鈣鈦礦電池，自“出生”就“天賦(fu)異稟(bing)”，得到了廣泛的(de)關注。其不僅可以做得更加輕薄，還具有低成本和易制備(bei)的(de)優(you)點以及弱光效(xiao)率高的(de)優(you)勢。

光伏(fu)電(dian)池(chi)是一種(zhong)通過光電(dian)效應(ying)將太(tai)陽能轉化成電(dian)能的(de)裝置，具有廣(guang)闊的(de)發展(zhan)和(he)(he)應(ying)用前景。鈣鈦礦(kuang)太(tai)陽能電(dian)池(chi)（以下簡稱鈣鈦礦(kuang)電(dian)池(chi)）作(zuo)為一種(zhong)新(xin)型的(de)光伏(fu)電(dian)池(chi)，也在近(jin)年(nian)逐漸嶄露頭角。近(jin)日，科技部等九部門(men)聯合印發《科技支(zhi)撐碳(tan)達峰碳(tan)中和(he)(he)實施方案（2022—2030年(nian)）》，也對鈣鈦礦(kuang)電(dian)池(chi)這(zhe)一新(xin)型電(dian)池(chi)有所提(ti)及(ji)。

那么，什么是鈣鈦礦(kuang)電池(chi)？其相比傳統太陽能電池(chi)有(you)哪些(xie)不同之處？未來將有(you)哪些(xie)應用場(chang)景(jing)？科(ke)技日報記者就此采(cai)訪了多(duo)位深耕于鈣鈦礦(kuang)電池(chi)領(ling)域(yu)的專家(jia)。

結構形似“三明治”的新型光伏電池

鈣鈦(tai)礦(kuang)電池(chi)由染料(liao)敏化(hua)電池(chi)演化(hua)而來，指采(cai)用鈣鈦(tai)礦(kuang)材(cai)料(liao)作為吸光(guang)層材(cai)料(liao)的電池(chi)。

作(zuo)為(wei)新(xin)一代太(tai)陽(yang)能電(dian)池(chi)，鈣鈦礦(kuang)電(dian)池(chi)工作(zuo)原理與傳統太(tai)陽(yang)能電(dian)池(chi)并無不同。它的(de)結構(gou)形似“三(san)(san)明(ming)治”，典型結構(gou)有5層。兩個電(dian)極就像三(san)(san)明(ming)治的(de)兩片面包分別位于最(zui)(zui)外層，由外向內挨著電(dian)極的(de)是空穴(xue)傳輸層和電(dian)子傳輸層，而鈣鈦礦(kuang)層則居于最(zui)(zui)中間。

當太陽(yang)光(guang)照在鈣鈦(tai)礦(kuang)(kuang)電(dian)(dian)池上，太陽(yang)光(guang)光(guang)子(zi)能(neng)量大于帶(dai)隙時，鈣鈦(tai)礦(kuang)(kuang)層吸收光(guang)子(zi)產(chan)生“電(dian)(dian)子(zi)—空(kong)穴對”。電(dian)(dian)子(zi)傳(chuan)輸(shu)層將分(fen)離出來的(de)(de)電(dian)(dian)子(zi)傳(chuan)輸(shu)到(dao)負(fu)極上；空(kong)穴傳(chuan)輸(shu)層則將與(yu)電(dian)(dian)子(zi)分(fen)離的(de)(de)空(kong)穴傳(chuan)輸(shu)到(dao)正(zheng)極上，進一步(bu)在外電(dian)(dian)路形(xing)成(cheng)電(dian)(dian)荷定向移動，從(cong)而產(chan)生電(dian)(dian)流，實現光(guang)能(neng)向電(dian)(dian)能(neng)的(de)(de)轉換。

北京理工(gong)大學材料(liao)學院教授陳(chen)棋這(zhe)樣形(xing)容鈣(gai)鈦礦電池(chi)的工(gong)作原理：“如果(guo)說(shuo)太陽能電池(chi)本身是一間教室的話，男同學和女同學則(ze)是電子和空穴。當(dang)光照到太陽能電池(chi)，就(jiu)好像下課鈴響起了一樣。這(zhe)時(shi)，男同學就(jiu)會排隊從(cong)后(hou)門出來(lai)，女同學就(jiu)排隊從(cong)前門出來(lai)，從(cong)而(er)形(xing)成電荷定向運動(dong)。”

