近日，鈣鈦礦電池上太空和動力電池巨頭寧德時代正籌建鈣鈦礦研究團隊進軍光伏領域兩則消息，讓鈣鈦礦電池再一次站到臺前。

1/4太陽光轉化 成本低至每平米100元

究竟什么是鈣鈦礦電池？要弄清這個問題，先要了解太陽能電池的原理。

太陽能電池是一種通過光電效應或者光化學反應直接把光能轉化成電能的裝置。從結構上來看，太陽能電池一般由很多層材料堆積而來，其中起到光吸收作用的層叫做吸收層。吸收層根據(jù)材料特性的不同，又有不同的命名，比如晶體硅太陽能電池的吸收層就是單晶硅或者多晶硅；薄膜太陽能電池的吸收層一般是厚度幾個微米的薄膜材料；而鈣鈦礦太陽能電池的吸收層就是鈣鈦礦。

鈣鈦礦材料是以俄國礦物學家列維·佩羅夫斯基（Lev Perovski）的名字命名。最早被發(fā)現(xiàn)的鈣鈦礦材料是鈣與鈦的復合氧化物。后來概念有了延展，不再特指鈣鈦復合氧化物，而用來泛指一系列具有ABX3化學式的化合物。鈣鈦礦材料可以制作成非常輕薄柔軟的太陽能電池，安裝在汽車、手機、屋頂、玻璃幕墻上等。

最早將鈣鈦礦應用到電池上的是日本橫濱大學教授Akihiro Kojima。2009年，他首次將有鈣鈦礦結構的有機金屬鹵化物（CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3）制成吸光層用到染料敏化太陽能電池，得到3.8%的轉換效率，后來由于液態(tài)電解質導致鈣鈦礦材料很快分解，從而使電池效率很快衰減。但是研究人員很快意識到鈣鈦礦既善于吸收陽光，還能運送電荷，鈣鈦礦太陽能電由此開始被更多研究人員關注。

經(jīng)過十年的發(fā)展，如今鈣鈦礦太陽能電池的實驗室光電轉換效率已經(jīng)高達27%，在太陽能電池行業(yè)遙遙領先。換句話說，以鈣鈦礦為原料制造的太陽能電池可以將大約1/4的太陽光直接轉化為電能。而目前市場份額最高的多晶硅太陽能電池，1985年的實驗室轉化率為15％左右，2004年達到20.4％；而后其轉化率雖有提升，但增長緩慢。

成本方面，鈣鈦礦太陽能電池由于材料吸光能力強、對雜質不敏感和生產(chǎn)工藝能耗低，其綜合成本大大降低。

研究表明，鈣鈦礦電池對光的吸收能力是傳統(tǒng)太陽能電池材料的100倍，也就是鈣鈦礦電池只需使用1/100的厚度，即可產(chǎn)生相同的能量輸出，相應減少了所需材料數(shù)量，而且產(chǎn)生的電壓更高，還能增加能量產(chǎn)出。

此外，鈣鈦礦材料對雜質不敏感，通常90%左右純度的鈣鈦礦材料就可以用于制造效率達到20%以上的太陽能電池；作為對比，晶硅材料則對雜質非常敏感，純度必須達到99.9999%以上才能用于制造太陽能電池。

這種不同材料體系的成本，體現(xiàn)在數(shù)據(jù)上的表現(xiàn)為：晶硅太陽能電池每平方米造價為500—700元，薄膜太陽能電池每平方米造價1300—1400元，鈣鈦礦太陽能電池每平米預計成本將低至100元。

優(yōu)勢巨大為何沒能大規(guī)模推廣？

太陽能電池領域拼的就是低成本、高轉換率，既然鈣鈦礦電池在這兩方面有這么大的優(yōu)勢，那為什么沒能在市場上大規(guī)模推廣開來呢？一個問題是，制備大面積均勻鈣鈦礦涂層比較困難；另一個原因是，當在實驗室中使用微小電池時，科學家們使用TCO薄膜收集電流，這些TCO薄膜可以通過大量光線，但具有微小電阻，這意味著它們會使電流變小。在較大的面積上，這種電阻率的問題將變得更加的明顯。例如，在松下公司，研究人員報道了一塊6.25平方厘米的鈣鈦礦電池，效率為20.6%。但當35個電池片組合成412平方厘米的組件時，效率降至12.6%。

這還不是最為難的，阻礙鈣鈦礦電池大規(guī)模量產(chǎn)的最主要挑戰(zhàn)，是它們的耐久性。

由于鈣鈦礦材料晶體本身，在某些情況下，會隨著鈣鈦礦的升溫，結構發(fā)生變化；盡管變化是可逆的，但它會影響其以后的性能表現(xiàn)；另一個問題是當光線照射到鈣鈦礦晶體上時，小的“X”陰離子在結構內部移動。如果陰離子存在任何間隙(可能會發(fā)生這種情況)，就會導致一系列連鎖反應，這些連鎖反應可能會改變晶體的構成和效率，或導致失效。

在穩(wěn)定性方面，大多數(shù)鈣鈦礦電池研究公司尚未公布其穩(wěn)定性結果。他們給出的說法是，遵循由瑞士日內瓦國際電工委員會(IEC)制定的硅太陽能電池板認證標準。該標準稱為IEC61215，涉及室內測試，其中組件在85%相對濕度下加熱至85°C，持續(xù)1000小時；組件面板在-40°C至90°C之間循環(huán)至100次，甚至采用冰雹模擬測試。如果在這些測試之后硅電池板仍然可以工作，那么在常規(guī)的天氣下它應該有25年性能保證。雖然通過了這些測試，但在現(xiàn)實環(huán)境中可能仍然不適用，這是一個很大的隱患。

