近日，鈣鈦礦電池上太空和動(dòng)力電池巨頭寧德時(shí)代正籌建鈣鈦礦研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)軍光伏領(lǐng)域兩則消息，讓鈣鈦礦電池再一次站到臺(tái)前。

1/4太陽光轉(zhuǎn)化 成本低至每平米100元

究竟什么是鈣鈦礦電池？要弄清這個(gè)問題，先要了解太陽能電池的原理。

太陽能電池是一種通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)反應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。從結(jié)構(gòu)上來看，太陽能電池一般由很多層材料堆積而來，其中起到光吸收作用的層叫做吸收層。吸收層根據(jù)材料特性的不同，又有不同的命名，比如晶體硅太陽能電池的吸收層就是單晶硅或者多晶硅；薄膜太陽能電池的吸收層一般是厚度幾個(gè)微米的薄膜材料；而鈣鈦礦太陽能電池的吸收層就是鈣鈦礦。

鈣鈦礦材料是以俄國礦物學(xué)家列維·佩羅夫斯基（Lev Perovski）的名字命名。最早被發(fā)現(xiàn)的鈣鈦礦材料是鈣與鈦的復(fù)合氧化物。后來概念有了延展，不再特指鈣鈦復(fù)合氧化物，而用來泛指一系列具有ABX3化學(xué)式的化合物。鈣鈦礦材料可以制作成非常輕薄柔軟的太陽能電池，安裝在汽車、手機(jī)、屋頂、玻璃幕墻上等。

最早將鈣鈦礦應(yīng)用到電池上的是日本橫濱大學(xué)教授Akihiro Kojima。2009年，他首次將有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的有機(jī)金屬鹵化物（CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3）制成吸光層用到染料敏化太陽能電池，得到3.8%的轉(zhuǎn)換效率，后來由于液態(tài)電解質(zhì)導(dǎo)致鈣鈦礦材料很快分解，從而使電池效率很快衰減。但是研究人員很快意識(shí)到鈣鈦礦既善于吸收陽光，還能運(yùn)送電荷，鈣鈦礦太陽能電由此開始被更多研究人員關(guān)注。

經(jīng)過十年的發(fā)展，如今鈣鈦礦太陽能電池的實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)高達(dá)27%，在太陽能電池行業(yè)遙遙領(lǐng)先。換句話說，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)化為電能。而目前市場(chǎng)份額最高的多晶硅太陽能電池，1985年的實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)化率為15％左右，2004年達(dá)到20.4％；而后其轉(zhuǎn)化率雖有提升，但增長緩慢。

成本方面，鈣鈦礦太陽能電池由于材料吸光能力強(qiáng)、對(duì)雜質(zhì)不敏感和生產(chǎn)工藝能耗低，其綜合成本大大降低。

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，也就是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，而且產(chǎn)生的電壓更高，還能增加能量產(chǎn)出。

此外，鈣鈦礦材料對(duì)雜質(zhì)不敏感，通常90%左右純度的鈣鈦礦材料就可以用于制造效率達(dá)到20%以上的太陽能電池；作為對(duì)比，晶硅材料則對(duì)雜質(zhì)非常敏感，純度必須達(dá)到99.9999%以上才能用于制造太陽能電池。

這種不同材料體系的成本，體現(xiàn)在數(shù)據(jù)上的表現(xiàn)為：晶硅太陽能電池每平方米造價(jià)為500—700元，薄膜太陽能電池每平方米造價(jià)1300—1400元，鈣鈦礦太陽能電池每平米預(yù)計(jì)成本將低至100元。

優(yōu)勢(shì)巨大為何沒能大規(guī)模推廣？

太陽能電池領(lǐng)域拼的就是低成本、高轉(zhuǎn)換率，既然鈣鈦礦電池在這兩方面有這么大的優(yōu)勢(shì)，那為什么沒能在市場(chǎng)上大規(guī)模推廣開來呢？一個(gè)問題是，制備大面積均勻鈣鈦礦涂層比較困難；另一個(gè)原因是，當(dāng)在實(shí)驗(yàn)室中使用微小電池時(shí)，科學(xué)家們使用TCO薄膜收集電流，這些TCO薄膜可以通過大量光線，但具有微小電阻，這意味著它們會(huì)使電流變小。在較大的面積上，這種電阻率的問題將變得更加的明顯。例如，在松下公司，研究人員報(bào)道了一塊6.25平方厘米的鈣鈦礦電池，效率為20.6%。但當(dāng)35個(gè)電池片組合成412平方厘米的組件時(shí)，效率降至12.6%。