鈣鈦礦電池有三大突出優勢

鈣鈦礦電池因材料特殊，自(zi)“出生”就“天賦異稟(bing)”，得到了廣泛的關注(zhu)。

2016年《“十三五”國(guo)家戰略性新興(xing)產業(ye)發展規劃》中就提及(ji)，要(yao)“加強鈣鈦(tai)礦(kuang)、染料敏(min)化、有機等新型高(gao)效低成本太(tai)陽(yang)能電(dian)池技術研(yan)發”。

重慶大學物(wu)理學院(yuan)教(jiao)授、博士生(sheng)導師鄧業浩表示，相比市場上(shang)常(chang)見的晶硅太陽能(neng)電池(chi)，鈣鈦礦電池(chi)有三大突出優勢。

首先，鈣(gai)鈦(tai)(tai)礦材料本身的(de)吸(xi)光能力強。在(zai)太(tai)陽(yang)光的(de)主要波(bo)長下，鈣(gai)鈦(tai)(tai)礦材料的(de)吸(xi)光能力可(ke)達晶硅的(de)10倍以上。因此，在(zai)太(tai)陽(yang)能轉換效率相當的(de)情況下，鈣(gai)鈦(tai)(tai)礦電池(chi)可(ke)以做得更薄(bo)。“這將極大地拓展產品形式，豐(feng)富應用場景。”鄧業浩(hao)說。

其次(ci)，鈣鈦礦電(dian)池具有(you)(you)低(di)成本(ben)(ben)和易(yi)制(zhi)備的優(you)點。鄧業(ye)浩說：“鈣鈦礦材(cai)料是一種(zhong)合成材(cai)料，其原料本(ben)(ben)身沒有(you)(you)稀有(you)(you)金屬，并(bing)且可以通過溶液制(zhi)備。因而鈣鈦礦材(cai)料的制(zhi)造成本(ben)(ben)較(jiao)低(di)，制(zhi)備容易(yi)。”

最后，鈣(gai)鈦礦材料(liao)(liao)還具有弱光效(xiao)率高(gao)(gao)的(de)(de)(de)優勢。在陰天弱光的(de)(de)(de)條(tiao)件下，鈣(gai)鈦礦材料(liao)(liao)不僅可以吸收短波(bo)光，還可以將能量轉化效(xiao)率保持(chi)在相對(dui)穩定的(de)(de)(de)狀態。鈣(gai)鈦礦材料(liao)(liao)的(de)(de)(de)這(zhe)一特點使(shi)得鈣(gai)鈦礦電池(chi)作為一種薄膜型(xing)光伏電池(chi)，不僅可以做(zuo)成單(dan)層電池(chi)，理論(lun)上還可以疊(die)(die)加(jia)在各種電池(chi)材料(liao)(liao)表面，形(xing)成疊(die)(die)層電池(chi)，從而有效(xiao)提高(gao)(gao)太陽(yang)光的(de)(de)(de)利用(yong)效(xiao)率。

鄧業浩表示，從(cong)目(mu)前(qian)實驗(yan)室(shi)測得(de)的結果來看(kan)，經過幾十年發展的晶硅(gui)太(tai)陽能電(dian)池(chi)的最高轉化效率為26.7%，而目(mu)前(qian)鈣(gai)鈦礦(kuang)電(dian)池(chi)的轉化效率就(jiu)已經可以(yi)達到25.7%，鈣(gai)鈦礦(kuang)電(dian)池(chi)未(wei)來可期(qi)。

走出實驗室還需補齊兩個短板

盡管在理論上(shang)、實驗室中鈣(gai)鈦礦電池有相當大的優勢，可是(shi)從產業化角度來看，鈣(gai)鈦礦電池仍處于萌芽狀(zhuang)態。這是(shi)由(you)于其本(ben)身存在兩個短板，即穩定(ding)性較差和大面積應(ying)用時的效率損失。

