鈣鈦礦電池距離商業(yè)化還有多遠(yuǎn)

鈣鈦礦電池，自“出生”就“天賦異稟”，得到了廣泛的關(guān)注。其不僅可以做得更加輕薄，還具有低成本和易制備的優(yōu)點(diǎn)以及弱光效率高的優(yōu)勢(shì)。

光伏電池是一種通過光電效應(yīng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(以下簡(jiǎn)稱鈣鈦礦電池)作為一種新型的光伏電池，也在近年逐漸嶄露頭角。近日，科技部等九部門聯(lián)合印發(fā)《科技支撐碳達(dá)峰碳中和實(shí)施方案(2022—2030年)》，也對(duì)鈣鈦礦電池這一新型電池有所提及。

那么，什么是鈣鈦礦電池?其相比傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池有哪些不同之處?未來將有哪些應(yīng)用場(chǎng)景?科技日?qǐng)?bào)記者就此采訪了多位深耕于鈣鈦礦電池領(lǐng)域的專家。

結(jié)構(gòu)形似“三明治”的新型光伏電池

鈣鈦礦電池由染料敏化電池演化而來，指采用鈣鈦礦材料作為吸光層材料的電池。

作為新一代太陽(yáng)能電池，鈣鈦礦電池工作原理與傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池并無(wú)不同。它的結(jié)構(gòu)形似“三明治”，典型結(jié)構(gòu)有5層。兩個(gè)電極就像三明治的兩片面包分別位于最外層，由外向內(nèi)挨著電極的是空穴傳輸層和電子傳輸層，而鈣鈦礦層則居于最中間。

當(dāng)太陽(yáng)光照在鈣鈦礦電池上，太陽(yáng)光光子能量大于帶隙時(shí)，鈣鈦礦層吸收光子產(chǎn)生“電子—空穴對(duì)”。電子傳輸層將分離出來的電子傳輸?shù)截?fù)極上;空穴傳輸層則將與電子分離的空穴傳輸?shù)秸龢O上，進(jìn)一步在外電路形成電荷定向移動(dòng)，從而產(chǎn)生電流，實(shí)現(xiàn)光能向電能的轉(zhuǎn)換。

北京理工大學(xué)材料學(xué)院教授陳棋這樣形容鈣鈦礦電池的工作原理：“如果說太陽(yáng)能電池本身是一間教室的話，男同學(xué)和女同學(xué)則是電子和空穴。當(dāng)光照到太陽(yáng)能電池，就好像下課鈴響起了一樣。這時(shí)，男同學(xué)就會(huì)排隊(duì)從后門出來，女同學(xué)就排隊(duì)從前門出來，從而形成電荷定向運(yùn)動(dòng)。”

鈣鈦礦電池有三大突出優(yōu)勢(shì)

鈣鈦礦電池因材料特殊，自“出生”就“天賦異稟”，得到了廣泛的關(guān)注。

2016年《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中就提及，要“加強(qiáng)鈣鈦礦、染料敏化、有機(jī)等新型高效低成本太陽(yáng)能電池技術(shù)研發(fā)”。

重慶大學(xué)物理學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師鄧業(yè)浩表示，相比市場(chǎng)上常見的晶硅太陽(yáng)能電池，鈣鈦礦電池有三大突出優(yōu)勢(shì)。

首先，鈣鈦礦材料本身的吸光能力強(qiáng)。在太陽(yáng)光的主要波長(zhǎng)下，鈣鈦礦材料的吸光能力可達(dá)晶硅的10倍以上。因此，在太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率相當(dāng)?shù)那闆r下，鈣鈦礦電池可以做得更薄。“這將極大地拓展產(chǎn)品形式，豐富應(yīng)用場(chǎng)景。”鄧業(yè)浩說。

其次，鈣鈦礦電池具有低成本和易制備的優(yōu)點(diǎn)。鄧業(yè)浩說：“鈣鈦礦材料是一種合成材料，其原料本身沒有稀有金屬，并且可以通過溶液制備。因而鈣鈦礦材料的制造成本較低，制備容易。”

最后，鈣鈦礦材料還具有弱光效率高的優(yōu)勢(shì)。在陰天弱光的條件下，鈣鈦礦材料不僅可以吸收短波光，還可以將能量轉(zhuǎn)化效率保持在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。鈣鈦礦材料的這一特點(diǎn)使得鈣鈦礦電池作為一種薄膜型光伏電池，不僅可以做成單層電池，理論上還可以疊加在各種電池材料表面，形成疊層電池，從而有效提高太陽(yáng)光的利用效率。

鄧業(yè)浩表示，從目前實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的結(jié)果來看，經(jīng)過幾十年發(fā)展的晶硅太陽(yáng)能電池的最高轉(zhuǎn)化效率為26.7%，而目前鈣鈦礦電池的轉(zhuǎn)化效率就已經(jīng)可以達(dá)到25.7%，鈣鈦礦電池未來可期。

走出實(shí)驗(yàn)室還需補(bǔ)齊兩個(gè)短板

盡管在理論上、實(shí)驗(yàn)室中鈣鈦礦電池有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，可是從產(chǎn)業(yè)化角度來看，鈣鈦礦電池仍處于萌芽狀態(tài)。這是由于其本身存在兩個(gè)短板，即穩(wěn)定性較差和大面積應(yīng)用時(shí)的效率損失。

