隨著社會的進步，科技的發(fā)展，人們對能源的需求越來越大，而現(xiàn)有的能源有限，需要人們不斷發(fā)展新能源，而太陽能就是一個不錯的選擇，人們開始大力發(fā)展太陽能能發(fā)電。在原本沉寂的太陽能發(fā)電投資領域，鈣鈦礦太陽能電池今年突然成為風險投資關注的焦點。3月15日，中國第一大風機制造商金風科技宣布，以戰(zhàn)略投資者身份領投英國鈣鈦礦太陽能發(fā)電公司牛津光伏有限公司(Oxford PVTM)D輪融資，投資金額2100萬英鎊。

4月26日，長江三峽集團旗下三峽資本聯(lián)合中國三峽新能源與杭州纖納光電科技有限公司(簡稱纖納光電)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。這家成立不足4年的公司，目前是全球鈣鈦礦太陽能組件光電轉換效率的世界紀錄的保持者。所謂鈣鈦礦太陽能電池(perovskite solar cells)，是利用鈣鈦礦的有機金屬鹵化物半導體作為吸光材料的太陽能電池，屬于第三代新概念太陽能電池之一，具有光電轉換效率特別高、成本低的特點，目前實驗室轉換率水平最高接近30%，是目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的實驗室光電轉換效率最高的太陽能電池。

不過，從全球來看，雖然鈣鈦礦太陽能電池尚處實驗室階段，并未實現(xiàn)真正的量產(chǎn)，但隨著技術進步，2020年量產(chǎn)的腳步已越來越近，鈣鈦礦太陽能電池有望成為光伏行業(yè)的“攪局者”。

十年磨一劍

太陽能電池是一種通過光電效應或者光化學反應直接把光能轉化成電能的裝置。從結構上來看，太陽能電池一般是由很多層材料堆積起來的，其中起到光吸收作用的層叫做吸收層。太陽能電池也按照吸收層的材料特性來命名，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。

1883年，美國發(fā)明家Charles Fritts成功制造了人類第一塊太陽能電池——硒上覆薄金的半導體/金屬結太陽能電池, 其光電轉換效率僅約1%。1954年，美國貝爾實驗室Pearson、Fuller和Chapin等人研制出了第一塊晶體硅太陽能電池，獲得4.5%的轉換效率, 開啟了利用太陽能發(fā)電的新紀元。

在最近的半個多世紀里，太陽能技術發(fā)展大致經(jīng)歷了三個階段：第一代太陽能電池主要指單晶硅和多晶硅太陽能電池，其在實驗室的光電轉換效率已經(jīng)分別達到25%和20.4%;第二代太陽能電池主要包括非晶硅薄膜電池和多晶硅薄膜電池;第三代太陽能電池主要指具有高轉換效率的一些新概念電池, 如鈣鈦礦電池、染料敏化電池、量子點電池以及有機太陽能電池等。

其中，鈣鈦礦太陽能電池的進展最受人關注。需要解釋的是，鈣鈦礦(Perovskite)材料是以俄國礦物學家列維·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合氧化物。后來，鈣鈦礦的概念有了很大的延展，它已經(jīng)不特指鈣鈦復合氧化物，而用來泛指一系列具有ABX3化學式的化合物，在這里，A可以是甲氨基等有機分子基團，而B可以是鉛原子(也可以是錫原子)，X則一般含有鹵素原子。

在太陽能電池領域，一般使用的是有機無機復合的鈣鈦礦。鈣鈦礦一般是作為太陽能電池的吸收層來使用，在接受太陽光的照射以后，鈣鈦礦吸收了光子以后會產(chǎn)生電子——空穴對。電子帶負電，而空穴可以看成是帶正電。當陽光照射到這些電子——空穴對上時就形成了光電流。

最早將鈣鈦礦應用到電池上的是日本橫濱大學教授Akihiro Kojima。2009年，他首次將有鈣鈦礦結構的有機金屬鹵化物(CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3)制成吸光層用到染料敏化太陽能電池，得到3.8%的轉換效率，后來由于液態(tài)電解質導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到鈣鈦礦既善于吸收陽光，還能運送電荷。

就這樣，鈣鈦礦太陽能電池誕生了。

穩(wěn)定性成瓶頸

經(jīng)過十年的發(fā)展，鈣鈦礦太陽能電池的實驗室光電轉換效率已經(jīng)高達27%，在太陽能電池行業(yè)遙遙領先。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的太陽光直接轉化為電能。從光電轉化率提升速度來看，鈣鈦礦也具有明顯優(yōu)勢。以目前市場份額最高的多晶硅太陽能電池為例。1985年，多晶硅太陽能電池的實驗室轉化率為15%左右，在2004年達到20.4%;而后其轉化率雖略有提升，但微乎其微。

對比之下，2009年鈣鈦礦太陽能電池實驗室轉化率為3.8%，如今實驗室小面積器件(面積大小在幾平方毫米)轉化率在22%～23%，效率提升速度驚人，目前仍在繼續(xù)提升中。從全球來看，英國牛津光伏公司的太陽能電池轉換效率居于領先地位。其推出的鈣鈦礦疊層電池光電轉換效率已經(jīng)達到了28%的世界紀錄，這也超過了26.7%的單晶硅電池效率紀錄。同時，牛津光伏公司的鈣鈦礦疊層電池技術路線圖顯示，其光電轉化效率將超過30%。