首先(xian)，是穩定(ding)性較差(cha)這一(yi)問(wen)題(ti)。

陳棋表示，盡(jin)管在實驗室中，鈣鈦礦電(dian)池可以實現較高(gao)的(de)光電(dian)轉換效率。但其在實際應(ying)用(yong)中，仍受到諸(zhu)多條件的(de)制約。

北京曜能科(ke)技有限公司(si)董事長孫于(yu)超表示，業內(nei)正在(zai)從多方面努(nu)力，以解決(jue)鈣(gai)鈦礦電(dian)池面臨的(de)問題。以穩(wen)(wen)定性(xing)問題為例(li)，解決(jue)該問題最直接(jie)的(de)一(yi)種手(shou)段(duan)，就是針對鈣(gai)鈦礦材(cai)(cai)(cai)料(liao)本(ben)身(shen)的(de)改性(xing)。即(ji)通過(guo)(guo)結構(gou)設計、元素替換、添加摻雜等(deng)手(shou)段(duan)，讓材(cai)(cai)(cai)料(liao)本(ben)身(shen)變得穩(wen)(wen)定，提高材(cai)(cai)(cai)料(liao)的(de)本(ben)征穩(wen)(wen)定性(xing)。另一(yi)種可(ke)行的(de)手(shou)段(duan)，是通過(guo)(guo)工藝(yi)和工程手(shou)段(duan)隔絕外(wai)界的(de)不(bu)穩(wen)(wen)定因(yin)素，即(ji)隔絕水、熱等(deng)環境因(yin)素，從而(er)減少乃至避(bi)免外(wai)界不(bu)穩(wen)(wen)定因(yin)素對于(yu)材(cai)(cai)(cai)料(liao)和器件的(de)影響。

對此，中國(guo)科學院電工(gong)研究(jiu)所太陽電池(chi)技術研究(jiu)部主任王文靜表示，從外(wai)圍手段(duan)隔(ge)絕不穩定因素，尚需(xu)經過大量(liang)的室外(wai)驗證。據了解，目(mu)前已報道(dao)的鈣鈦(tai)礦電池(chi)其最長工(gong)作(zuo)壽命往往只能達到幾千(qian)小時(shi)，遠低(di)于晶硅電池(chi)。

除了穩定性問(wen)(wen)題外，大面積(ji)應(ying)用時(shi)的效率損失(shi)問(wen)(wen)題是鈣鈦礦電池的另(ling)一短板(ban)。

“在(zai)效率上(shang)，其(qi)實鈣鈦(tai)礦電池完全可以進行商業(ye)化應(ying)用。但(dan)是如何(he)從實驗(yan)室的小面積(ji)，擴(kuo)展到實際應(ying)用場景(jing)中的大面積(ji)，是其(qi)商業(ye)化需要(yao)面臨的一個(ge)嚴峻挑(tiao)戰。”王文(wen)靜坦(tan)言(yan)，目前實驗(yan)室里制(zhi)造(zao)的鈣鈦(tai)礦電池只有(you)指甲蓋大小，與(yu)市場需要(yao)的太陽能電池在(zai)尺寸上(shang)相距甚(shen)遠(yuan)。

鈣鈦礦(kuang)材料本身的(de)結晶時間短，生(sheng)產中(zhong)(zhong)的(de)工(gong)藝窗(chuang)口時間只有幾秒，造成了生(sheng)產上(shang)的(de)困難。除此以外，在制(zhi)備鈣鈦礦(kuang)電(dian)池(chi)的(de)過程中(zhong)(zhong)，一個壞點(dian)、一個灰塵(chen)都有可能影響(xiang)(xiang)整(zheng)個電(dian)池(chi)面板(ban)的(de)效率(lv)(lv)，影響(xiang)(xiang)了其大面積應用(yong)時的(de)效率(lv)(lv)。