首先，是穩(wěn)定性較差這一問題。

陳棋表示，盡管在實(shí)驗(yàn)室中，鈣鈦礦電池可以實(shí)現(xiàn)較高的光電轉(zhuǎn)換效率。但其在實(shí)際應(yīng)用中，仍受到諸多條件的制約。

北京曜能科技有限公司董事長(zhǎng)孫于超表示，業(yè)內(nèi)正在從多方面努力，以解決鈣鈦礦電池面臨的問題。以穩(wěn)定性問題為例，解決該問題最直接的一種手段，就是針對(duì)鈣鈦礦材料本身的改性。即通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元素替換、添加摻雜等手段，讓材料本身變得穩(wěn)定，提高材料的本征穩(wěn)定性。另一種可行的手段，是通過工藝和工程手段隔絕外界的不穩(wěn)定因素，即隔絕水、熱等環(huán)境因素，從而減少乃至避免外界不穩(wěn)定因素對(duì)于材料和器件的影響。

對(duì)此，中國(guó)科學(xué)院電工研究所太陽(yáng)電池技術(shù)研究部主任王文靜表示，從外圍手段隔絕不穩(wěn)定因素，尚需經(jīng)過大量的室外驗(yàn)證。據(jù)了解，目前已報(bào)道的鈣鈦礦電池其最長(zhǎng)工作壽命往往只能達(dá)到幾千小時(shí)，遠(yuǎn)低于晶硅電池。

除了穩(wěn)定性問題外，大面積應(yīng)用時(shí)的效率損失問題是鈣鈦礦電池的另一短板。

“在效率上，其實(shí)鈣鈦礦電池完全可以進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用。但是如何從實(shí)驗(yàn)室的小面積，擴(kuò)展到實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的大面積，是其商業(yè)化需要面臨的一個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。”王文靜坦言，目前實(shí)驗(yàn)室里制造的鈣鈦礦電池只有指甲蓋大小，與市場(chǎng)需要的太陽(yáng)能電池在尺寸上相距甚遠(yuǎn)。

鈣鈦礦材料本身的結(jié)晶時(shí)間短，生產(chǎn)中的工藝窗口時(shí)間只有幾秒，造成了生產(chǎn)上的困難。除此以外，在制備鈣鈦礦電池的過程中，一個(gè)壞點(diǎn)、一個(gè)灰塵都有可能影響整個(gè)電池面板的效率，影響了其大面積應(yīng)用時(shí)的效率。

“目前來看，鈣鈦礦電池制備技術(shù)需要解決如何讓鈣鈦礦的薄膜更加致密平整，以及如何保證環(huán)境清潔，避免灰塵等因素干擾提升良品率兩個(gè)問題。設(shè)計(jì)更為先進(jìn)的制備技術(shù)，能有效保證鈣鈦礦電池在大面積應(yīng)用時(shí)的效率。”王文靜說。

我國(guó)鈣鈦礦光伏技術(shù)未來可期

盡管鈣鈦礦電池有諸多不確定性，但學(xué)界不少專家仍對(duì)其未來持樂觀態(tài)度。

陳棋表示，目前我國(guó)在鈣鈦礦電池的學(xué)術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)研究上，具有兩個(gè)最大的優(yōu)勢(shì)：一是研究群體大，國(guó)內(nèi)研究鈣鈦礦電池的企業(yè)、機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)比國(guó)外多;二是國(guó)內(nèi)有非常巨大的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，光伏市場(chǎng)和光伏制造業(yè)在中國(guó)呈現(xiàn)蓬勃之勢(shì)。

“我國(guó)鈣鈦礦光伏技術(shù)的未來，可謂前途無(wú)量。”陳棋說。

在鈣鈦礦電池的未來應(yīng)用方面，孫于超表示，鈣鈦礦技術(shù)最有價(jià)值的應(yīng)用場(chǎng)景是在大規(guī)模光伏發(fā)電領(lǐng)域。鈣鈦礦在與晶硅結(jié)合組成疊層電池后，可以大幅提高現(xiàn)有光伏組件的發(fā)電效率，從而進(jìn)一步降低發(fā)電成本，加快對(duì)于傳統(tǒng)化石能源的替代，助力我國(guó)“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。此外，鈣鈦礦電池的厚度僅為晶硅電池的千分之一，柔性輕便的特質(zhì)使其具有豐富的應(yīng)用場(chǎng)景，例如用于穿戴式發(fā)電裝置、光伏玻璃建筑一體化、野外臨時(shí)發(fā)電設(shè)備等，甚至可以運(yùn)用于太空發(fā)電。

奮戰(zhàn)在鈣鈦礦電池領(lǐng)域多年，孫于超和科研團(tuán)隊(duì)見證了鈣鈦礦電池從不為人知，到漸漸走入大眾視野。在得知《科技支撐碳達(dá)峰碳中和實(shí)施方案(2022—2030年)》中提及“要研發(fā)高效穩(wěn)定的鈣鈦礦電池”后，孫于超興奮地表示：“鈣鈦礦電池的好時(shí)候到了!”