鈣鈦礦十年：光伏行業(yè)的最大烏龍事件回溯

“我非常建議那位作者能夠仔細看下文章”范斌，協(xié)鑫納米總經(jīng)理忍不住吐槽，“那篇文章實際上是說經(jīng)過12000小時的連續(xù)AM1．5光照測試，鈣鈦礦組件的效率不但沒有下降，反而還上升了將近20％。”而根據(jù)晶硅組件的IEC 61215曝露測試標(biāo)準(zhǔn)，只要積累光照功率達到60kW（相當(dāng)于AM1．5光照條件下累積照射60小時），晶硅組件的衰減不超過5％就算合格。也就是說這篇論文本來證明的是鈣鈦礦的光照穩(wěn)定性顯著優(yōu)于晶硅，卻被國內(nèi)的翻譯者錯誤地解讀成了鈣鈦礦組件只能工作一萬多個小時。

兩年來，業(yè)內(nèi)常常引用這篇文章來抨擊他所從事的事業(yè)，也有專家認為鈣鈦礦屬于有機物，從原理上就無法像晶硅電池那樣穩(wěn)定。

可以說，這是近年來光伏業(yè)界鬧的最大烏龍。

12000小時，按實際有效小時數(shù)計算，相當(dāng)于上海江蘇8年的使用時間。組件效率上升了20％，也就是說如果用鈣鈦礦組件建一座5kW的電站，8年后，這座電站變成了6kW。

根據(jù)協(xié)鑫納米的鈣鈦礦組件在戶外連續(xù)工作三個半月的結(jié)果顯示，組件效率不降反升。而晶硅組件通常每個月會衰減0．1％左右。從目前的數(shù)據(jù)看，鈣鈦礦組件的工作壽命優(yōu)于晶硅組件。

鈣鈦礦材料是一類有著與鈦酸鈣（CaTiO3）相同晶體結(jié)構(gòu)的材料，是 Gustav Rose 在 1839年發(fā)現(xiàn)，后來由俄羅斯礦物學(xué)家L．A．Perovski命名。鈣鈦礦材料結(jié)構(gòu)式一般為ABX3，其中A和B是兩種陽離子，X是陰離子。這種奇特的晶體結(jié)構(gòu)讓它具備了很多獨特的理化性質(zhì)，比如吸光性、電催化性等等，在化學(xué)、物理領(lǐng)域有不小的應(yīng)用。2009年，Tsutomu Miyasaka首次選用有機－無機雜化的鈣鈦礦材料CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3取代傳統(tǒng)DSSCs中的染料作為新型光敏化劑，制備出首個真正意義的鈣鈦礦太陽能電池，從此拉開了鈣鈦礦吸光材料的序幕。

通過調(diào)節(jié)比例，鈣鈦礦系列幾乎可以得到近乎無限的配方，擁有各種不同的特性，所以鈣鈦礦的研發(fā)重點在于材料科學(xué)。而材料學(xué)科的特性也注定了這是一門研發(fā)周期長、投入巨大的工作，國內(nèi)外許多頂級研究機構(gòu)和企業(yè)都在從事這方面研究。

范斌，2000－2006清華大學(xué)化學(xué)系本科、碩士，2007－2010瑞士EPFL博士，國家千人計劃特聘專家，2010年與兩位清華的同學(xué)田清勇和白華共同創(chuàng)辦了惟華光能，后被協(xié)鑫集團收購，更名為協(xié)鑫納米。

國內(nèi)清華大學(xué)、暨南大學(xué)、上海交通大學(xué)、東南大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京大學(xué)，國外牛津大學(xué)、Fraunhofer實驗室、瑞士洛桑高等理工大學(xué)（EPFL）也都在進行鈣鈦礦光伏電池關(guān)鍵材料的研發(fā)或進行量產(chǎn)實驗。

十年時間，鈣鈦礦電池實驗室轉(zhuǎn)換效率從3．8％到24．2％。

“目前鈣鈦礦技術(shù)發(fā)展最快的是中國和韓國”范斌說，“協(xié)鑫納米專注的是量產(chǎn)工藝的開發(fā)，我們?nèi)ツ杲ǔ闪巳澜绲谝粭l10MW級別中試生產(chǎn)線，現(xiàn)在正在建設(shè)100MW級別的量產(chǎn)生產(chǎn)線。