“目前來看，鈣(gai)(gai)鈦礦電池制備(bei)技(ji)術需要(yao)解決如何讓鈣(gai)(gai)鈦礦的薄膜更加致密平整，以(yi)及如何保證(zheng)環境(jing)清(qing)潔，避免灰塵等因(yin)素干擾提升(sheng)良品率兩個問題。設計(ji)更為先進的制備(bei)技(ji)術，能有效(xiao)保證(zheng)鈣(gai)(gai)鈦礦電池在(zai)大(da)面(mian)積應用(yong)時的效(xiao)率。”王文(wen)靜說(shuo)。

我國鈣鈦礦光伏技術未來可期

盡管(guan)鈣(gai)鈦(tai)礦電池有諸多不(bu)確(que)定性，但學界不(bu)少(shao)專家(jia)仍對其未(wei)來持樂觀態度(du)。

陳棋表(biao)示，目前我國(guo)在(zai)鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)電(dian)池(chi)的學術(shu)研(yan)究(jiu)和(he)產業研(yan)究(jiu)上，具有兩(liang)個最大的優(you)勢：一是研(yan)究(jiu)群(qun)體大，國(guo)內(nei)研(yan)究(jiu)鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)電(dian)池(chi)的企業、機(ji)構遠比國(guo)外多；二是國(guo)內(nei)有非常巨大的產業基(ji)礎，光伏(fu)市場和(he)光伏(fu)制造業在(zai)中國(guo)呈現蓬(peng)勃之勢。

“我(wo)國鈣(gai)鈦礦光伏技術的未來，可謂前(qian)途無量。”陳棋說。

在鈣鈦(tai)礦電(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)(de)未來(lai)應用方(fang)面，孫于(yu)(yu)超表示，鈣鈦(tai)礦技術(shu)最(zui)有(you)價值(zhi)的(de)(de)(de)(de)應用場景是在大(da)規模光(guang)伏(fu)發(fa)(fa)電(dian)(dian)領域(yu)。鈣鈦(tai)礦在與晶(jing)硅(gui)結合組(zu)成(cheng)疊層電(dian)(dian)池(chi)后，可以大(da)幅提高現(xian)有(you)光(guang)伏(fu)組(zu)件的(de)(de)(de)(de)發(fa)(fa)電(dian)(dian)效率，從而(er)進一(yi)步降(jiang)低發(fa)(fa)電(dian)(dian)成(cheng)本(ben)，加快對(dui)于(yu)(yu)傳統化石(shi)能源的(de)(de)(de)(de)替代，助力我國(guo)“雙碳”目標實現(xian)。此(ci)外，鈣鈦(tai)礦電(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)(de)厚度僅(jin)為(wei)晶(jing)硅(gui)電(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)(de)千分之(zhi)一(yi)，柔性輕(qing)便(bian)的(de)(de)(de)(de)特(te)質(zhi)使其具(ju)有(you)豐富的(de)(de)(de)(de)應用場景，例如用于(yu)(yu)穿戴(dai)式發(fa)(fa)電(dian)(dian)裝置、光(guang)伏(fu)玻(bo)璃建筑一(yi)體化、野外臨時發(fa)(fa)電(dian)(dian)設備等，甚至可以運用于(yu)(yu)太空發(fa)(fa)電(dian)(dian)。

奮戰在(zai)鈣鈦(tai)(tai)礦(kuang)電池(chi)領域多年，孫于(yu)超和(he)科研團隊(dui)見證了鈣鈦(tai)(tai)礦(kuang)電池(chi)從不為(wei)人知(zhi)，到漸(jian)漸(jian)走入大眾視(shi)野。在(zai)得知(zhi)《科技支撐碳達峰碳中(zhong)和(he)實(shi)施方案(2022—2030年)》中(zhong)提(ti)及“要研發高效(xiao)穩定的(de)鈣鈦(tai)(tai)礦(kuang)電池(chi)”后，孫于(yu)超興(xing)奮地表示：“鈣鈦(tai)(tai)礦(kuang)電池(chi)的(de)好時候到了！”

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