鉆石會員
已認(rèn)證
什么是鈣鈦礦
鈣鈦礦（perovskite），這個有點拗口的名字取自俄羅斯礦物學(xué)家Perovski，作為光伏材料的鈣鈦礦，實際上和鈣、鈦、礦三個字都沒太大關(guān)系，這是一類與鈣鈦礦（CaTiO3）晶體結(jié)構(gòu)類似的“ABX3”化合物，被稱為繼第一代晶硅、第二代薄膜之后的第三代光伏電池技術(shù)路線。
相較于當(dāng)下主流的晶硅電池，鈣鈦礦具有更高理論效率、更低可期成本的優(yōu)勢，因此對于光伏行業(yè)來說，是一種具有革命性的新材料。
圖片來源于：Hybrid Perovskites，中泰證券
鈣鈦礦電池主要分為單結(jié)和疊層結(jié)構(gòu)，單結(jié)層鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)是類似“三明治”層狀的5層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，理論上光電轉(zhuǎn)換效率可以到達33%，也是我國研究鈣鈦礦企業(yè)的首選。目前鈣鈦礦最高單結(jié)效率已達到25.7%，由韓國蔚山國家科學(xué)技術(shù)研究所（UNIST）實現(xiàn)。
疊層結(jié)構(gòu)理論效率上限高，全鈣鈦礦雙結(jié)疊層轉(zhuǎn)換效率可達45%、三結(jié)疊層轉(zhuǎn)換效率可達50%。目前，鈣鈦礦/晶硅兩結(jié)疊層電池效率已經(jīng)達到32.5%，由德國HZB研究中心2022年12月最新認(rèn)證。
鈣鈦礦成為太陽能電池代表
鈣鈦礦為第三代太陽能電池代表：過去在60多年的時間里，已經(jīng)有三代太陽能電池發(fā)展出來。
第一代，以硅材料為基本材料的太陽能電池，是目前最成熟的主流商業(yè)電池；
第二代，薄膜太陽能電池，以銅銦鎵硒(CIGS)、碲化鎘(CdTe)電池為代表，相比第一代具有厚度薄、光電轉(zhuǎn)化效率高等的優(yōu)勢，但部分因素也限制了這類電池的發(fā)展，如部分材料儲量稀少或有毒性，制備過程復(fù)雜等；
第三代，為新型太陽能電池，主要包括鈣鈦礦太陽能電池、染料敏化太陽能電池、有機太陽能電池和量子點太陽能電池。
諸多優(yōu)異特性，從誕生起備受關(guān)注，成為產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界熱點：鈣鈦礦電池在2009年才首次誕生，但因其在理論轉(zhuǎn)換效率、發(fā)電能力、低生產(chǎn)成本、多應(yīng)用場景等方面的優(yōu)秀潛力，在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界受到了大量的關(guān)注和重視。從2021年到2022年，鈣鈦礦領(lǐng)域投資額已經(jīng)接近100億元。
鈣鈦礦的主要優(yōu)勢
1、能量轉(zhuǎn)換效率高
在過去相當(dāng)長一段時間里，晶硅光伏電池都是成本和效率極佳的統(tǒng)一體。相伴而生的，是天然礦物轉(zhuǎn)化太陽能效率的局限性。29.43%的理論極限值，成為晶硅材料“一眼到頭”的屏障。
與之形成鮮明對比，鈣鈦礦則走出了“最陡峭的成長曲線”。2009年，日本科學(xué)家首次用鈣鈦礦光伏電池發(fā)電，當(dāng)時其電能轉(zhuǎn)換效率僅有3.8%。僅僅過去13年，今天鈣鈦礦電池的實驗室效率就已基本追平了晶硅60多年發(fā)展才達到的結(jié)果，達到了25.7%。
最佳實驗室電池效率
根據(jù)美國可再生能源國家實驗室（NREL）2023年7月10日公布的最新數(shù)據(jù)，單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池的認(rèn)證效率提升到了26.1%，該成果是由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的徐集賢教授團隊在2023年5月份完成的。這一進展是繼2023年3月中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所取得的26.0%新紀(jì)錄的基礎(chǔ)上的再次突破，標(biāo)志著中國科研團隊在單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池研究領(lǐng)域繼續(xù)保持領(lǐng)先優(yōu)勢。
2、成本低，制備工藝短
鈣鈦礦電池原材料均為基礎(chǔ)化工材料，相比于晶硅電池的硅料來說廉價易得。除原材料不受限制外，鈣鈦礦電池制備工藝較短。
此外，鈣鈦礦材料對雜質(zhì)敏感度低，對原材料純度要求也低于晶硅，且可以在低溫狀態(tài)下制備。相比于晶硅1000度左右的高溫流程，鈣鈦礦生產(chǎn)工藝溫度不超150度，節(jié)省資源的同時，還可降低能耗。
3、應(yīng)用前景廣闊
由于鈣鈦礦材料特殊的結(jié)構(gòu)，在電站端，鈣鈦礦電池憑借弱光性以及顏色可定制的特點，滿足了長時間發(fā)電、透光度以及美觀性等市場需求。他們可以包含任意數(shù)量的元素，用在太陽能電池當(dāng)中的一般是鉛和錫。相比晶體硅，在BIPV和幕墻、陽光房等領(lǐng)域也擁有廣闊的市場空間。
鈣鈦礦發(fā)展前景
鈣鈦礦材料自涉足太陽能電池領(lǐng)域之初，便將目光牢牢鎖定晶硅轉(zhuǎn)化效率的“天花板”，開啟一場“效率革命”。
鈣鈦礦材料在太陽能電池方面的應(yīng)用，不僅轉(zhuǎn)換效率有明顯的優(yōu)勢，在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，進一步完善理論研究、降低成本、提高轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性、優(yōu)化實驗方案及電池結(jié)構(gòu)、推進其工業(yè)化，是其必然的發(fā)展趨勢。
此外，發(fā)展適合工業(yè)化生產(chǎn)的電池制備工藝也是十分必要的。優(yōu)異的性能和低廉的成本必能使鈣鈦礦太陽能電池成為硅電池的有力競爭者，在未來能源結(jié)構(gòu)中占有重要的地位。
