鈣鈦礦是一種具有很強光電轉換效率的材料結構，其原材料具有成本較低、能耗較低、生產效率較高等優勢，在光伏應用領域潛力巨大，被認為是未來太陽能市場的顛覆者。
在光伏行業對“降本增效”的極致追求下，鈣鈦礦技術受到前所未有的關注，轉換效率不斷突破，產業化發展進程加速，正悄然崛起為下一代光伏新勢力，吸引眾多企業以及資本大佬“跑步入場”。據不完全統計，在2021—2022年，鈣鈦礦領域投資額已近100億元。
在此背景下，鈣鈦礦產業化進展也迎來了明顯加速。協鑫光電、纖納光電、極電光能的100MW、100MW、150MW鈣鈦礦生產線已正式運行，GW級產線均在規劃中，最快將于2023年下半年投產。
鈣鈦礦為啥這么火？本文將介紹鈣鈦礦光伏的原理、優勢和應用前景。
鈣鈦礦光伏的原理
鈣鈦礦光伏利用鈣鈦礦結構材料作為光吸收層，將太陽光轉化為電能。鈣鈦礦材料不是指用狹義的“鈣鈦礦CaTiO3”做的材料，而是指一類與鈣鈦礦晶體結構類似的 “ABX3”化合物。
“ABX3”結構分子示意圖
鈣鈦礦材料具有優異的光電轉換性能，其特殊的晶體結構能夠實現高效率的電荷分離和傳輸。這使得鈣鈦礦光伏在相對較低的成本下，能夠實現比傳統硅太陽能電池更高的能量轉換效率。
它的光電轉化原理可以簡要概括為以下幾個步驟：
01光吸收
光線進入鈣鈦礦材料后，光子被吸收，引發材料中的電子激發。
02電子分離
光激發后的電子和空穴被分離。鈣鈦礦材料中的電子和空穴具有較高的遷移率，因此它們能夠快速分離并沿著電子傳導層和空穴傳導層移動。
03電荷傳輸
分離的電子通過電子傳導層向電極流動，而空穴則通過空穴傳導層向另一個電極流動。在這個過程中，電子和空穴的流動形成了電流。
04電流輸出
電流通過外部電路連接的導線傳輸到負載中，從而產生電能。
鈣鈦礦電池的優勢
1高效率
鈣鈦礦光伏的能量轉換效率已經超過了傳統硅太陽能電池，甚至可以接近理論極限。目前的實驗室記錄已經超過了25%，并持續提升中。 目前各種晶硅組件不同技術的理論極限分別為：
※晶體硅太陽能電池理論極限效率：29.43%；
※普通單晶硅電池理想條件下最高效率為24.5％；
※HJT電池理想條件下最高效率為27.5％；
※TOPCon電池具有更加高的效率上限：28.2%-28.7%。
從理論極限來看，鈣鈦電池單層電池理論效率極值可達31%，晶硅/鈣鈦礦雙節疊層轉換效率可達35%，而三節層電池理論極限可能升值至45%以上。而如果摻雜新型材料，鈣鈦礦電池的轉換效率最高能達到驚人的50%，是目前晶硅電池的2倍左右。
2低成本
相比于傳統太陽能電池制造工藝復雜、成本高昂，鈣鈦礦光伏的制造過程更簡單、成本更低。材料成本低廉且易于制備，可以大規模生產，降低太陽能系統的總體成本。
綜合效率和成本比較，GaAs雙結疊層電池達到了32.8%的實驗室最高記錄，優于鈣鈦礦。但產業化繞不開成本，由于GaAs技術工藝復雜，原材料價格十分昂貴，低成本大規模量產難以滿足光伏商業化要求。而和晶硅電池項目比，晶硅對雜質非常敏感，純度必須達到99.9999%以上才能用于制造，而鈣鈦礦對雜志不敏感，通常90%左右純度的鈣鈦礦就可以用于制造效率超20%的電池。
光伏企業投資1GW晶硅電池，需要從硅料、硅片、電池、組件合計超過9億元；而協鑫納米披露的數據顯示，其建造的鈣鈦礦百兆瓦產線投資為1億元，1GW的投資僅為5億元。也就是說，1GW鈣鈦礦電池的投資強度僅為晶硅的一半。
因此，成本更具優勢的鈣鈦礦/HJT疊層電池被認為是突破30%轉換效率的最具性價比的技術路線。
3靈活性
鈣鈦礦材料可以靈活應用于不同的基底材料上。鈣鈦礦材料具有很高的可調性，可以通過調整化學成分和晶體結構的方式來實現不同性能的定制化，如柔性基板和透明基板，可穿戴設備、智能手機等。
晶硅太陽能電池中的硅片厚度通常為160-180微米，而鈣鈦礦太陽能電池中鈣鈦礦層的厚度僅為0.3微米。鈣鈦礦太陽能電池采用低溫溶液法制備即可實現優異的光電性能，十分適合制備成柔性電池，以便與航空、軍事、建筑、可穿戴式發電器件集成在一起，極大拓寬了應用場景。目前，柔性鈣鈦礦太陽能電池的最高光電轉換效率已達21.7%。
4低光衰減
鈣鈦礦材料對光的吸收范圍光，能夠有效利用可見光和近紅外光譜區域的光能。此外，鈣鈦礦電池對光衰減的抵抗能力較強，即使在弱光條件下仍能保持較高的能量轉換效率。這使得鈣鈦礦電池在不同環境下都能有出色的性能，尤其在室內光伏領域。鈣鈦礦電池可吸收室內環境中低強度光進而輸出微瓦到毫瓦的電能。近日，暨南大學的麥耀華團隊獲得了獨立第三方認證超過36%的大面積鈣鈦礦室內光伏組件轉換效率，為當前已報道的世界最高值。
鈣鈦礦光伏應用前景
鈣鈦礦光伏技術在各個領域都具有廣闊的應用前景：
建筑一體化：由于鈣鈦礦光伏材料可以制備成透明、半透明的形式，可以應用于建筑幕墻、窗戶和屋頂等，將太陽能電力與建筑結合，實現建筑一體化的能源生產。
移動設備和電子產品：鈣鈦礦光伏的柔性特性使其適用于移動設備、智能手表、電子標簽等小型電子產品的供電，為無線充電和可穿戴設備提供新的能源解決方案。
光伏電站：鈣鈦礦光伏電池具有高效率和低成本的特點，可以用于大型光伏電站的建設，提供清潔、可持續的電力供應。
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