摘 要：隨著國家碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略啟動，光伏技術(shù)在中國能源體系轉(zhuǎn)型中將發(fā)揮更加重要的戰(zhàn)略價(jià)值。圍繞在光伏技術(shù)中極有潛力的新型鈣鈦礦光伏技術(shù)，綜合闡述了鈣鈦礦材料在光伏發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用，梳理了國內(nèi)外鈣鈦礦光伏技術(shù)的最新研究進(jìn)展，并結(jié)合企業(yè)在鈣鈦礦太陽電池產(chǎn)業(yè)化方面的典型實(shí)踐情況，對鈣鈦礦太陽電池的產(chǎn)業(yè)化趨勢與面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了歸納和分析。期望該研究可對中國鈣鈦礦光伏技術(shù)的研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展有所裨益。

0 引言

隨著國家碳達(dá)峰、碳中和(下文簡稱為“雙碳”)戰(zhàn)略啟動，為了實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，構(gòu)建清潔、低碳、安全、高效的能源體系，控制化石能源消耗總量，構(gòu)建以新能源為主體能源的新型電力系統(tǒng)成為重要的發(fā)展路徑。而在各類新能源中，太陽能資源潛力巨大且適合規(guī)?；l(fā)展；此外，中國的光伏技術(shù)也得到了不斷地研發(fā)與迭代。在各類光伏技術(shù)中，鈣鈦礦光伏技術(shù)作為一種新型光伏技術(shù)，因光電轉(zhuǎn)換效率高、材料供應(yīng)充足、成本較低等優(yōu)勢，成為學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)，也愈發(fā)受到產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注，成為最具潛力的下一代光伏技術(shù)之一。近些年，鈣鈦礦光伏技術(shù)得到了快速發(fā)展，鈣鈦礦太陽電池的實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率已突破29%；隨著鈣鈦礦太陽電池技術(shù)進(jìn)步，其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程也進(jìn)入探索階段。

本文基于“雙碳”戰(zhàn)略下的光伏產(chǎn)業(yè)分析，通過梳理國內(nèi)外鈣鈦礦光伏技術(shù)的最新研究進(jìn)展，綜合闡述鈣鈦礦材料在光伏發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用，并結(jié)合企業(yè)在鈣鈦礦太陽電池產(chǎn)業(yè)化方面的典型實(shí)踐情況，對鈣鈦礦太陽電池的產(chǎn)業(yè)化趨勢與面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行歸納，期望該研究可對中國鈣鈦礦光伏技術(shù)的研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展有所裨益。

1 “雙碳”戰(zhàn)略下的光伏產(chǎn)業(yè)

1.1 “雙碳”政策及光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展機(jī)遇分析

國家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)提出后，在實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)綠色低碳轉(zhuǎn)型的進(jìn)程中，以光伏發(fā)電為代表的可再生能源應(yīng)用成為國家發(fā)展的重點(diǎn)。近些年，中國光伏產(chǎn)業(yè)得到了長足發(fā)展，國內(nèi)光伏組件的產(chǎn)量持續(xù)上升，光伏發(fā)電裝機(jī)容量也不斷攀升。2021年，中國光伏發(fā)電新增裝機(jī)容量達(dá)到54.88GW，光伏產(chǎn)品出口額超過280億美元。按照全球光伏發(fā)電裝機(jī)容量平均復(fù)合增長率為17%進(jìn)行預(yù)測，到2024年，全球光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量將達(dá)到1178～1678GW。中國光伏市場是全球第一大光伏市場，按照在全球光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量的占比為35%進(jìn)行估算，2024年中國光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量將達(dá)到418～586GW，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

1.2 光伏發(fā)電領(lǐng)域的新星——鈣鈦礦太陽電池

隨著中國能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整及對太陽能的開發(fā)利用，研究人員不斷將研究重點(diǎn)投入到新型光伏材料的研發(fā)中。

