什么是鈣鈦礦電池

鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）是利用鈣鈦礦型材料作為吸光層的新型化合物薄膜太陽能電池。鈣鈦礦的命名取自俄羅斯礦物學家Perovski的名字,結構為ABX3以及與之類似的晶體統(tǒng)稱為鈣鈦礦物質。鈣鈦礦型太陽能電池,即perovskite solar cells，是利用鈣鈦礦型的有機金屬鹵化物半導體作為吸光材料的太陽能電池。

鈣鈦礦電池

鈣鈦礦并不是專指一種含鈣和鈦的某種化合物，而是一類具有ABX3結構的晶體材料的總稱，可選的材質種類眾多。

鈣鈦礦電池的結構主要由以下幾個關鍵部分組成：透明導電基底、電子傳輸層、鈣鈦礦吸光層、空穴傳輸層和金屬電極。這些組成部分共同協(xié)作，使得鈣鈦礦電池能夠有效地吸收太陽光并將其轉化為電能。

透明導電基底：這是鈣鈦礦電池的基礎，通常采用摻氟的氧化錫（FTO）或摻銦的氧化錫（ITO）等材料制成，具有高透光性和良好的導電性。它的主要作用是引入太陽光并收集產生的電流。透明導電基底的選擇對鈣鈦礦太陽能電池的性能至關重要，因為它不僅影響光線的入射，還影響電流的導出。

電子傳輸層：位于透明導電基底和鈣鈦礦吸光層之間，主要作用是傳輸電子。常用的電子傳輸層材料包括二氧化鈦（TiO2）、氧化鋅（ZnO）等，這些材料具有良好的電子遷移率和穩(wěn)定性，能夠將鈣鈦礦吸光層中產生的電子傳輸到透明導電基底上。

鈣鈦礦吸光層：這是鈣鈦礦太陽能電池的核心部分，主要由ABX3結構的有機鹵化物鈣鈦礦材料構成。這些材料具有優(yōu)異的光電轉換性能，能夠有效地將太陽光的能量轉化為電能。鈣鈦礦吸光層的制備工藝和性能對鈣鈦礦太陽能電池的整體性能具有決定性影響。

空穴傳輸層：位于鈣鈦礦吸光層和金屬電極之間，主要作用是傳輸空穴。常用的空穴傳輸層材料包括Spiro-OmetaD等，這些材料能夠有效地提取和傳輸光生空穴，從而提高電池的光電轉換效率。

金屬電極：這是鈣鈦礦太陽能電池的最后一道工序，主要負責傳輸電荷并連接外電路。通常是在空穴傳輸層外面蒸鍍一層金、銀或鋁制成，以提高電極的導電性能。

鈣鈦礦太陽能電池的結構分類多樣，每種結構都有其獨特的特點和適用場景，通常包括正式介孔結構、正式平面結構以及反式平面結構。

鈣鈦礦電池的發(fā)展階段

HJT電池的發(fā)展歷程可以分為技術雛形期、技術累積期、快速發(fā)展期、爆發(fā)期四個階段。

鈣鈦礦電池的優(yōu)勢

相比較晶硅而言，鈣鈦礦具備三大核心優(yōu)勢即光電轉換效率高、原材料豐富且易于合成、生產工藝流程短、應用場景豐富。

光電轉換效率高

資料顯示，單結晶硅電池的理論極限效率約為29%，而鈣鈦光伏電池的單結理論效率可達31%；鈣鈦礦疊層電池，包括晶硅/鈣鈦礦的雙結疊層轉換效率可達35%，鈣鈦礦三結層電池理論效率可達45%以上，因此被業(yè)內認為有望成為下一代主流光伏技術。

