組成疊層電池，能夠充分利用各波段的光照，獲得更高的光電轉換效率。而鈣鈦礦電池自身的吸收光波段范圍也可以通過調(diào)節(jié)帶隙作出改變。將寬帶隙和窄帶隙的鈣鈦礦電池組成疊層電池，光電轉換效率可以顯著提高。2022年6月，南京大學研發(fā)出效率為28.0%的鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層電池，刷新了世界紀錄。

適用于建筑物、便攜式設備、消費品等應用場景的柔性鈣鈦礦電池和室內(nèi)鈣鈦礦電池也是當前的研究熱點。清華大學研發(fā)的柔性鈣鈦礦電池最高效率為23.6%，刷新了世界紀錄；目前室內(nèi)鈣鈦礦電池的世界最高效率由陜西師范大學保持，在824.5勒克司的室內(nèi)燈光照射下，電池效率高達40.1%。

（二）鈣鈦礦光伏組件技術發(fā)展現(xiàn)狀

鈣鈦礦光伏組件屬于薄膜組件，是在玻璃上依次沉積鈣鈦礦電池的各層薄膜，并封裝制成的。電池中的空穴傳輸層、電子傳輸層、對電極等各層薄膜通常采用真空沉積法制備，而鈣鈦礦吸收層的制備工藝分為濕法和干法2種類型。典型的濕法工藝例如狹縫涂布法，設備構造較為簡單，易于將電池薄膜涂布面積從實驗室制備的毫米級拓寬到數(shù)十厘米，因而為目前大部分試驗產(chǎn)線所采用。但考慮到增大組件面積將對薄膜質量提出更高的要求，真空蒸鍍等干法工藝可能更適用于1米以上寬度大面積組件的量產(chǎn)產(chǎn)線。

由于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，數(shù)十平方厘米的小組件效率可達到20%以上，數(shù)百平方厘米的組件效率可達到18%，而0.1平方米以上的組件效率僅在16%左右。可見，適合于大規(guī)模應用的大尺寸鈣鈦礦組件效率仍待提高。

現(xiàn)已初步建成及在建的鈣鈦礦組件產(chǎn)線均為百兆瓦級及以下的試驗線，采用濕法涂布鈣鈦礦吸收層薄膜。基于與量產(chǎn)相近的產(chǎn)線條件，組件的材料配方、生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品規(guī)格設計等有望快速優(yōu)化。

鈣鈦礦/晶硅疊層組件與常規(guī)鈣鈦礦組件的主要區(qū)別在于，鈣鈦礦電池薄膜并非直接沉積在整面玻璃上，而是沉積在晶硅電池片上。一方面，較小的薄膜面積降低了對薄膜沉積設備的尺寸要求，與晶硅電池片產(chǎn)線的耦合也有助于降低生產(chǎn)成本；另一方面，鈣鈦礦電池需與晶硅電池進行帶隙匹配，電池設計難度較大。目前，實驗室中制備的20平方厘米鈣鈦礦/晶硅疊層組件最高效率為26.63%，但尚未有鈣鈦礦疊層組件中試線建成投產(chǎn)。此外，基于鈣鈦礦電池的輕薄、半透明等特點，也有研究機構和廠商正在研發(fā)柔性組件和彩色組件。這些特殊組件有望在可穿戴設備、建筑等場景獲得應用。

鈣鈦礦光伏產(chǎn)業(yè)化面臨的挑戰(zhàn)

（一）鈣鈦礦電池長期服役的穩(wěn)定性問題

鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性問題是實際應用中面臨的首要挑戰(zhàn)。在水汽、高溫、紫外線照射等外界條件刺激下，鈣鈦礦電池易發(fā)生降解，性能嚴重衰減。提高鈣鈦礦電池穩(wěn)定性的措施主要有2個層面，一是優(yōu)化電池本身的組分和微觀結構等，二是優(yōu)化鈣鈦礦光伏組件的封裝材料和封裝工藝。

（二）大面積鈣鈦礦組件的效率和品質問題

大面積鈣鈦礦組件的效率和質量偏低，主要原因在于大面積薄膜沉積設備和工藝水平受限。不同于晶硅組件將多個小面積電池片串并聯(lián)的模式，鈣鈦礦組件的鍍膜面積達到平方米級。目前，國產(chǎn)真空鍍膜設備的大面積均勻連續(xù)鍍膜性能與國際先進水平存在差距。此外，大面積鍍膜產(chǎn)線上的工藝調(diào)試難度也較高。

