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十年以前，倘若說在一切事物上鋪設使用太陽能電池，為世界提供無窮無盡的廉價能源，看起來是毫無根據的，缺少的是一種高效率、低成本和可高度生產的材料。
這種材料就是鈣鈦礦。
對于鈣鈦礦太陽能電池(PSC)，業界存在著許多誤解，來自各種各樣的外行報道更是加劇了人們的困惑。像所有新技術的產生一樣，在鈣鈦礦產業發展過程中，對其不看好聲音比比皆是。
本文為你還原一個客觀真實的鈣鈦礦。
鈣鈦礦的由來
鈣鈦礦由170年前在俄羅斯烏拉爾山脈首次發現的結晶立方體和類金剛石結構中的一類礦物組成，它以俄羅斯礦物學家列夫·佩羅夫斯基的名字命名，大量存在于地球地幔中，少量也存在于近地表礦床中。除此之外，鈣鈦礦也可以由用于太陽能電池和其他用途的化學品合成，其中包括發光二極管、催化劑電極、燃料電池、集成電路芯片、激光和傳感器等等。
鈣鈦礦可以作為一種光伏電池材料最初是在實驗室測試時發現的。2000年代中期，當時雖然將它用作太陽能電池的研究并不成功，但鈣鈦礦化合物相當強的光反應能力就此挖掘。近10年來，采用大約30cmx 30cm的面積，學術界、國家實驗室和光伏企業在實驗室環境中的鈣鈦礦效率從2%提高到29%，。對比回顧其他太陽能電池技術發展史，不得不說這是一個驚人的進步，要知道，其他電池技術普遍花費了40多年時間才達到實驗室規模的效率。
鈣鈦礦電池優勢
鈣鈦礦在太陽能電池組件領域具有許多優點：
它有很寬的帶隙，這意味著更大的光電轉換率；
目前的實驗室效率反映了其與硅晶體和其他薄膜產品的效率差距，串聯鈣鈦礦電池有一個可行的路線圖，效率可達33%以上；
鈣鈦礦的生產主要通過溶液處理，過程高度簡化，不需要高成本的機械和設備；
它是作為薄膜產品制造的，因此材料使用減少了20倍；
它不需要稀土或供應有限的材料；
鈣鈦礦具有很高的缺陷耐受性，在大于300 W的組件中工作時，可產生較高的制造成品率和易加工性(目前的薄膜需要特殊的工程、成本和風險來增加制造沉積面積)；
基于鈣鈦礦的組件可以被塑造成傳統的矩形光伏組件，也可以是柔性的，開辟了新的應用和市場；
鈣鈦礦型太陽能組件的制造取決于所采用的制造方法，受環境影響很小；
投資回報是以幾個月和幾年來衡量的。
為鈣鈦礦正名
而有關鈣鈦礦太陽能電池，最常見的誤解是穩定性和毒性:
穩定性
光誘導的組件降解和環境穩定性是被反對聲音不斷引用的方面。早期，鈣鈦礦電池的穩定性是一個很大的問題。但是正如組件效率有了飛速提升一樣，穩定性也早已有了快速的進步。
光引起的降解現在已經被很好的理解了：主要障礙是鈣鈦礦電池兩側電子轉移層材料的選擇。多個實驗室已經成功替代了新材料并解決了該問題。
在風化方面，就像其他薄膜和晶硅太陽能電池一樣，暴露在潮濕空氣和其他常見的環境物質中會導致鈣鈦礦組件的快速降解。采用標準的組件包裝方案，環境的影響得到了很大程度的解決。這不得不提到早期的銅銦鎵硒化鎵(CIGS)組件的發展，在當時，人們普遍提到的是對水分的不耐受性。但是現在基于CIGS的組件已經被廣泛使用，沒有重大的環境穩定性問題。
鈣鈦礦光伏電池的光誘導降解參數已經通過了超過1，000小時的生命周期測試(新技術的光伏產業標準)，其中有些甚至高達10，000小時。
與機械耐久性、外加電壓加熱以及電流-電壓行為有關的其他穩定性問題在測試過程中也同樣被解決。
在光誘導和環境穩定性方面，TNO、imec和Eindhoven大學最近的一篇論文展示了采用標準制造方法封裝的鈣鈦礦太陽能組件，成功地完成了標準光伏產業穩定性測試，包括光浸、濕熱和熱循環。
鉛
鈣鈦礦組件結構是一種最常見的甲基銨鉛鹵化物，然而鈣鈦礦電池鉛的用量很小，一塊鈣鈦礦電池組件僅含2g鉛，相比之下，平均一塊晶硅板含鉛量達16g。（☞☞穩定性？毒性？協鑫告訴你鈣鈦礦到底行不行）
由于鉛是一種有毒的金屬物質，所以它需要在從制造到壽命結束的各個應用場合嚴格控制，特別是當鉛以水溶性的形式使用時，比如鈣鈦礦太陽能電池。鉛回收是世界上最大和最完整的材料產業，鈣鈦礦電池行業在一定程度上來說將只使用總量的0.0007g。
鈣鈦礦的下一個十年