光伏材料的發(fā)展經(jīng)歷了3代：1)第1代光伏材料以硅基材料為代表，包括單晶硅、多晶硅，以及非晶硅。此類光伏材料制備太陽電池的工藝成熟，性能穩(wěn)定性高，最終得到的光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率在20年后仍能保持初始值的80%，是目前光伏市場的主流產(chǎn)品。2)第2代光伏材料主要以銅銦鎵硒(CIGS)、碲化鎘(CdTe)和砷化鎵(GaAs)等材料為代表。與晶體硅太陽電池相比，第2代光伏材料的吸光薄膜較薄，使太陽電池的制備成本大幅降低。3)隨著染料敏化太陽電池被發(fā)現(xiàn)，作為理論光電轉(zhuǎn)換效率高、經(jīng)濟(jì)性好的鈣鈦礦材料脫穎而出，成為第3代光伏材料中最受矚目和期待的材料之一。

隨著光伏材料的發(fā)展，太陽電池技術(shù)的發(fā)展也在不斷更新迭代。從最早的發(fā)射極鈍化和背面接觸(PERC)太陽電池，到隧穿氧化層鈍化接觸(TOPCon)太陽電池、異質(zhì)結(jié)(HJT)太陽電池、異質(zhì)結(jié)背接觸(HBC)太陽電池，再到目前備受矚目的鈣鈦礦太陽電池，太陽電池技術(shù)發(fā)展的核心路徑是“降本+增效”及降低光伏發(fā)電的平準(zhǔn)化度電成本。相比于其他太陽電池技術(shù)，鈣鈦礦太陽電池具有理論光電轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)勢，其極限理論光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)30%以上，工業(yè)化生產(chǎn)后也具有成本優(yōu)勢。各類太陽電池技術(shù)的對比如表1所示。

2 鈣鈦礦材料在光伏發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用概述

2.1 鈣鈦礦材料簡介

鈣鈦礦是一類陶瓷氧化物的統(tǒng)稱，分子式為ABX3，其晶體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中A、B、X都對應(yīng)不同的離子。A位(圖中紅色離子)是有機(jī)陽離子基團(tuán)，一般為CH3NH3+、CH(NH2)2+；B位(圖中銀色離子)是金屬陽離子，一般為Pb陽離子或Sn陽離子；X位(圖中綠色離子)是Cl、Br、I等鹵族元素陰離子及其組合。B離子與6個(gè)X離子形成BX6正八面體，B離子處于BX6的內(nèi)部，X離子處于BX6的頂角，A離子被8個(gè)BX6包圍在中間。鈣鈦礦這種立方八面體的結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，在光電領(lǐng)域具有極大的優(yōu)勢，對光的吸收能力強(qiáng)，吸收范圍廣，幾乎可以吸收全部可見光，并且能在溫和條件下實(shí)現(xiàn)低成本制備。

2.2 鈣鈦礦太陽電池基本結(jié)構(gòu)與原理

鈣鈦礦太陽電池的發(fā)現(xiàn)得益于染料敏化太陽電池技術(shù)的發(fā)展。2009年，日本學(xué)者Kojima等首次在染料敏化太陽電池中加入具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的甲胺鉛碘(CH3NH3PbI3)，得到了實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率為3.8%的太陽電池。隨后，研究人員使用CH3NH3PbI3作為光吸收層，以Spiro-OMeTAD取代碘電解液作為空穴傳輸層制備鈣鈦礦太陽電池，其實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到9.7%。隨著研究人員對鈣鈦礦材料及器件制備工藝的不斷改進(jìn)，截至2020年底，鈣鈦礦太陽電池的實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率已突破29%。

