雖獨具特色，但仍存短板

　　鈣鈦礦電池距離商業(ye) 化還有多遠？

　　◎本報記者 滕繼濮 韓 榮

　　鈣鈦礦電池，自“出生”就“天賦異稟”，得到了廣泛的關(guan) 注。其不僅(jin) 可以做得更加輕薄，還具有低成本和易製備的優(you) 點以及弱光效率高的優(you) 勢。

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

　　那麽(me) ，什麽(me) 是鈣鈦礦電池？其相比傳(chuan) 統太陽能電池有哪些不同之處？未來將有哪些應用場景？科技日報記者就此采訪了多位深耕於(yu) 鈣鈦礦電池領域的專(zhuan) 家。

　　結構形似“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(wei) 吸光層材料的電池。

　　作為(wei) 新一代太陽能電池，鈣鈦礦電池工作原理與(yu) 傳(chuan) 統太陽能電池並無不同。它的結構形似“三明治”，典型結構有5層。兩(liang) 個(ge) 電極就像三明治的兩(liang) 片麵包分別位於(yu) 最外層，由外向內(nei) 挨著電極的是空穴傳(chuan) 輸層和電子傳(chuan) 輸層，而鈣鈦礦層則居於(yu) 最中間。

　　當太陽光照在鈣鈦礦電池上，太陽光光子能量大於(yu) 帶隙時，鈣鈦礦層吸收光子產(chan) 生“電子—空穴對”。電子傳(chuan) 輸層將分離出來的電子傳(chuan) 輸到負極上；空穴傳(chuan) 輸層則將與(yu) 電子分離的空穴傳(chuan) 輸到正極上，進一步在外電路形成電荷定向移動，從(cong) 而產(chan) 生電流，實現光能向電能的轉換。

　　北京理工大學材料學院教授陳棋這樣形容鈣鈦礦電池的工作原理：“如果說太陽能電池本身是一間教室的話，男同學和女同學則是電子和空穴。當光照到太陽能電池，就好像下課鈴響起了一樣。這時，男同學就會(hui) 排隊從(cong) 後門出來，女同學就排隊從(cong) 前門出來，從(cong) 而形成電荷定向運動。”

　　鈣鈦礦電池有三大突出優(you) 勢

　　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(guan) 注。

　　2016年《“十三五”國家戰略性新興(xing) 產(chan) 業(ye) 發展規劃》中就提及，要“加強鈣鈦礦、染料敏化、有機等新型高效低成本太陽能電池技術研發”。

　　重慶大學物理學院教授、博士生導師鄧業(ye) 浩表示，相比市場上常見的晶矽太陽能電池，鈣鈦礦電池有三大突出優(you) 勢。

　　首先，鈣鈦礦材料本身的吸光能力強。在太陽光的主要波長下，鈣鈦礦材料的吸光能力可達晶矽的10倍以上。因此，在太陽能轉換效率相當的情況下，鈣鈦礦電池可以做得更薄。“這將極大地拓展產(chan) 品形式，豐(feng) 富應用場景。”鄧業(ye) 浩說。

　　其次，鈣鈦礦電池具有低成本和易製備的優(you) 點。鄧業(ye) 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，並且可以通過溶液製備。因而鈣鈦礦材料的製造成本較低，製備容易。”

　　最後，鈣鈦礦材料還具有弱光效率高的優(you) 勢。在陰天弱光的條件下，鈣鈦礦材料不僅(jin) 可以吸收短波光，還可以將能量轉化效率保持在相對穩定的狀態。鈣鈦礦材料的這一特點使得鈣鈦礦電池作為(wei) 一種薄膜型光伏電池，不僅(jin) 可以做成單層電池，理論上還可以疊加在各種電池材料表麵，形成疊層電池，從(cong) 而有效提高太陽光的利用效率。

　　鄧業(ye) 浩表示，從(cong) 目前實驗室測得的結果來看，經過幾十年發展的晶矽太陽能電池的最高轉化效率為(wei) 26.7%，而目前鈣鈦礦電池的轉化效率就已經可以達到25.7%，鈣鈦礦電池未來可期。

　　走出實驗室還需補齊兩(liang) 個(ge) 短板

　　盡管在理論上、實驗室中鈣鈦礦電池有相當大的優(you) 勢，可是從(cong) 產(chan) 業(ye) 化角度來看，鈣鈦礦電池仍處於(yu) 萌芽狀態。這是由於(yu) 其本身存在兩(liang) 個(ge) 短板，即穩定性較差和大麵積應用時的效率損失。

