8月2日，鈣鈦礦光伏企業(yè)“曜能科技”獲高瓴氣候變化投資團隊數(shù)千萬元A輪融資到賬。本次融資對于光伏產(chǎn)業(yè)而言的意義也尤為重大。鈣鈦礦作為近年來最受關(guān)注的新型半導(dǎo)體明星材料，在光伏、探測、顯示、照明等眾多領(lǐng)域具備廣泛的應(yīng)用前景。同時，鈣鈦礦材料的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用具有巨大的長期價值。曜能科技的鈣鈦礦/晶硅疊層光伏技術(shù)，能夠與晶硅技術(shù)深度結(jié)合，突破傳統(tǒng)單結(jié)太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化光電轉(zhuǎn)換效率極限，進一步降低光伏發(fā)電成本。曜能科技經(jīng)過多年的深耕，構(gòu)筑了全球一流的鈣鈦礦材料研發(fā)平臺及自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)體系，確立了在鈣鈦礦材料及器件基礎(chǔ)與應(yīng)用研究的行業(yè)領(lǐng)先地位。

近年來，鈣鈦礦太陽能電池熱度不斷，究其根本在于，它具備作為一個光吸收材料的許多優(yōu)質(zhì)條件：直接帶隙、禁帶可調(diào)、高載流子遷移率、高載流子壽命等。且經(jīng)過十多年的研究，鈣鈦礦材料的眾多優(yōu)勢也被挖掘出來，揚長補短，使得整個太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率得到提高。此外，除了在太陽能電池領(lǐng)域，鈣鈦礦在量子學方面、材料學方面都有著新的進展，也逐漸發(fā)掘出其內(nèi)在潛力。

 

在鈣鈦礦材料的研究過程中，我們是站在前人的肩膀上，再開啟后續(xù)進展。未來鈣鈦礦材料能否優(yōu)勢最大化？是否能競爭得過多晶硅? 現(xiàn)在看來還未可知，但是不論怎樣，其發(fā)展趨勢都值得我們拭目以待。

 

一、 什么是鈣鈦礦

 

鈣鈦礦電池就被稱為第三代太陽能電池，也稱作新概念太陽能電池，光伏是鈣鈦礦應(yīng)用規(guī)模最為廣闊的領(lǐng)域。在2009年-2019年的11年時間里，其電池效率從3.8%提高至25.2%，提升幅度遠高于晶硅太陽能電池和薄膜太陽能電池。

 

 

其工作原理是在接受太陽光照射時，鈣鈦礦層首先吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對。由于鈣鈦礦材激子束縛能的差異，這些載流子或者成為自由載流子，或者形成激子。然后，這些未復(fù)合的電子和空穴分別被電子傳輸層和空穴傳輸層收集，即電子從鈣鈦礦層傳輸?shù)降入娮觽鬏攲樱詈蟊籌TO收集；空穴從鈣鈦礦層傳輸?shù)娇昭▊鬏攲樱詈蟊唤饘匐姌O收集。最后，通過連接FTO和金屬電極的電路而產(chǎn)生光電流。

 

 

二、 鈣鈦礦的優(yōu)勢

 

作為多晶硅電池強有力的競爭對手，鈣鈦礦太陽能電池也屬于化合物半導(dǎo)體太陽能電池。當陽光照射時，電池內(nèi)部的電子因受到能量激發(fā)逐漸脫離束縛，鈣鈦礦材料內(nèi)部便發(fā)生了電子空穴分離。此時受激并帶有能量的電子在內(nèi)部開始遷移，隨著遷移方向的不同，有可能會從電池的端部逸出，也有可能遇到阻礙導(dǎo)致其釋放出無用的能量，大部分是熱量。對于硅基太陽能電池中的硅材料來說，欲降低存在的缺陷濃度，需要進行高溫處理，溫度甚至高達900攝氏度。

然而對于鈣鈦礦材料來說，要達到降低存在的缺陷濃度，只需要大約100攝氏度的溫度處理就足夠了。此時，被激發(fā)的電子依然可以逸出界面，并且不會損失太多的能量。因為晶硅太陽能電池的效率幾近達到飽和，而鈣鈦礦材料對太陽能的可見光有良好的反應(yīng)，有建筑一體化潛力，且發(fā)電成本低，這使得人們在探索太陽能電池新材料的道路上，逐步關(guān)注鈣鈦礦材料，也慢慢發(fā)揮其長，提高太陽光能轉(zhuǎn)化為電能的效率。

 

三、 量產(chǎn)進展

 

鈣鈦礦作為一種人工合成材料，在 2009 年首次被嘗試應(yīng)用于光伏發(fā)電領(lǐng)域后，因為性能優(yōu)異、成本低廉、商業(yè)價值巨大，從此大放異彩。近年，全球頂尖科研機構(gòu)和大型跨國公司，如牛津大學、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院、日本松下、夏普、東芝等都投入了大量人力物力，力爭早日實現(xiàn)量產(chǎn)。

2017 年 2 月，纖納光電以 15.2%的轉(zhuǎn)換效率，首次打破此前長期由日本保持的鈣鈦礦小組件的世界效率紀錄。此后，分別在當年 5 月和 12 月，以 16%和 17.4%的轉(zhuǎn)換效率實現(xiàn)了一年三破世界紀錄的佳績。這一次，他們又將鈣鈦礦小組件轉(zhuǎn)換效率提升至 17.9%，穩(wěn)態(tài)輸出效率達 17.3%。該結(jié)果再一次證明了中國科學家在鈣鈦礦領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢。

 

四、未來發(fā)展方向

 

鈣鈦礦太陽電池雖然目前發(fā)展現(xiàn)狀良好，有很多優(yōu)勢，原理也很清晰明了，但它還是存在一些不足：比如功能層之間的肖特基勢壘會降低功率、由于鈣鈦礦材料對光波的吸收不足或光干涉造成光電流損耗導(dǎo)致外量子效率達到峰值、功能層材料選取不同造成的性能差異不同等。

仍有若干關(guān)鍵因素可能制約鈣鈦礦太陽電池的發(fā)展，例如：電池的穩(wěn)定性問題；吸收層中含有可溶性重金屬Pb；理論研究有待加強；應(yīng)用最廣的旋涂法難于沉積大面積、連續(xù)的鈣鈦礦薄膜，還需對其他方法進行改進。

 

五、 最新研究成果

 

2021年4月，在總結(jié)2020年中國光學十大進展應(yīng)用研究成果時，鈣鈦礦材料就占據(jù)了兩個成果，分別是南京大學發(fā)布的效率達24.2%大面積全鈣鈦礦疊層太陽電池和華南理工大學發(fā)布的超快激光三維操控透明材料內(nèi)部鈣鈦礦量子點的可逆生長。這是中國制造出來的，也被記錄在最新的太陽能電池效率綜述中，由此看來，在世界鈣鈦礦疊層太陽電池研究領(lǐng)域，中國已遠超其他西方國家。