目前的鈣鈦礦太陽電池結(jié)構(gòu)是以染料敏化太陽電池結(jié)構(gòu)衍生而來，類似于“三明治”結(jié)構(gòu)，主要由導(dǎo)電玻璃基底、電子傳輸層、鈣鈦礦光吸收層、空穴傳輸層，以及金屬電極組成。鈣鈦礦太陽電池的工作原理是光生伏特效應(yīng)，當(dāng)太陽光入射到太陽電池表面時(shí)，鈣鈦礦材料吸收太陽光，能量大于CH3NH3PbX3禁帶寬度的光子被其吸收，鈣鈦礦材料內(nèi)部的電子由基態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，在材料內(nèi)部形成光生空穴和光生電子，光生電子被電子吸收層吸收傳至導(dǎo)電玻璃，進(jìn)入外電路，而光生空穴被傳輸至導(dǎo)電玻璃再進(jìn)入外電路與光生電子匯合，形成閉合回路，從而產(chǎn)生電流。鈣鈦礦太陽電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理如圖2所示。

2.3 鈣鈦礦薄膜的制備方法

鈣鈦礦太陽電池最重要的部分是鈣鈦礦薄膜，其質(zhì)量直接決定了鈣鈦礦太陽電池的性能。為了提高鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量，研究人員相繼研發(fā)出不同的鈣鈦礦薄膜制備方法。對不同的鈣鈦礦薄膜制備方法進(jìn)行綜合比較，發(fā)現(xiàn)溶液沉積法的制備成本較低，根據(jù)制備工藝，溶液沉積法可分為一步溶液沉積法和兩步溶液沉積法。雖然溶液沉積法具有制備成本低、易獲得具有較高光電轉(zhuǎn)換效率的鈣鈦礦薄膜等優(yōu)點(diǎn)，但很難制備出大面積的鈣鈦礦薄膜?；诖?，研究人員不斷嘗試新的制備工藝來制備大面積鈣鈦礦薄膜，主要包括氣相沉積法、噴墨打印法等。不同的鈣鈦礦薄膜制備方法及其優(yōu)、缺點(diǎn)如表2所示。

3 鈣鈦礦太陽電池技術(shù)的發(fā)展趨勢

在鈣鈦礦太陽電池技術(shù)的研究發(fā)展中，研究的重點(diǎn)主要集中在提升太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率和提升鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性。盡管鈣鈦礦太陽電池的最高實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到29%，但其穩(wěn)定性仍有不足，遇水或高溫易分解，而且其光電轉(zhuǎn)換效率還有進(jìn)一步提升的空間，所以研制具有更高穩(wěn)定性、更高光電轉(zhuǎn)換效率的鈣鈦礦太陽電池是發(fā)展趨勢。此外，鈣鈦礦太陽電池采用的鈣鈦礦材料大多含有Pb元素，會對環(huán)境有潛在影響，因此，無鉛化、低毒性材料研發(fā)也是研究時(shí)的關(guān)注方向。

3.1 提高光電轉(zhuǎn)換效率

光電轉(zhuǎn)換效率是評價(jià)鈣鈦礦太陽電池性能的關(guān)鍵性指標(biāo)。研究人員主要通過降低界面缺陷、調(diào)控晶體生長、調(diào)節(jié)帶隙寬度，以及提高薄膜結(jié)晶度等路徑來提高鈣鈦礦太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

3.1.1 降低界面缺陷

鈣鈦礦太陽電池中，鈣鈦礦和電荷傳輸層之間的界面包含高濃度的缺陷，特別是深能級缺陷，這大幅降低了太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。界面工程提供了一種能獲得高結(jié)晶度、低缺陷鈣鈦礦薄膜，同時(shí)可改變能級匹配，增強(qiáng)鈣鈦礦層自身電荷和空穴傳輸能力，從而制備高效鈣鈦礦太陽電池的關(guān)鍵策略。

Min等報(bào)道了通過將Cl鍵合的SnO2(為Cl-bSO)與含Cl的鈣鈦礦前驅(qū)體(為Cl-cPP)耦合，實(shí)現(xiàn)FAPbI3與SnO2之間的界面層形成具有電子傳輸層和鹵化物鈣鈦礦光吸收層FASnClx，如圖3所示。這個(gè)界面層有原子相干特征，可增強(qiáng)鈣鈦礦層的電荷提取和傳輸，并減少界面缺陷，所制備的鈣鈦礦太陽電池在標(biāo)準(zhǔn)測試條件(STC)下的實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率為25.8%(認(rèn)證光電轉(zhuǎn)換效率為25.5%)。