材料豐富且易于合成

晶硅電池的基礎原料是多晶硅，需要消耗大量能源從提純原始硅材料。而鈣鈦礦電池制作過程無需硅料，制作金屬鹵化物鈣鈦礦所需原材料儲量豐富，價格低廉，且前驅液的配制不涉及任何復雜工藝，對純度要求不高，后續(xù)組件對加工環(huán)境要求也不高，組件生產過程不需要晶硅電池的千度左右的加工溫度，在生產過程中的能耗比較低，多數環(huán)節(jié)也不需要真空環(huán)境。目前，鈣鈦礦組件成本結構占比最多的是電極材料，達37%，鈣鈦礦自身材料成本占比僅為5%，鈣鈦礦組件未來仍有較大的降本空間。

生產工藝流程短

晶硅電池一般需要硅料、硅片、電池、組件四個生產制造階段，此過程需要至少耗時3天，而鈦礦電池的生產流程簡單，可在45分鐘內將玻璃、膠膜、靶材、化工原料在單一工廠內加工成為組件，產業(yè)鏈顯著縮短，價值高度集中。

應用場景豐富

鈣鈦礦具有輕質、柔性、弱光性高等特點，下游應用場景廣闊。包括光伏建筑、發(fā)電幕墻，、發(fā)電石材、車頂光伏、移動設備和電子產品、聯網傳感器等。隨著技術的推進，鈣鈦礦應用場景充滿想象空間。

鈣鈦礦電池工藝

鈣鈦礦電池吸光層制備工藝總體參照硅基薄膜、銅銦鎵硒薄膜等薄膜光伏制備工藝，分為濕法工藝和干法工藝兩大類。其中，濕法工藝又包括狹縫涂布和絲網印刷。

通常情況下鈣鈦礦電池企業(yè)在實驗室階段各種技術路線均會嘗試進行初步論證，而走向大面積100MW中試產線時目前大多數企業(yè)選用濕法工藝進行鈣鈦礦組件制備，少數企業(yè)選擇干法或涂布加蒸鍍兩步法工藝。

除吸光層外，單結鈣鈦礦電池核心層還包括電子傳輸層、空穴傳輸層。電子傳輸層和空穴傳輸層沉積技術路線較為相似，基本包括PVD（包含磁控濺射和蒸鍍法）、反應等離子沉積（RPD）和狹縫涂布三種。目前，產業(yè)界制備鈣鈦礦核心層主流路線包括PVD→狹縫涂布（絲網印刷）→RPD（PVD）、PVD→PVD（氣相沉積）→RPD（PVD）、PVD→狹縫涂布+PVD（蒸鍍）→RPD（PVD）三大類，不同技術路徑均有優(yōu)缺點，尚未形成統(tǒng)一的技術路徑。

涂布法鈣鈦礦電池整線工藝流程

涂布法鈣鈦礦電池整線生產工藝，分為前段電池制備和后端組件封裝，累計超過30多個環(huán)節(jié)。前段工藝主要包括前電極制備、激光劃線、鈣鈦礦吸光層、電子傳輸、空穴傳輸、背電極制備等，其中鈣鈦礦吸光層最為關鍵。后段工藝主要包括膠帶貼合、丁基膠涂敷、層壓及接線盒焊接、檢測等工序。

鈣鈦礦電池的企業(yè)布局

目前，鈣鈦礦電池技術已經發(fā)展到商業(yè)化量產的前夜。許多專業(yè)化的鈣鈦礦電池研發(fā)制造企業(yè)如協(xié)鑫光電、纖納光電、極電光能、萬度光能、仁爍光能等企業(yè)正在積極推進鈣鈦礦電池商業(yè)化量產。原有的晶硅電池企業(yè)則在積極推進鈣鈦礦、晶硅雙節(jié)電池的研發(fā)。