需要注意的是，目前，轉換效率較高的鈣鈦礦太陽能電池的尺寸均為實驗室級別，但隨著電池尺寸的增加，其光電轉換效率會隨之下降。從成本來看，鈣鈦礦太陽能電池由于材料吸光能力強、對雜質不敏感和生產(chǎn)工藝能耗低，其綜合成本大大降低。

研究表明，鈣鈦礦電池對光的吸收能力是傳統(tǒng)太陽能電池材料的100倍，因此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。同時，鈣鈦礦材料對雜質不敏感，通常90%左右純度的鈣鈦礦材料就可以用于制造效率達到20%以上的太陽能電池。晶硅材料則對雜質非常敏感，純度必須達到99.9999%以上才能用于制造太陽能電池。

由于鈣鈦礦材料可以溶解在普通溶劑之中，鈣鈦礦組件可以通過溶液涂布工藝生產(chǎn)，整個生產(chǎn)工藝流程溫度不超過150度。而晶硅材料的鑄錠和提拉都需要在1500度以上高溫，生產(chǎn)能耗差距可想而知。這種不同材料體系的成本差異具體體現(xiàn)為：晶硅太陽能電池每平方米造價為500～700元，薄膜太陽能電池每平方米造價1300～1400元，鈣鈦礦太陽能電池每平米預計成本將低至100元。

盡管具備轉化效率高、成本低的優(yōu)點，但鈣鈦礦太陽能電池也面臨穩(wěn)定性差導致的壽命較短的問題，這也是其最致命的弱點。由于鈣鈦礦太陽能電池對潮濕環(huán)境敏感，暴露在潮濕空氣中會很快分解，就連晝夜溫差造成的水蒸氣也可能對它造成傷害，因此必須對其進行防水封裝。

目前，鈣鈦礦電池已經(jīng)經(jīng)過了1萬小時的持續(xù)光照實驗，按照全天平均日照時長4小時計算，鈣鈦礦電池理論壽命為6.8年，考慮到實際日照時間以及日常損耗，鈣鈦礦電池正常壽命應小于6.8年。相比于硅電池的理論壽命25年，還有很大差距?？上驳氖?，2016年以來，隨著新型多離子混合型鈣鈦礦材料的應用，以及緩沖層材料逐漸無機化，鈣鈦礦太陽能電池的工作壽命正在穩(wěn)步提高，在實驗室中已可實現(xiàn)連續(xù)1000小時工作衰減低于5%。

2020年量產(chǎn)可期

目前，鈣鈦礦太陽能電池正處于量產(chǎn)的前夜。在過去十年里，全球頂尖科研機構和大型跨國公司，如英國牛津大學，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院，中國科學院、南方科大，日本松下、夏普、東芝等都投入了大量人力物力，致力于實現(xiàn)鈣鈦礦太陽能電池的量產(chǎn)。纖納光伏聯(lián)合創(chuàng)始人姚冀眾公開表示，“鈣鈦礦技術發(fā)展到今天已經(jīng)不是簡單的技術儲備，自技術興起以來，得到了學術界和產(chǎn)業(yè)界極大的關注和投入。短短幾年轉換效率及穩(wěn)定性都有了很大提高，已經(jīng)具備了產(chǎn)業(yè)化條件。”

姚冀眾透露，纖納光電正在為接下來的量產(chǎn)做最后準備，組建全球首條20兆瓦鈣鈦礦太陽能電池生產(chǎn)線。未來，在15%～16%的光電轉化率條件下，纖納光電的鈣鈦礦太陽能組件每瓦成本將低于1元。

比纖納光伏更進一步，中國民營能源集團協(xié)鑫集團和英國牛津光伏公司都提出了鈣鈦礦太陽能電池量產(chǎn)的時間表。今年2月，協(xié)鑫集團旗下蘇州協(xié)鑫納米科技發(fā)布了其在鈣鈦礦光伏組件技術方面的突破性進展。協(xié)鑫納米已經(jīng)率先建成10兆瓦級別大面積鈣鈦礦組件中試生產(chǎn)線，完成了相關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)線的建設工作，計劃于2020年實現(xiàn)鈣鈦礦光伏組件的商業(yè)化生產(chǎn)。

據(jù)介紹，協(xié)鑫納米10兆瓦中試生產(chǎn)線所制造的鈣鈦礦光伏組件尺寸為45厘米×65厘米，光電轉化效率達到15.3%。這是全世界范圍內(nèi)最大面積的鈣鈦礦光伏組件，也是大面積鈣鈦礦組件效率的最高數(shù)值。

協(xié)鑫納米正在建設中的100兆瓦量產(chǎn)生產(chǎn)線，將把組件面積擴大至1米×2米，組件光電轉化效率將提高至18%以上。在現(xiàn)有的工藝條件下，100兆瓦量產(chǎn)線的鈣鈦礦光伏組件的成本預計將低于1元/瓦，量產(chǎn)組件的工作壽命將達到25年以上。當產(chǎn)能擴大到1吉瓦以上時，鈣鈦礦組件的制造成本還將進一步下降到每瓦0.7元左右。

在國外，今年3月，牛津光伏從其最大股東梅耶博格技術公司購買了一條200 兆瓦異質結生產(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行。牛津光伏將這一生產(chǎn)線電池轉換率的初始目標定為27%。人們有理由相信，2020年或將成為人類光伏發(fā)電歷史上的拐點。目前太陽能還未能更好被人類利用，需要科研人員不斷努力，研究出更高效地產(chǎn)品，這樣才能保證我們?nèi)祟惖哪茉磯蛉祟惏l(fā)展所需。