Yang等采用苯乙基碘化銨(PEAI)后處理混合鈣鈦礦FA1–xMAxPbI3的方法鈍化鈣鈦礦材料的界面缺陷，可以抑制非輻射載流子復(fù)合，用此方法所制備的鈣鈦礦太陽電池的實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)23.6%。

3.1.2 調(diào)控晶體生長

通過具有特殊功能的添加劑來調(diào)控鈣鈦礦晶體的生長，通過鈍化界面缺陷和控制結(jié)晶度來改善鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量。

Min等通過摻雜二氯化亞甲基二銨(MDACl2)穩(wěn)定了α-FAPbI3相，此方法制備的鈣鈦礦太陽電池獲得了26.1～26.7mA/cm^2^的短路電流密度，經(jīng)過認(rèn)證的光電轉(zhuǎn)換效率為23.7%。

Kim等將甲基氯化銨(MACl)添加至FAPbI3鈣鈦礦中，加入的MACl在未經(jīng)退火工藝的條件下通過陽離子位點(diǎn)誘導(dǎo)合成了超純FAPbI3鈣鈦礦的立方相。該方法顯著改善了鈣鈦礦薄膜的顆粒尺寸和晶體質(zhì)量，制備的鈣鈦礦太陽電池的實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)24.02%。

Sahli等通過在鈣鈦礦材料上添加1層經(jīng)過特殊處理的SnO2導(dǎo)電層，為太陽電池中的載流子提供了一條改進(jìn)的路徑，將鈣鈦礦太陽電池的實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率提高到了25.2%。

3.1.3 調(diào)節(jié)帶隙寬度

為了提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率，研究人員也對調(diào)節(jié)帶隙寬度這一方式進(jìn)行了探索研究，尤其是針對鈣鈦礦基疊層太陽電池。

Lin等通過鈍化窄帶隙鈣鈦礦晶粒界面缺陷來提升鈣鈦礦薄膜的載流子擴(kuò)散長度，如圖4所示，并制備出具有較厚鈣鈦礦光吸收層和更高短路電流密度的全鈣鈦礦疊層太陽電池，其在穩(wěn)態(tài)輸出功率下的實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)26.4%。圖中：V代表空位缺陷；I代表填隙原子；φ為勢能差；φmax為勢能差的最大值。

Al-Ashouri等通過帶寬為1.68eV的鈣鈦礦材料及自組裝的甲基取代咔唑單分子層的空穴選擇性接觸，抑制非輻射載流子的復(fù)合，所制備的鈣鈦礦/硅疊層太陽電池的實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)29.1%。

3.1.4 提高薄膜結(jié)晶度

高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜是獲得高效鈣鈦礦太陽電池的關(guān)鍵。溶液加工制備工藝具有成本低廉，易獲得致密均勻、高結(jié)晶度的鈣鈦礦薄膜等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于鈣鈦礦太陽電池的研究中。在鈣鈦礦前驅(qū)體溶解過程中，溶劑具有溶解溶質(zhì)的作用，同時(shí)還參與鈣鈦礦的整個(gè)結(jié)晶過程。

Wu等結(jié)合溶液加工制備工藝的特點(diǎn)，在鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中加入常溫下為固體的羥基乙酸(GA)來調(diào)節(jié)鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶度。與PbI2?DMSO的配位能力相比，經(jīng)高溫(100～150℃)升華后，GA和Pb2+之間形成更強(qiáng)的配位作用，制備得到的鈣鈦礦太陽電池的實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率最終達(dá)到21.32%。鈣鈦礦太陽電池的I-V特性，以及基于第一性原理計(jì)算的PbI2?DMSO、PbI2?TGA-1、PbI2?GA-1的分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化如圖5所示。圖中：“Control”代表采用常規(guī)鈣鈦礦前驅(qū)體溶液；“wTGA”代表采用含有TGA的鈣鈦礦前驅(qū)體溶液；“wGA”代表采用含有GA的鈣鈦礦前驅(qū)體溶液；“Fittingline”代表擬合線；VTFL為陷阱填充極限的起始電壓。