未來10年鈣鈦礦電池發展面臨的重大挑戰是什么？除致力于達到理論效率極限外，需要將小面積鈣鈦礦電池積累的技術經驗轉移到大面積組件和疊層結構器件的商業化生產中，也需要保證鈣鈦礦電池的長期穩定性。除此，未來可能會發展可回收的鈣鈦礦電池材料。因此，預測將在以下方面進行研究：
實現轉換效率的理論極限值。根據相關參數分析，開路電壓（VOC）和填充因子(FF)實驗數據與理論值之間存在一定程度的差距。據報道，VOC和FF與非輻射復合有關，包括Shockley-Read-Hall復合和界面復合。因此，需要對界面和晶界進行研究，以便更好地理解復合的起源。人們提出了不同的界面工程技術，但觀察到的數據仍顯示與理論上值VOC(1.33V)和FF(0.91)存在差異。目前需要尋求一個通用有效的方法在單結鈣鈦礦電池上獲得超過30%的轉換效率。
大面積涂層溶液的研究。大面積涂層旋涂過程中的向心力允許在涂層溶液中使用高沸點極性非質子溶劑形成鈣鈦礦薄膜。然而，用于旋涂方法的極性非質子溶劑溶液僅適用于超過10×10 cm的大面積涂層，這意味著需要為沒有向心力的大面積涂層開發新的涂層溶液。
回收技術。為避免鉛浪費，回收技術是十分重要的。可以對廢棄的鈣鈦礦太陽能組件進行化學處理以溶解鈣鈦礦，需要開發有效的收集鉛的方法，特別是收集鉛I2、導電襯底和金屬電極，實現完全可循環利用。
基于鈣鈦礦的串聯技術。疊層結構被認為是鈣鈦礦電池進入光伏市場的有效途徑之一。鈣鈦礦電池可以用作頂部單元，較窄的帶隙Si或CIGS放置在底部。需要對最佳帶隙進行設計，以達到效率的最大化；此外，還應進行光電管理方面的研究，以改善最終疊層結構中的光伏參數；就疊層電池結構而言，鈣鈦礦頂部電池的正向或反向結構取決于半導體Si的類型。例如，使用p型Si底部電池和在Si底部電池頂部的倒置鈣鈦礦結構報告了超過25%的轉換效率；除了雙結之外，三結也可能得到更高的轉換效率。模擬結果預測，底部具有1.1 eV 硅，中部具有1.44 eV鈣鈦礦，頂部具有1.95 eV鈣鈦礦的三結單元可產生約39%的效率。
鈣鈦礦電池產業現狀
進入2020這個轉折點，單結鈣鈦礦-硅疊層太陽能電池便以29.15%的最新效率再次刷新效世界記錄，打破了此前牛津光伏公布了鈣鈦礦-硅疊層電池28.0%轉化效率（☞☞28%，接連打破記錄的鈣鈦礦電池橫空出世！），牛津光伏作為最早一批布局鈣鈦礦的光伏企業其28.0%轉化效率通過了美國國家可再生能源實驗室（NREL）認證。
與此同時，國內光伏企業對鈣鈦礦的布局也在加快鈣鈦礦電池的量產化進程。
杭州纖納光電首條20MW鈣鈦礦量產產線生產的鈣鈦礦組件（200cm-800cm）效率達到11.98%，打破了日本東芝公司保持的前世界紀錄。
2019年2月，協鑫集團旗下蘇州協鑫納米科技有限公司率先建成10兆瓦級大面積鈣鈦礦組件中試生產線，完成了相關材料合成及制造工藝的開發。領跑者創新論壇《☞☞2019首屆鈣鈦礦產業化大會》上，協鑫宣布并已開始100兆瓦量產生產線的建設工作，計劃于今年實現鈣鈦礦光伏組件的商業化生產。在1241.16平方厘米的有效面積上，☞☞協鑫納米實用化鈣鈦礦組件效率達到了15.31%。
為了滿足聯合國減排計劃所需的全球能源總量的20%，光伏產業將需要在未來30年內每年安裝300至500 GW的線性增長，這使供應鏈面臨的巨大挑戰。晶硅組件工業的大型資本密集問題將太陽能供應限制在全球能源總量的5%。人們普遍誤解，晶硅組件的低利潤率主要是由于它們是高度商品化的產品，資本密集正在阻止巨大而持久的利潤率，加劇了供應鏈規模擴大的融資挑戰。
太陽能的成本仍然很高，從許多研究來看，太陽能的安裝成本需要低于2.1元/W才能解決這一問題，即使與低成本的儲能相結合也是如此，而鈣鈦礦太陽能以其獨特的簡化制造屬性、原材料、性能和小的環境影響，使其具有高度的可擴展性。根據不同的商業模式，鈣鈦礦組件可以在比其他太陽能工廠便宜50%的設施中制造，而且使用的材料也較少。支持鈣鈦礦電池制造的供應鏈也很小，工廠更靠近終端市場。下一個階段，鈣鈦礦電池能夠以多快的速度通過某一特定生產方法從而實現大批量生產應用？讓我們拭目以待。

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