這還不是最為難的，阻礙鈣鈦礦電池大規(guī)模量產(chǎn)的最主要挑戰(zhàn)，是它們的耐久性。

由于鈣鈦礦材料晶體本身，在某些情況下，會(huì)隨著鈣鈦礦的升溫，結(jié)構(gòu)發(fā)生變化；盡管變化是可逆的，但它會(huì)影響其以后的性能表現(xiàn)；另一個(gè)問題是當(dāng)光線照射到鈣鈦礦晶體上時(shí)，小的“X”陰離子在結(jié)構(gòu)內(nèi)部移動(dòng)。如果陰離子存在任何間隙(可能會(huì)發(fā)生這種情況)，就會(huì)導(dǎo)致一系列連鎖反應(yīng)，這些連鎖反應(yīng)可能會(huì)改變晶體的構(gòu)成和效率，或?qū)е率А?/p>

在穩(wěn)定性方面，大多數(shù)鈣鈦礦電池研究公司尚未公布其穩(wěn)定性結(jié)果。他們給出的說法是，遵循由瑞士日內(nèi)瓦國際電工委員會(huì)(IEC)制定的硅太陽能電池板認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)稱為IEC61215，涉及室內(nèi)測(cè)試，其中組件在85%相對(duì)濕度下加熱至85°C，持續(xù)1000小時(shí)；組件面板在-40°C至90°C之間循環(huán)至100次，甚至采用冰雹模擬測(cè)試。如果在這些測(cè)試之后硅電池板仍然可以工作，那么在常規(guī)的天氣下它應(yīng)該有25年性能保證。雖然通過了這些測(cè)試，但在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中可能仍然不適用，這是一個(gè)很大的隱患。

鈣鈦礦電池的另一個(gè)潛在隱患是材料中含有鉛，鉛是一種有毒金屬。研究人員嘗試過使用替代品，如錫，不過電池性能下降。但這并不意味著鈣鈦礦電池不能使用。Oxford PV的串聯(lián)電池的生命周期分析表明，少量鉛泄漏對(duì)環(huán)境毒性沒有太大影響。該分析還認(rèn)為，在電池生產(chǎn)過程中，硅電池使用的資源對(duì)整體環(huán)境的影響更大。

盡管如此，還是有一些公司退出了鈣鈦礦市場(chǎng)?？鐕靖皇磕z片是鈣鈦礦太陽能專利的第三大持有者。但是，在對(duì)鈣鈦礦太陽能電池進(jìn)行基礎(chǔ)研究后，宣布不再開發(fā)用于制造電池或材料；澳大利亞的鈣鈦礦開發(fā)商GreatCell Solar也曾經(jīng)與晶科建立了合作伙伴關(guān)系，但未能吸引足夠的投資來建造設(shè)施。

寧德時(shí)代加入會(huì)引爆市場(chǎng)嗎？

有退出者就有新進(jìn)入者。2009—2019年的十年里，全球頂尖科研機(jī)構(gòu)和大型跨國公司，如英國牛津大學(xué)，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院，中國科學(xué)院、南方科大，日本松下、夏普、東芝等都投入了大量人力物力，致力于實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦太陽能電池的量產(chǎn)。特別是2019年，突然成為風(fēng)險(xiǎn)投資關(guān)注的焦點(diǎn)。