（三）光伏產(chǎn)線設備關鍵部件的短板問題

我國光伏行業(yè)經(jīng)過多年快速發(fā)展，已基本實現(xiàn)全生產(chǎn)線設備國產(chǎn)化，但設備的部分關鍵部件仍依賴進口。例如，真空鍍膜設備中的真空泵、射頻電源、閥門等，激光刻蝕設備中的激光器、振鏡等，技術指標和質量可靠性與國際主流廠商存在較大差距。雖然我國的光伏產(chǎn)線設備廠商較早涉足了鈣鈦礦組件生產(chǎn)設備開發(fā)，并已取得初步成果，使我國的鈣鈦礦組件小試、中試、量產(chǎn)線始終保持高度國產(chǎn)化，但關鍵部件的短板在鈣鈦礦組件產(chǎn)線中同樣存在，可能成為我國鈣鈦礦光伏產(chǎn)業(yè)鏈中的“卡脖子”環(huán)節(jié)。

推進鈣鈦礦光伏產(chǎn)業(yè)化的建議

（一）有效發(fā)揮政府引導作用

為助力鈣鈦礦光伏技術的產(chǎn)業(yè)化進程高效有序推進，應充分發(fā)揮國家能源主管部門和科技主管部門規(guī)范和引導作用，制定技術指標，出臺激勵政策；建立“政產(chǎn)學研用”協(xié)同機制，鼓勵各種技術路線、各類研發(fā)和市場主體廣泛參與鈣鈦礦光伏技術的產(chǎn)業(yè)化進程。地方各級政府應切實落實《“十四五”能源領域科技創(chuàng)新規(guī)劃》《科技支撐碳達峰碳中和實施方案（2022~2030年）》等國家政策要求，制定推進鈣鈦礦光伏產(chǎn)業(yè)化的具體方案和激勵政策，遵循科學、務實、嚴謹?shù)脑瓌t，促進適合本地區(qū)的鈣鈦礦光伏產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)健康發(fā)展。

（二）多專業(yè)領域協(xié)作形成合力

鈣鈦礦光伏技術的實驗室研發(fā)工作主要由材料學、化學、物理學等領域的學者主導，而進入產(chǎn)業(yè)化階段，涉及的技術領域更豐富，產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)更多，多專業(yè)領域協(xié)作的必要性凸顯，特別是有必要積極引入各專業(yè)領域的先進技術，以提升鈣鈦礦光伏產(chǎn)業(yè)化的效率和效果。

（三）加快推進鈣鈦礦光伏產(chǎn)品的實證試驗和示范應用

鈣鈦礦光伏組件的不穩(wěn)定性、有毒金屬泄漏等潛在風險將對其大規(guī)模推廣應用造成阻礙。因此，有必要盡快通過大量實證試驗和示范應用，摸清其實際服役性能和安全性，從而準確評估其應用風險，為推廣應用提供科學支撐。

（四）構建鈣鈦礦光伏技術標準體系，積極爭取掌握國際標準話語權

為確保鈣鈦礦光伏產(chǎn)品的生產(chǎn)和應用技術具備規(guī)范性、系統(tǒng)性、可推廣性及與現(xiàn)有光伏應用技術體系的兼容性，應在鈣鈦礦光伏產(chǎn)業(yè)化過程中同步建立標準體系。鈣鈦礦光伏標準體系的構建，應以現(xiàn)行光伏技術標準體系為基礎，面向應用需求，充分體現(xiàn)鈣鈦礦光伏產(chǎn)品生產(chǎn)和應用的特點，并考慮到鈣鈦礦光伏技術仍在不斷發(fā)展變化的實際情況，兼顧規(guī)范性和靈活性。

現(xiàn)行光伏國際標準體系的建立起源于20世紀80年代，我國的晶硅光伏行業(yè)作為后起之秀，是在既有的國際標準體系框架下發(fā)展起來的，在國際標準制定中的原創(chuàng)性貢獻較少，在國際標準組織中的參與度偏低，話語權較弱。而在鈣鈦礦光伏領域，我國與國際上研究水平相當，且產(chǎn)業(yè)化進度和規(guī)模略有優(yōu)勢，應抓住時機，積極支持我國鈣鈦礦光伏領域，特別是產(chǎn)業(yè)化一線的技術專家加入國際光伏標準組織，深度參與鈣鈦礦光伏標準制定工作，在國際標準體系中爭取更大的話語權，從而提升我國鈣鈦礦光伏產(chǎn)業(yè)的國際競爭力。

　　（作者：電力規(guī)劃設計總院侯孟婧 張彤楓 葛揚 楊璐）

作者： 來源：中國能源新聞網(wǎng) 責任編輯：jianping