鈣鈦礦電池的另一個潛在隱患是材料中含有鉛，鉛是一種有毒金屬。研究人員嘗試過使用替代品，如錫，不過電池性能下降。但這并不意味著鈣鈦礦電池不能使用。Oxford PV的串聯(lián)電池的生命周期分析表明，少量鉛泄漏對環(huán)境毒性沒有太大影響。該分析還認為，在電池生產(chǎn)過程中，硅電池使用的資源對整體環(huán)境的影響更大。

盡管如此，還是有一些公司退出了鈣鈦礦市場?？鐕靖皇磕z片是鈣鈦礦太陽能專利的第三大持有者。但是，在對鈣鈦礦太陽能電池進行基礎研究后，宣布不再開發(fā)用于制造電池或材料；澳大利亞的鈣鈦礦開發(fā)商GreatCell Solar也曾經(jīng)與晶科建立了合作伙伴關系，但未能吸引足夠的投資來建造設施。

寧德時代加入會引爆市場嗎？

有退出者就有新進入者。2009—2019年的十年里，全球頂尖科研機構和大型跨國公司，如英國牛津大學，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院，中國科學院、南方科大，日本松下、夏普、東芝等都投入了大量人力物力，致力于實現(xiàn)鈣鈦礦太陽能電池的量產(chǎn)。特別是2019年，突然成為風險投資關注的焦點。

2019年2月，協(xié)鑫集團旗下蘇州協(xié)鑫納米科技發(fā)布了其在鈣鈦礦光伏組件技術方面的突破性進展。協(xié)鑫納米已經(jīng)率先建成10兆瓦級別大面積鈣鈦礦組件中試生產(chǎn)線，完成了相關材料合成及制造工藝的開發(fā)，并已開始100兆瓦量產(chǎn)生產(chǎn)線的建設工作，計劃于2020年實現(xiàn)鈣鈦礦光伏組件的商業(yè)化生產(chǎn)。

2019年3月，牛津光伏有限公司（以下簡稱“牛津光伏”）從其最大股東梅耶博格技術公司購買了一條200兆瓦異質結生產(chǎn)線用于鈣鈦礦電池試生產(chǎn)，此生產(chǎn)線將于2020年底在牛津光伏哈弗爾河畔勃蘭登堡的工廠中試運行。牛津光伏將這一生產(chǎn)線電池轉換率的初始目標定為27%。同年3月15日，中國第一大風機制造商金風科技宣布，以戰(zhàn)略投資者身份領投牛津光伏有限公司D輪融資，投資金額2100萬英鎊。2020年8月，牛津光伏宣布，如果進展順利，他們的產(chǎn)品有望在2021年實現(xiàn)銷售。

2019年4月26日，長江三峽集團旗下三峽資本聯(lián)合中國三峽新能源與杭州纖納光電科技有限公司（以下簡稱“杭州纖納”）宣布，三峽資本以戰(zhàn)略投資者身份注資纖納光電，投資金額5000萬人民幣。

2020年7月31日，杭州纖納投資的全球首個鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)園在衢州纖落地建成。該項目總體規(guī)劃5GW，總投資54.6億元，總用地面積600畝。一期廠房11000方包含半導體車間、動力、合成、倉庫、辦公、宿舍等相關配套，不過今年計劃年產(chǎn)的卻是20-25萬平方米光伏發(fā)電玻璃。

　　據(jù)了解，杭州纖納鈣鈦礦電池技術的材料成本僅為傳統(tǒng)光伏材料的1/20，大規(guī)模應用后，可降低至目前傳統(tǒng)電池的一半左右，與當前煤電價格相當，有望實現(xiàn)光伏發(fā)電的平價上網(wǎng)。纖納光電的全球首個鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)園的建設，加速推進了第三代光伏薄膜技術的大規(guī)模工業(yè)化應用。根據(jù)全球光伏界權威榜單《光伏電池效率榜》2020年中發(fā)布的數(shù)據(jù)，杭州纖納以18.04%的鈣鈦礦小組件光電轉換效率成績，三年來第七次蟬聯(lián)鈣鈦礦小組件世界效率紀錄榜首。此外，杭州纖納光電的鈣鈦礦電池組件也于2019年末通過國際電工委員會（IEC）標準第三方獨立檢測。

另據(jù)了解，杭州眾能光電公司、上海黎元新能源公司、湖北萬度光能公司等，也都在積極推動鈣鈦礦太陽能光伏電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

盡管牛津光伏、杭州纖納率先開啟了鈣鈦礦電池的大規(guī)模量產(chǎn)化之路的嘗試，但從已披露的消息看，距離真正引爆市場，還有很長的路要走。寧德時代的加入，會改變這一現(xiàn)狀嗎？

業(yè)內人士表示，作為國內動力電池巨頭，寧德時代此前在鋰電池領域一枝獨秀，而鋰電池的工藝與鈣鈦礦電池最為相似，它的加入，會加快鈣鈦礦電池的研發(fā)和推廣速度，對于光伏行業(yè)來說當然是好事，但想要在短時間內占據(jù)主流市場，目前看來還為時尚早。