Zhou等提出了溶劑萃取理念，首先在導(dǎo)電玻璃基底上涂覆鈣鈦礦前驅(qū)體溶液，在室溫條件下，將涂覆后的導(dǎo)電玻璃基底立即浸入另一種溶劑中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效提取前驅(qū)體溶液并誘導(dǎo)快速結(jié)晶，這種方法非常適用于制備大面積鈣鈦礦薄膜。

3.2 提升穩(wěn)定性

鈣鈦礦材料常使用在潮濕、高溫、光照、紫外線等因素的環(huán)境下，在此類環(huán)境中，材料穩(wěn)定性較差，容易發(fā)生分解，導(dǎo)致材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，最終使鈣鈦礦太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率不斷下降。因此，如何提高鈣鈦礦太陽電池的穩(wěn)定性是業(yè)界研究主要關(guān)注的問題之一。

以常見的鈣鈦礦材料CH3NH3PbI3(MAPbI3)為例，其穩(wěn)定性取決于晶體內(nèi)各原子及原子基團(tuán)之間的相關(guān)作用力，離子晶體MAPbI3在高溫、潮濕及光照下易發(fā)生分解，進(jìn)而導(dǎo)致鈣鈦礦材料的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。MAPbI3在光和氧氣作用下降解，氧化過程中產(chǎn)生的水與內(nèi)部MAPbI3水合，導(dǎo)致鈣鈦礦材料降解，如圖6所示。圖中：hv為光子能量。目前研究人員為提高鈣鈦礦太陽電池的穩(wěn)定性，主要有兩種思路：一種思路是提高鈣鈦礦材料的本征穩(wěn)定性；另一種思路是通過尋找合適的傳輸層材料或封裝材料防止鈣鈦礦太陽電池與外部環(huán)境直接接觸。

Wang等將Eu3+/Eu3+的氧化還原離子對引入鈣鈦礦光吸收層中，引入的離子對不僅起到消除Pb0和I0缺陷的作用，同時(shí)在鈣鈦礦太陽電池使用壽命期內(nèi)可以循環(huán)發(fā)揮作用，顯著提升了鈣鈦礦太陽電池的穩(wěn)定性?；诓煌饘匐x子對摻入的鈣鈦礦太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率的變化如圖7所示。圖中：“Ref”為原始參考值。該方式制備得到的鈣鈦礦太陽電池的最高實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到21.52%，同時(shí)無明顯的遲滯現(xiàn)象；在太陽連續(xù)光照或85℃加熱1000h實(shí)驗(yàn)后，該太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率仍可分別保持原始值的91%和89%。

Wei等利用聚合物輔助成膜，有效提高了無機(jī)鈣鈦礦CsPbI2Br薄膜的均勻性和穩(wěn)定性，制備的鈣鈦礦太陽電池在大氣環(huán)境下進(jìn)行4個(gè)月的老化測試后，光電轉(zhuǎn)換效率仍可保持初始光電轉(zhuǎn)換效率的90%。

Hwang等利用聚四氟乙烯疏水材料覆蓋在鈣鈦礦材料表面，制備得到的鈣鈦礦太陽電池表現(xiàn)出良好的抗水性。

Ma等在鈣鈦礦薄膜表面涂覆了1層親水材料，通過親水材料與鈣鈦礦薄膜表面零價(jià)鉛和碘缺陷的結(jié)合，降低了鈣鈦礦晶粒的界面缺陷，抑制了碘離子的遷移，從而提高了鈣鈦礦太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率；同時(shí)，親水層將水截留在上表面，從而保護(hù)了下面的鈣鈦礦層，提高了鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性。

