2月27日，杭州纖納光電公司宣布其鈣鈦礦太陽能微組件經過美國Newport認證，效率達到17.4%，這一結果打破了該公司此前保持的效率記錄。對比市場上應用最廣的多晶硅太陽能技術，從上世紀50年代由美國貝爾實驗室發明之后，直到2010年其組件效率才突破17%(京瓷54片電池組件)。而從技術潛力來看，目前實驗室效率最高的鈣鈦礦電池效率已經達到22.7%(小面積)，超越了天合此前21.3%的多晶硅電池效率記錄。以及2017年9月Fraunhofer ISE刷新的多晶硅太陽能電池22.3%效率記錄(3.9 cm2)。這一技術究竟是怎樣自2009年誕生以來獲得了如此神速的發展，我國在2017年又在鈣鈦礦技術方面取得了哪些突破，下面就為大家盤點一番。

根據MaterialsViews編輯部對鈣鈦礦太陽能電池的介紹：

鈣鈦礦太陽能電池核心是具有鈣鈦礦晶型(ABX3)的有機金屬鹵化物吸光材料。在這種鈣鈦礦ABX3結構中，A為甲胺基(CH3NH3)，B為金屬鉛原子，X為氯、溴、碘等鹵素原子。目前在高效鈣鈦礦型太陽能電池中，最常見的鈣鈦礦材料是碘化鉛甲胺(CH3NH3PbI3)，它的帶隙約為1.5 eV，消光系數高，幾百納米厚薄膜就可以充分吸收800 nm以下的太陽光。而且，這種材料制備方便，將含有PbI2和CH3NH3I的溶液，在常溫下通過旋涂即可獲得均勻薄膜。上述特性使得鈣鈦礦型結構CH3NH3PbI3不僅可以實現對可見光和部分近紅外光的吸收，而且所產生的光生載流子不易復合，能量損失小，這是鈣鈦礦型太陽能電池能夠實現高效率的根本原因。

鈣鈦礦薄膜太陽能電池的發展起源于染料敏化太陽能電池，且受益于敏化太陽能電池和有機太陽能電池等在過去二十年里積累的相關技術，材料方面一經突破，就在結構和工藝上得以獲得飛速發展。從2009年問世以來，經過8年時間，效率已經從3.8%提升至22.7%。該技術被《Science》評選為2013年十大科學突破之一，更是在今年的諾貝爾化學獎公布前被廣泛認為是有力的競爭候選。

2017年7月，由韓國化學研究所(KRICT)和韓國蔚山國家科學與技術研究院(UNIST)的Sang-Il Seok教授團隊的聯合取得22.1%的效率記錄(小面積)。之后，該團隊又將最新的鈣鈦礦太陽能電池效率提高到22.7%(面積0.07cm2)。該項目記錄此前也由這支韓國團隊和洛桑聯邦理工學院(EPFL)交替保持。

韓國團隊的電池結果

在國內，中國科學院半導體研究所材料科學重點實驗室蔣琦博士今年也在游經碧研究員與張興旺教授的指導之下采用兩步連續沉積法對平面結構鈣鈦礦太陽能電池中的PbI2含量進行控制，成功獲得了小尺寸21.1%(0.0737 cm2)和大尺寸20.9%(1 cm2)的鈣鈦礦太陽能器件。

中科院蔣琦博士結果

不僅在電池的研發方面國內學者緊追不舍，在電池的產業化方面，國內的科研機構和公司更是站在了世界的前列。2017年9月上海交大材料科學與工程學院韓禮元教授團隊宣布經過3年努力，解決了在大面積高質量鈣鈦礦薄膜制備的難題，開發出了有效面積36.1 cm2的鈣鈦礦電池微組件，在日本產業技術綜合研究所(AIST)獲得了12.1%的認證效率。韓禮元教授此前任職于日本國立材料研究所(NIMS)，在染料敏化太陽能電池和鈣鈦礦領域均有重要貢獻。