2019年2月，協(xié)鑫集團(tuán)旗下蘇州協(xié)鑫納米科技發(fā)布了其在鈣鈦礦光伏組件技術(shù)方面的突破性進(jìn)展。協(xié)鑫納米已經(jīng)率先建成10兆瓦級(jí)別大面積鈣鈦礦組件中試生產(chǎn)線，完成了相關(guān)材料合成及制造工藝的開發(fā)，并已開始100兆瓦量產(chǎn)生產(chǎn)線的建設(shè)工作，計(jì)劃于2020年實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦光伏組件的商業(yè)化生產(chǎn)。

2019年3月，牛津光伏有限公司（以下簡稱“牛津光伏”）從其最大股東梅耶博格技術(shù)公司購買了一條200兆瓦異質(zhì)結(jié)生產(chǎn)線用于鈣鈦礦電池試生產(chǎn)，此生產(chǎn)線將于2020年底在牛津光伏哈弗爾河畔勃蘭登堡的工廠中試運(yùn)行。牛津光伏將這一生產(chǎn)線電池轉(zhuǎn)換率的初始目標(biāo)定為27%。同年3月15日，中國第一大風(fēng)機(jī)制造商金風(fēng)科技宣布，以戰(zhàn)略投資者身份領(lǐng)投牛津光伏有限公司D輪融資，投資金額2100萬英鎊。2020年8月，牛津光伏宣布，如果進(jìn)展順利，他們的產(chǎn)品有望在2021年實(shí)現(xiàn)銷售。

2019年4月26日，長江三峽集團(tuán)旗下三峽資本聯(lián)合中國三峽新能源與杭州纖納光電科技有限公司（以下簡稱“杭州纖納”）宣布，三峽資本以戰(zhàn)略投資者身份注資纖納光電，投資金額5000萬人民幣。

2020年7月31日，杭州纖納投資的全球首個(gè)鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)園在衢州纖落地建成。該項(xiàng)目總體規(guī)劃5GW，總投資54.6億元，總用地面積600畝。一期廠房11000方包含半導(dǎo)體車間、動(dòng)力、合成、倉庫、辦公、宿舍等相關(guān)配套，不過今年計(jì)劃年產(chǎn)的卻是20-25萬平方米光伏發(fā)電玻璃。

　　據(jù)了解，杭州纖納鈣鈦礦電池技術(shù)的材料成本僅為傳統(tǒng)光伏材料的1/20，大規(guī)模應(yīng)用后，可降低至目前傳統(tǒng)電池的一半左右，與當(dāng)前煤電價(jià)格相當(dāng)，有望實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的平價(jià)上網(wǎng)。纖納光電的全球首個(gè)鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)園的建設(shè)，加速推進(jìn)了第三代光伏薄膜技術(shù)的大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。根據(jù)全球光伏界權(quán)威榜單《光伏電池效率榜》2020年中發(fā)布的數(shù)據(jù)，杭州纖納以18.04%的鈣鈦礦小組件光電轉(zhuǎn)換效率成績，三年來第七次蟬聯(lián)鈣鈦礦小組件世界效率紀(jì)錄榜首。此外，杭州纖納光電的鈣鈦礦電池組件也于2019年末通過國際電工委員會(huì)（IEC）標(biāo)準(zhǔn)第三方獨(dú)立檢測(cè)。

另據(jù)了解，杭州眾能光電公司、上海黎元新能源公司、湖北萬度光能公司等，也都在積極推動(dòng)鈣鈦礦太陽能光伏電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

盡管牛津光伏、杭州纖納率先開啟了鈣鈦礦電池的大規(guī)模量產(chǎn)化之路的嘗試，但從已披露的消息看，距離真正引爆市場(chǎng)，還有很長的路要走。寧德時(shí)代的加入，會(huì)改變這一現(xiàn)狀嗎？

業(yè)內(nèi)人士表示，作為國內(nèi)動(dòng)力電池巨頭，寧德時(shí)代此前在鋰電池領(lǐng)域一枝獨(dú)秀，而鋰電池的工藝與鈣鈦礦電池最為相似，它的加入，會(huì)加快鈣鈦礦電池的研發(fā)和推廣速度，對(duì)于光伏行業(yè)來說當(dāng)然是好事，但想要在短時(shí)間內(nèi)占據(jù)主流市場(chǎng)，目前看來還為時(shí)尚早。