3.3 開發(fā)無鉛化材料

鈣鈦礦太陽電池所使用的鈣鈦礦材料大都含Pb，而由于Pb元素的毒性存在于太陽電池的全生命周期內(nèi)，尤其是太陽電池退役后還會對環(huán)境有潛在的影響，因此，如何防止鈣鈦礦材料中的Pb元素影響環(huán)境，尤其是開發(fā)不含Pb的鈣鈦礦材料是未來的研究方向之一。

Li等利用綠色機(jī)械化學(xué)合成法制備了銅基鈣鈦礦材料的粉末，并借助熱旋涂的工藝制備出均勻致密的鈣鈦礦薄膜，成功在大面積(>20cm^2^)的導(dǎo)電玻璃和柔性基底上制備了高品質(zhì)的鈣鈦礦薄膜。

Yin等設(shè)計(jì)并制備了一系列基于不同銦離子(In3+)摻雜的全新無鉛鈣鈦礦單晶材料Cs2AgFeCl6，隨著In3+離子含量增加，晶體的缺陷態(tài)密度降低，且遷移率和發(fā)光效率提高。

目前已有Sn、Sb、Bi、Cu、Ge、In和Ag等元素被用于無鉛鈣鈦礦材料的研究中。

4 鈣鈦礦太陽電池的產(chǎn)業(yè)化趨勢與面臨的挑戰(zhàn)

鈣鈦礦太陽電池因成本低、柔性好及光電轉(zhuǎn)換效率提升潛力大等優(yōu)點(diǎn)，成為目前光伏發(fā)電領(lǐng)域中最受關(guān)注的新興技術(shù)之一。國內(nèi)外高校、科研院所及創(chuàng)新企業(yè)已經(jīng)開始進(jìn)行鈣鈦礦太陽電池的產(chǎn)業(yè)化探索，主要集中在解決大面積制備、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等問題。下文從高校成果轉(zhuǎn)化研究、企業(yè)的產(chǎn)業(yè)化探索、產(chǎn)業(yè)化面臨的挑戰(zhàn)3個(gè)方面分別進(jìn)行闡述。

4.1 高校成果轉(zhuǎn)化研究

近年來，越來越多的高校、科研院所對鈣鈦礦太陽電池進(jìn)行成果轉(zhuǎn)化研究，主要集中在提高光電轉(zhuǎn)換效率及改進(jìn)制備方法等方面，目的是為后續(xù)的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)進(jìn)行工藝探索及理論指導(dǎo)。

Hu等利用水平氣刀方法實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜的制備，通過干燥速率調(diào)控鈣鈦礦晶體的成核與生長，在常溫下印刷制備出了高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)20.26%。

深圳大學(xué)萬學(xué)娟團(tuán)隊(duì)聯(lián)合香港理工大學(xué)李剛團(tuán)隊(duì)，通過控制長鏈離子包覆過程中的二次離子反應(yīng)，使用氟化聚三芳胺作為空穴傳輸層，制備出了實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率高于22%的鈣鈦礦太陽電池，同時(shí)鈣鈦礦太陽電池的穩(wěn)定性也得到了改善。

Lin等研制的全鈣鈦礦疊層太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率不斷取得突破。2022年，該研究團(tuán)隊(duì)在大面積全鈣鈦礦疊層太陽電池方面取得重要進(jìn)展，通過采用類產(chǎn)業(yè)化的制備技術(shù)，研制出認(rèn)證光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到21.7%的大面積全鈣鈦礦疊層太陽電池。

Wang等在大面積有機(jī)/無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽電池的研究上取得突破，經(jīng)過國家光伏產(chǎn)業(yè)計(jì)量測試中心的測試認(rèn)證，其制備的鈣鈦礦太陽電池的實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到21.37%，孔徑面積達(dá)到12.84cm^2^，穩(wěn)態(tài)輸出功率下的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到20.56%。