1、協(xié)鑫光電

協(xié)鑫光電材料有限公司成立于2019年底，公司專注于研發(fā)、生產1m*2 m尺寸的鈣鈦礦太陽能電池組件，2021年建成全球首條100MW鈣鈦礦太陽能電池生產線。母公司蘇州協(xié)鑫納米科技有限公司于2017年在蘇州建成一條10 MW級45cm×65cm鈣鈦礦光伏組件中試產線，通過采用自主研發(fā)的大面積鈣鈦礦Slot-die涂布方法，輔以大面積鈣鈦礦溶液結晶成膜技術和先進的內聯集成技術，可批量生產具有商用化價值的45cm×65cm產品，目前該產品的效率已超過15%，在同類產品中處于世界領先水平。

協(xié)鑫光電鈣鈦礦疊層組件

圖片來源：協(xié)鑫光電

2、纖納光電

2015年，三位浙江大學校友姚冀眾、顏步一博士、楊旸聯合創(chuàng)辦了纖納光電，成為最早一批研發(fā)并制造鈣鈦礦電池的公司。2016年纖納光電研發(fā)的的鈣鈦礦光伏組件光電轉換率達到15.24%，，刷新了日本科學家創(chuàng)造的12.1%的世界紀錄。2017年5月，纖納光電創(chuàng)造了16.0%的新的世界紀錄；2017年12月，纖納光電將這一紀錄提升至17.4%。從2017年到2022年，纖納光電又將鈣鈦礦的轉換效率從17%，提升至21.8%。

纖納光電發(fā)布α2鈣鈦礦組件

圖片來源：纖納光電

3、極電光能

極電光能是一家專業(yè)從事鈣鈦礦光伏、鈣鈦礦光電產品研發(fā)和制造的創(chuàng)新型高科技企業(yè)。公司起源于長城控股集團，2018年開始鈣鈦礦技術研發(fā)，2020年正式獨立面向全行業(yè)發(fā)展。極電光能建成首條全球規(guī)模最大、智能化程度最高的150MW鈣鈦礦光伏組件標桿生產線。全球首條GW級鈣鈦礦光伏組件量產線建設中。

極電光能鈣鈦礦光伏產品

圖片來源：極電光能

4、仁爍光能

仁爍光能成立于2021年底，專注高效率鈣鈦礦光伏電池的研發(fā)與制造。鈣鈦礦單結及疊層技術全球領先，連續(xù)七次創(chuàng)造鈣鈦礦電池光電轉換效率的世界紀錄，已申請核心專利60余件。2022年建成全球首條10MW全鈣鈦礦疊層研發(fā)中試線，2023年底投產150MW量產線，2024年規(guī)劃建設GW級大規(guī)模量產線。

仁爍光能正在與眾多車企積極洽商汽車頂棚鈣鈦礦光伏電池業(yè)務合作

圖片來源：仁爍光能

5、眾能光電

杭州眾能光電科技有限公司創(chuàng)立于2015年8月，由清華校友創(chuàng)辦，專注于鈣鈦礦太陽能器件和相關裝備的產業(yè)化，成為國內第一家大面積組件效率突破15%的光電企業(yè)。

眾能光電MW級鈣鈦礦太陽能電池全自動產線

圖片來源：眾能光電

鈣鈦礦電池的未來發(fā)展趨勢

目前，行業(yè)普遍認為鈣鈦礦與晶硅電池組成的疊層電池是未來重要的技術方向。因此行業(yè)普遍看好鈣鈦礦電池的發(fā)展趨勢，而且鈣鈦礦電池也受到光伏企業(yè)以及資本的青睞。行業(yè)預計2030年鈣鈦礦電池產能將達到461GW。

據光伏頭條（微信號：PV-2005）不完全統(tǒng)計，2023年距今，脈絡能源、眾能光儲、黑晶光電、仁爍光能、極電光能等企業(yè)共計15次融資事件。融資金額少則數千萬元，多則上億元。

對于鈣鈦礦電池技術而言，其最大的優(yōu)勢在于未來性，這使其具有潛在的投資價值，因此也受到各大資本、投行的重視。

內容資料參考來源： 儲能蓄電池、勢銀、智研咨詢、協(xié)鑫光電、纖納光電、極電光能等