前沿看臺(tái)：第三代光伏材料鈣鈦礦漸行漸近

技術(shù)創(chuàng)新是任何產(chǎn)業(yè)發(fā)展的原生動(dòng)力，光伏也不例外。在光伏電價(jià)接近平價(jià)上網(wǎng)之際，行業(yè)在新技術(shù)路線的競爭呈加速狀態(tài)。2017年下半年，輕薄、價(jià)低的鈣鈦礦太陽能電池異軍突起，其商業(yè)價(jià)值日益受到廣泛關(guān)注，為行業(yè)發(fā)展提供了新的方向。

“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(jià)值?！眳f(xié)鑫中央研究院副總工程師范斌在接受記者采訪時(shí)表示。那么，作為最具前景的光伏技術(shù)路線，我國鈣鈦礦技術(shù)現(xiàn)狀如何？距離業(yè)內(nèi)期盼的產(chǎn)業(yè)化之路到底還有多遠(yuǎn)？

未來新材料——成本更低

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(jià)、柔韌性、重量輕等特點(diǎn)。和硅材料相同，鈣鈦礦屬于半導(dǎo)體，但具有更為優(yōu)異的吸光性，其特質(zhì)被光伏行業(yè)“降本增效”寄于厚望。

“和傳統(tǒng)光伏材料相比，原材料成本有大幅下降，合成成本僅為傳統(tǒng)電池的1／20?！焙贾堇w納光電科技有限公司（下稱“纖納光電”）創(chuàng)始人之一、執(zhí)行董事長兼總經(jīng)理姚冀眾介紹。

以鈣鈦礦為原料制造的太陽能電池可以將大約1／4的太陽光直接轉(zhuǎn)化為電力。對(duì)于等量的電力需求來說，所需原料也遠(yuǎn)少于其他材料，安裝成本更低。

研究表明，鈣鈦礦電池對(duì)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)生相同的能量輸出，相應(yīng)減少了所需材料數(shù)量；且產(chǎn)生的電壓更高，還能增加能量產(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％；而后其轉(zhuǎn)化率雖略有提升，但微乎甚微。在早期較快速發(fā)展的20年間，其轉(zhuǎn)化率也僅提高了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，其效率提升速度碾壓傳統(tǒng)硅、碲化鎘和銅銦鎵硒等第一第二代光伏材料成為新原料黑馬，被姚冀眾稱為“第三代光伏材料”；范斌也用“尼龍”這種物美價(jià)廉的人造材料比喻鈣鈦礦，他認(rèn)為如同尼龍取代棉一樣，鈣鈦礦終究會(huì)登上廣闊的舞臺(tái)。

“目前光伏發(fā)電成本已有大幅度下降，但相對(duì)于傳統(tǒng)能源，其成本依舊較高。因此成本仍然是限制其大規(guī)模使用的主因?！币奖娬f，“鈣鈦礦這種新型廉價(jià)人工材料不僅節(jié)約了原材料成本，在工藝方面我們也做了創(chuàng)新，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(jià)?！?/p>

可以看出，降低成本仍然是光伏產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的重要標(biāo)志，為盡快達(dá)成“低成本”、“平價(jià)化”的業(yè)內(nèi)共同目標(biāo)，鈣鈦礦技術(shù)無疑為此提供了一條新路徑。在可預(yù)見的未來內(nèi)，鈣鈦礦技術(shù)上升空間廣闊。

有研究表明，將鈣鈦礦稍作人工改變就能有效地將不同波長的太陽光轉(zhuǎn)化為電力，可借此制造帶有不同層的太陽能電池，每層可吸收不同波長的太陽光，進(jìn)一步提升能效。

纖納光電另一創(chuàng)始人顏步一表示“鈣鈦礦的核心競爭力十分明顯，材料成本低、生產(chǎn)過程環(huán)保低能耗、轉(zhuǎn)換效率可與現(xiàn)有成熟技術(shù)大致持平，應(yīng)用場景廣泛。而且其制造成本、制備過程和轉(zhuǎn)化效率上都有著較為明顯的創(chuàng)新優(yōu)勢。所以，從光伏行業(yè)產(chǎn)業(yè)化角度來看，其潛力不可小覷?！?/p>

材料短板已獲突破

與硅基電池相比，鈣鈦礦電池仍是新人，從實(shí)驗(yàn)室走到臺(tái)前尚不足半年。目前，業(yè)內(nèi)現(xiàn)在對(duì)于鈣鈦礦的質(zhì)疑聲音頗多。“有毒”、“怕紫外線”、“怕水”、“壽命短”常伴鈣鈦礦成為搜索熱詞。

范斌認(rèn)為這些說法并不科學(xué)。他說“這主要是指鈣鈦礦含鉛，但鈣鈦礦組件的含鉛量比普通電子電氣設(shè)備低得多，甚至比現(xiàn)在使用含鉛焊料的常規(guī)組件的含鉛量更低。”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，鉛含量不能超過0．1％，因此，有毒之說言過其實(shí)，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?！叭绻麖陌l(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?！鳖伈揭徽f。

即便如此，現(xiàn)仍有如南京工業(yè)大學(xué)等院校仍致力于研發(fā)無鉛鈣鈦礦電池在光伏上的應(yīng)用?！坝捎跓o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(duì)其的關(guān)注更多還是集中在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域?！鳖伈揭蝗缡钦f。

而針對(duì)其他質(zhì)疑，姚冀眾表示，這些質(zhì)疑可以被歸納為是對(duì)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

相關(guān)材料顯示，鈦礦技術(shù)產(chǎn)業(yè)化起步始于2014年，但近兩年鈣鈦礦技術(shù)發(fā)展頻傳捷報(bào)，2017年還被路透社列為2017諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的熱門提名，全球眾多擁有半導(dǎo)體材料研究背景的機(jī)構(gòu)，都在爭相進(jìn)入其產(chǎn)業(yè)化的研究中。

產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中一個(gè)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。

但在壽命方面，鈣鈦礦的表現(xiàn)也是一個(gè)未知數(shù)；且硅基太陽能電池設(shè)置了一個(gè)難以逾越的標(biāo)桿，這對(duì)任何要想替代傳統(tǒng)硅基太陽能電池的新型太陽能電池都是極大的考驗(yàn)。

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)獲得了長足的發(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?！狈侗蟊硎荆鶕?jù)研究結(jié)果，在采用新的電極材料之后，壽命問題也已經(jīng)獲得解決。

雖然全球許多企業(yè)在為鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)業(yè)化做著努力，但目前國內(nèi)對(duì)鈣鈦礦技術(shù)到底是作為技術(shù)儲(chǔ)備還是產(chǎn)業(yè)化推廣頗有爭議。“鈣鈦礦技術(shù)發(fā)展到今天已經(jīng)不是簡單的技術(shù)儲(chǔ)備了，自技術(shù)興起以來，得到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界極大的關(guān)注和投入。短短幾年轉(zhuǎn)換效率及穩(wěn)定性都有很大提高，已經(jīng)具備了產(chǎn)業(yè)化條件。”姚冀眾認(rèn)為，“就纖納光電來說，目前正在為接下來的量產(chǎn)做最后準(zhǔn)備。國家產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略、自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)以及公司自身的研發(fā)創(chuàng)新續(xù)航力都給了我們很大信心?！?/p>

顏步一還著重肯定了鈣鈦礦的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值，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。顏步一說“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(huì)的能源革命，實(shí)現(xiàn)發(fā)電集成對(duì)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?！?/p>

來源中國能源報(bào)

記者董梓童