Kim等選擇環(huán)保型抗溶劑叔丁醇和乙酸乙酯，制得了具有寬加工窗口的高度結(jié)晶且均勻的鈣鈦礦薄膜，通過凹版印刷、抗溶劑浴和隨后的退火工藝，在中試規(guī)模上實(shí)現(xiàn)了卷對卷(R2R)制備柔性鈣鈦礦太陽電池。

4.2 企業(yè)的產(chǎn)業(yè)化探索

隨著鈣鈦礦太陽電池技術(shù)的不斷迭代，鈣鈦礦太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性在持續(xù)提升和優(yōu)化，其也日益成為產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注熱點(diǎn)。新能源產(chǎn)業(yè)企業(yè)、創(chuàng)新科技企業(yè)、資本等紛紛入局鈣鈦礦太陽電池領(lǐng)域，進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化的探索，多元主體的參與大幅加速了鈣鈦礦太陽電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展，目前已有鈣鈦礦太陽電池中試線和100MW級的生產(chǎn)線投產(chǎn)運(yùn)行。自2013年以來，國內(nèi)關(guān)于鈣鈦礦太陽電池的專利申請數(shù)量出現(xiàn)明顯增長，且保持著較高的年均增量，截至2021年底，相關(guān)專利數(shù)量已累計(jì)超過4000件。

對幾個(gè)主要企業(yè)在鈣鈦礦太陽電池產(chǎn)業(yè)化方面的進(jìn)展進(jìn)行介紹。

1)蘇州協(xié)鑫納米科技有限公司(下文簡稱為“協(xié)鑫納米”)：協(xié)鑫納米成立于2016年，已布局的專利涉及鈣鈦礦薄膜制備、工藝設(shè)計(jì)等；其基于10MW中試線所制備的鈣鈦礦太陽電池的量產(chǎn)光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到15.3%，尺寸可達(dá)45cm×65cm。協(xié)鑫納米在2020年已完成100MW鈣鈦礦太陽電池量產(chǎn)生產(chǎn)線的建設(shè)，制備的鈣鈦礦太陽電池尺寸擴(kuò)大至1m×2m，光電轉(zhuǎn)換效率提高至18%以上。在已有工藝條件下，100MW量產(chǎn)生產(chǎn)線的鈣鈦礦太陽電池的成本預(yù)計(jì)將低于1元/W，量產(chǎn)鈣鈦礦太陽電池的工作壽命可達(dá)到25年以上。

2)杭州纖納光電科技有限公司(下文簡稱為“纖納光電”)：纖納光電成立于2015年，在光伏發(fā)電領(lǐng)域已申請專利超過100件，主要涉及鈣鈦礦太陽電池制備摻雜工藝、生產(chǎn)監(jiān)控、封裝工藝、疊層設(shè)計(jì)及工藝、應(yīng)用實(shí)例等領(lǐng)域。纖納光電在大面積鈣鈦礦太陽電池制備領(lǐng)域取得一定進(jìn)展，已制備出面積為19.32cm^2^的鈣鈦礦太陽電池，穩(wěn)態(tài)輸出功率下的實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)21.4%。在疊層太陽電池領(lǐng)域，該公司已制備出面積為20cm^2^、實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)26.63%的鈣鈦礦-晶硅四端子疊層太陽電池。纖納光電規(guī)劃的100MW鈣鈦礦太陽電池量產(chǎn)生產(chǎn)線也即將建成。

3)極電光能有限公司(下文簡稱為“極電光能”)：極電光能成立于2020年，在專利布局方面主要涉及鈣鈦礦太陽電池大面積、大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)點(diǎn)，電子傳輸層、鈣鈦礦光吸收層開發(fā)等；其自主研發(fā)的大面積(64.8cm^2^)鈣鈦礦太陽電池實(shí)現(xiàn)了20.01%的實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率。2021年第3季度，極電光能開始建設(shè)150MW鈣鈦礦太陽電池量產(chǎn)生產(chǎn)線，同時(shí)計(jì)劃在2023年啟動6GW鈣鈦礦太陽電池量產(chǎn)生產(chǎn)線的建設(shè)。