　　首先，是穩定性較差這一問題。

　　陳棋表示，盡管在實驗室中，鈣鈦礦電池可以實現較高的光電轉換效率。但其在實際應用中，仍受到諸多條件的製約。

　　北京曜能科技有限公司董事長孫於(yu) 超表示，業(ye) 內(nei) 正在從(cong) 多方麵努力，以解決(jue) 鈣鈦礦電池麵臨(lin) 的問題。以穩定性問題為(wei) 例，解決(jue) 該問題最直接的一種手段，就是針對鈣鈦礦材料本身的改性。即通過結構設計、元素替換、添加摻雜等手段，讓材料本身變得穩定，提高材料的本征穩定性。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定因素，即隔絕水、熱等環境因素，從(cong) 而減少乃至避免外界不穩定因素對於(yu) 材料和器件的影響。

　　對此，中國科學院電工研究所太陽電池技術研究部主任王文靜表示，從(cong) 外圍手段隔絕不穩定因素，尚需經過大量的室外驗證。據了解，目前已報道的鈣鈦礦電池其最長工作壽命往往隻能達到幾千小時，遠低於(yu) 晶矽電池。

　　除了穩定性問題外，大麵積應用時的效率損失問題是鈣鈦礦電池的另一短板。

　　“在效率上，其實鈣鈦礦電池完全可以進行商業(ye) 化應用。但是如何從(cong) 實驗室的小麵積，擴展到實際應用場景中的大麵積，是其商業(ye) 化需要麵臨(lin) 的一個(ge) 嚴(yan) 峻挑戰。”王文靜坦言，目前實驗室裏製造的鈣鈦礦電池隻有指甲蓋大小，與(yu) 市場需要的太陽能電池在尺寸上相距甚遠。

　　鈣鈦礦材料本身的結晶時間短，生產(chan) 中的工藝窗口時間隻有幾秒，造成了生產(chan) 上的困難。除此以外，在製備鈣鈦礦電池的過程中，一個(ge) 壞點、一個(ge) 灰塵都有可能影響整個(ge) 電池麵板的效率，影響了其大麵積應用時的效率。

　　“目前來看，鈣鈦礦電池製備技術需要解決(jue) 如何讓鈣鈦礦的薄膜更加致密平整，以及如何保證環境清潔，避免灰塵等因素幹擾提升良品率兩(liang) 個(ge) 問題。設計更為(wei) 先進的製備技術，能有效保證鈣鈦礦電池在大麵積應用時的效率。”王文靜說。

　　我國鈣鈦礦光伏技術未來可期

　　盡管鈣鈦礦電池有諸多不確定性，但學界不少專(zhuan) 家仍對其未來持樂(le) 觀態度。

　　陳棋表示，目前我國在鈣鈦礦電池的學術研究和產(chan) 業(ye) 研究上，具有兩(liang) 個(ge) 最大的優(you) 勢：一是研究群體(ti) 大，國內(nei) 研究鈣鈦礦電池的企業(ye) 、機構遠比國外多；二是國內(nei) 有非常巨大的產(chan) 業(ye) 基礎，光伏市場和光伏製造業(ye) 在中國呈現蓬勃之勢。

　　“我國鈣鈦礦光伏技術的未來，可謂前途無量。”陳棋說。

　　在鈣鈦礦電池的未來應用方麵，孫於(yu) 超表示，鈣鈦礦技術最有價(jia) 值的應用場景是在大規模光伏發電領域。鈣鈦礦在與(yu) 晶矽結合組成疊層電池後，可以大幅提高現有光伏組件的發電效率，從(cong) 而進一步降低發電成本，加快對於(yu) 傳(chuan) 統化石能源的替代，助力我國“雙碳”目標實現。此外，鈣鈦礦電池的厚度僅(jin) 為(wei) 晶矽電池的千分之一，柔性輕便的特質使其具有豐(feng) 富的應用場景，例如用於(yu) 穿戴式發電裝置、光伏玻璃建築一體(ti) 化、野外臨(lin) 時發電設備等，甚至可以運用於(yu) 太空發電。

　　奮戰在鈣鈦礦電池領域多年，孫於(yu) 超和科研團隊見證了鈣鈦礦電池從(cong) 不為(wei) 人知，到漸漸走入大眾(zhong) 視野。在得知《科技支撐碳達峰碳中和實施方案(2022—2030年)》中提及“要研發高效穩定的鈣鈦礦電池”後，孫於(yu) 超興(xing) 奮地表示：“鈣鈦礦電池的好時候到了！”