雖然百年來光到底是一種粒子還是波我們都沒有弄清楚，但這不妨礙我們了解光生伏打效應(yīng)的原理。

光生伏打效應(yīng)的來源是光照之下，半導(dǎo)體材料由基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷所導(dǎo)致的電壓差。晶硅的基態(tài)和激發(fā)態(tài)都是單線態(tài) ，電子的自由躍遷很容易“跳上去”，但也很容易“跳下來”，因此雜質(zhì)對晶硅電池的擾動非常的大；而鈣鈦礦電池的基態(tài)是單線態(tài)，激發(fā)態(tài)是三線態(tài)，電子 “跳上去”以后，不容易掉下來。而且晶硅里的光生電荷一旦復(fù)合，就會變成熱消散掉，而鈣鈦礦晶體里的電荷復(fù)合之后有很高的概率會把光子重新釋放出來，再被附近的晶格吸收掉，產(chǎn)生新的電荷。

因此，鈣鈦礦電池對于材料純度要求并不如晶硅一樣要求具備6N級以上純度，通常只需要90％左右。這不但節(jié)約了提純的成本，也從原理上提升了組件的壽命。晶硅的功率衰減主要就是源自雜質(zhì)向硅片的擴散，只要存在電極與硅片的接觸，雜質(zhì)的擴散就是不可避免的。因此單晶硅組件第一年的衰減是3％，此后每年約衰減0．8％。而鈣鈦礦對雜質(zhì)本來就不敏感，自然雜質(zhì)的擴散不容易導(dǎo)致鈣鈦礦組件的衰減，所以才能在12000個小時的連續(xù)光照下沒有任何衰減。

同時，人工設(shè)計的鈣鈦礦材料，其帶隙可以無限接近于理論最優(yōu)帶隙，因此鈣鈦礦的理論效率上限能比晶硅高3到4個百分點。而且鈣鈦礦材料的吸光能力強，0．3微米厚就可以 實現(xiàn)對太陽光的飽和吸收，而晶硅電池里的硅片厚度通常是180微米。按60片組件計算，原本需要消耗1kg的硅料，變成只需要2g的鈣鈦礦材料，每年國內(nèi)30多萬噸的多晶硅需求轉(zhuǎn)換成鈣鈦礦，只需要幾百噸，而且由于純度要求很低，所以需要的能量遠遠小于晶硅電池。

在筆者看來，全球最大的多晶硅企業(yè)協(xié)鑫集團，正在尋求自我突破和自我顛覆。

這也是鈣鈦礦可以降低成本的關(guān)鍵。范斌測算，如果量產(chǎn)100MW的鈣鈦礦電池，效率18％，成本可以做到0．94元／W，是晶硅組件的50％，如果規(guī)模突破GW級，每瓦成本可以低至7毛錢。

但度電成本還需要考慮綜合因素，并不是組件價格低廉就更具備整體成本優(yōu)勢，目前鈣鈦礦組件效率15．3％仍然需要進一步提升。對此范斌表示，通過不斷改進鈣鈦礦材料配方，優(yōu)化專用設(shè)備設(shè)計，提升工藝水平，鈣鈦礦組件的效率明年會達到18％，2021年則將突破20％。

如圖所示，1．4eV是為最優(yōu)帶隙，半導(dǎo)體材料的帶隙越接近于此則效率越高。

晶體硅的帶隙約為1．1eV，理論效率為29．3％ 。人工設(shè)計的鈣鈦礦材料，帶隙可以非常接近于最優(yōu)帶隙，因此單層鈣鈦礦電池的理論效率為33％ ，雙層鈣鈦礦電池的理論可達到43％以上。

目前英國鈣鈦礦太陽能公司－牛津光伏（Oxford PV）已經(jīng)在小面積的鈣鈦礦－晶硅疊層電池上做到28％的效率。2019年3月，金風(fēng)科技已成為牛津光伏的股東。

如目前火熱的光伏汽車，如果采用砷化鎵電池，目前的成本約在2000元／W，但用了鈣鈦礦和晶硅結(jié)合，完全可以實現(xiàn)經(jīng)濟性上的突破。

同時，鈣鈦礦制備溫度在100℃以下，因此除玻璃之外，還可以采用塑料等材料，可以很好地鋪滿整個車身或建筑，大大提升建筑節(jié)能或車輛續(xù)航能力。

筆者不由感慨地球50％的礦物以鈣鈦礦形式存在，萬物皆是鈣鈦礦，在未來，或許這將成為全球最主要的發(fā)電形式并衍生出多種應(yīng)用場景，萬物皆可鈣鈦礦。

作者Mr曹宇