表3從生產(chǎn)線規(guī)劃、專利布局、產(chǎn)品尺寸/面積、產(chǎn)品的光電轉(zhuǎn)換效率等方面對國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)在鈣鈦礦太陽電池產(chǎn)業(yè)化方面的典型實(shí)踐情況進(jìn)行了梳理及總結(jié)。

4.3 產(chǎn)業(yè)化面臨的挑戰(zhàn)

鈣鈦礦太陽電池要真正進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，還需要解決以下幾個(gè)問題：

1)實(shí)現(xiàn)更大面積的鈣鈦礦薄膜的制備。目前所開發(fā)的鈣鈦礦太陽電池面積仍較小，而產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用需要大幅寬、連續(xù)長度的鈣鈦礦薄膜，工藝放大的過程中，如何在產(chǎn)業(yè)化條件下，穩(wěn)定、批量的獲得大面積、高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜，仍有工藝及技術(shù)難題需要突破。

2)鈣鈦礦太陽電池的穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步提升。太陽電池常使用在潮濕、高溫、光照、紫外線等工況下，在此類環(huán)境中，鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性較差，容易發(fā)生分解，導(dǎo)致材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使制備的鈣鈦礦太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率下降，因此，如何提高實(shí)際工況下鈣鈦礦太陽電池的穩(wěn)定性需要進(jìn)一步研究和攻關(guān)。

3)鈣鈦礦太陽電池成本還需進(jìn)一步降低，尤其是材料成本。鈣鈦礦太陽電池中空穴傳輸層通常是小分子有機(jī)材料(比如Spiro-OMeTAD等)，這類材料價(jià)格昂貴，合成工藝復(fù)雜，對環(huán)境濕度等的要求嚴(yán)格。研發(fā)載流子遷移率高且制備工藝相對簡單、成本較低的無機(jī)空穴傳輸層是重要研究方向之一。

4)無鉛化、低毒性的鈣鈦礦材料的開發(fā)還待突破。目前鈣鈦礦太陽電池所使用的鈣鈦礦材料大多含Pb，在太陽電池全生命周期內(nèi)對環(huán)境有潛在的影響，因此，研發(fā)不含Pb、低毒性、環(huán)境友好，又兼具較高的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性的鈣鈦礦材料，是后續(xù)研究面臨的重要挑戰(zhàn)。

5 結(jié)論與展望

本文圍繞在光伏技術(shù)中極有潛力的新型鈣鈦礦光伏技術(shù)，綜合闡述了鈣鈦礦材料在光伏發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用，梳理了國內(nèi)外鈣鈦礦光伏技術(shù)的最新研究進(jìn)展，結(jié)合企業(yè)在鈣鈦礦太陽電池產(chǎn)業(yè)化方面的典型實(shí)踐情況分析了鈣鈦礦光伏技術(shù)的研究進(jìn)展及未來發(fā)展趨勢，并歸納了鈣鈦礦太陽電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展和面臨的挑戰(zhàn)。

在國家“雙碳”戰(zhàn)略下，中國進(jìn)入能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略推進(jìn)期，光伏技術(shù)的應(yīng)用對于中國構(gòu)建以新能源為主體能源的新型電力系統(tǒng)，順利實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)具有重要意義。希望本文可以作為參考和借鑒，對中國學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的鈣鈦礦太陽電池的研究和產(chǎn)業(yè)化有所裨益，期待鈣鈦礦光伏技術(shù)在中國能源體系轉(zhuǎn)型的進(jìn)程中發(fā)揮更大的價(jià)值。

文章來源：碳中和與可持續(xù)發(fā)展

審核編輯：湯梓紅