上海交大團隊鈣鈦礦太陽能微組件

而另一支武漢理工大學的程一兵教授團隊在2017年8月宣布其10cm x 10cm玻璃基板鈣鈦礦太陽能電池組件制備技術也獲得重大突破，在國家光伏質量監督檢驗中心驗證的微組件效率為13.98%，10月份的最新研究成果中也披露了其6cm x 6cm的鈣鈦礦微組件也達到了15.76%的效率，且回滯現象被顯著降低。程一兵教授現目前同時任教于澳大利亞蒙納什大學，為澳大利亞工程院院士，其團隊在染料敏化和鈣鈦礦領域同樣起步早發展快，在反溶劑萃取法制備的鈣鈦礦薄膜等工藝方面做出貢獻。

武漢理工團隊鈣鈦礦太陽能微組件及結構

此外值得關注的是，該團隊使用塑料基板制備了5cmx5cm的柔性鈣鈦礦太陽能微組件，8月8日經過國家光伏質量監督檢驗中心第三方認證，效率為11.4%。緊隨其后，日本東芝公司也在9月25日宣布其最新的5cm x 5cm柔性鈣鈦礦太陽能微組件效率達到10.5%，而后者還宣稱這一結果在同類別電池中創造了新的“世界紀錄”。

武漢理工團隊柔性鈣鈦礦太陽能微組件

最后要提到的就是總部位于杭州的纖納納光電科技有限公司，這家成立于2015年7月的公司由三位85后浙大海歸博士創立，致力于成為一家商業化新型鈣鈦礦型薄膜太陽能電池的科技型創新公司。不同于學校的模式，該公司的研發不依托任何科研院校，獨立運營，目前已經累計融資超過7000余萬元。

纖納更值得一提的成績是公司2017年在突破效率記錄方面上演的帽子戲法，今年2月，纖納生產的面積超過16cm²的鈣鈦礦微組件在美國Newport公司測試，認證的效率達到15.24%，刷新了此前大面積鈣鈦礦太陽能電池組件的記錄。而后通過進一步優化生產工藝，纖納在5月宣布其微組件效率達到16%，打破了自己保持的世界紀錄。12月27日，公司又對外宣布其經過認證的鈣鈦礦組件的效率已經過認證突破17.4%。據了解，該電池組件是由7節電池內串聯構成，面積為17.8cm2，死區面積小于0.5%。一年之內連續三次刷新世界效率的記錄，不得不說纖納是目前鈣鈦礦太陽能方面名副其實的獨角獸公司，全球范圍內該公司在技術和工藝方面都具備領先優勢。

杭州纖納光電最新鈣鈦礦組件17.35%效率認證

目前市場上廣泛使用的傳統晶硅太陽能電池面臨材料成本高，制造能耗高和應用場景限制的問題，而鈣鈦礦太陽能電池憑借自身成本低和柔性材料的特點可以作為晶硅技術的最好補充，幫助擴大我國太陽能的利用。具體來說，鈣鈦礦電池所需的材料成本僅有晶硅電池的1/30。從生產的角度考慮，一個晶硅太陽能組件1到2年的發電量可以抵消其生產中消耗的能量，而對鈣鈦礦太陽能組件來說，這一能量補償時間則可縮短到2到3個月，也就是說鈣鈦礦太陽能組件2到3個月發出的電量就足夠生產一個全新的鈣鈦礦組件。最后，鈣鈦礦發電材料不僅可以制成像晶硅產品類似的光伏組件，還可以與建材結合，生產出發電玻璃幕墻，發電瓦片等建筑光伏一體化產品，大大增加太陽能發電的應用場景。如果使用柔性襯底，鈣鈦礦太陽能電池更有望與其他柔性顯示和柔性電子材料相結合，實現柔性可穿戴設備的隨時充電。

此外傳統晶硅太陽電池產業的大量技術專利、高附加值核心設備和原材料的生產仍把持在國外大公司手中。我國晶硅太陽能產品的制造商不僅在技術升級上受制于歐美設備制造公司，更在產品出口時受限于市場國的專利壁壘。在這樣的市場情況下，傳統晶硅技術路線的發展恐將走上用國內市場換國外技術老路。而反觀鈣鈦礦太陽能技術方面，我國的科研機構和企業研發都與國外幾乎同步開展，在大面積器件制備方面還走在了世界領先水平。杭州纖納此次取得的突破也證明了我國在鈣鈦礦太陽能產業方面有實現彎道超車的潛力，繼而有望借助鈣鈦礦太陽能技術在太陽能產品生產和應用方面實現跨越式發展。