8月2日，鈣鈦礦光伏企業“曜能科技”獲高瓴氣候變化投資團隊數千萬元A輪融資到賬。本次融資對于光伏產業而言的意義也尤為重大。鈣鈦礦作為近年來最受關注的新型半導體明星材料，在光伏、探測、顯示、照明等眾多領域具備廣泛的應用前景。同時，鈣鈦礦材料的產業應用具有巨大的長期價值。曜能科技的鈣鈦礦/晶硅疊層光伏技術，能夠與晶硅技術深度結合，突破傳統單結太陽能電池的產業化光電轉換效率極限，進一步降低光伏發電成本。曜能科技經過多年的深耕，構筑了全球一流的鈣鈦礦材料研發平臺及自主知識產權的技術體系，確立了在鈣鈦礦材料及器件基礎與應用研究的行業領先地位。

近年來，鈣鈦礦太陽能電池熱度不斷，究其根本在于，它具備作為一個光吸收材料的許多優質條件：直接帶隙、禁帶可調、高載流子遷移率、高載流子壽命等。且經過十多年的研究，鈣鈦礦材料的眾多優勢也被挖掘出來，揚長補短，使得整個太陽能電池的光電轉換效率得到提高。此外，除了在太陽能電池領域，鈣鈦礦在量子學方面、材料學方面都有著新的進展，也逐漸發掘出其內在潛力。

 

在鈣鈦礦材料的研究過程中，我們是站在前人的肩膀上，再開啟后續進展。未來鈣鈦礦材料能否優勢最大化？是否能競爭得過多晶硅? 現在看來還未可知，但是不論怎樣，其發展趨勢都值得我們拭目以待。

 

一、 什么是鈣鈦礦

 

鈣鈦礦電池就被稱為第三代太陽能電池，也稱作新概念太陽能電池，光伏是鈣鈦礦應用規模最為廣闊的領域。在2009年-2019年的11年時間里，其電池效率從3.8%提高至25.2%，提升幅度遠高于晶硅太陽能電池和薄膜太陽能電池。

 

 

其工作原理是在接受太陽光照射時，鈣鈦礦層首先吸收光子產生電子-空穴對。由于鈣鈦礦材激子束縛能的差異，這些載流子或者成為自由載流子，或者形成激子。然后，這些未復合的電子和空穴分別被電子傳輸層和空穴傳輸層收集，即電子從鈣鈦礦層傳輸到等電子傳輸層，最后被ITO收集；空穴從鈣鈦礦層傳輸到空穴傳輸層，最后被金屬電極收集。最后，通過連接FTO和金屬電極的電路而產生光電流。

 

 

二、 鈣鈦礦的優勢

 

作為多晶硅電池強有力的競爭對手，鈣鈦礦太陽能電池也屬于化合物半導體太陽能電池。當陽光照射時，電池內部的電子因受到能量激發逐漸脫離束縛，鈣鈦礦材料內部便發生了電子空穴分離。此時受激并帶有能量的電子在內部開始遷移，隨著遷移方向的不同，有可能會從電池的端部逸出，也有可能遇到阻礙導致其釋放出無用的能量，大部分是熱量。對于硅基太陽能電池中的硅材料來說，欲降低存在的缺陷濃度，需要進行高溫處理，溫度甚至高達900攝氏度。

然而對于鈣鈦礦材料來說，要達到降低存在的缺陷濃度，只需要大約100攝氏度的溫度處理就足夠了。此時，被激發的電子依然可以逸出界面，并且不會損失太多的能量。因為晶硅太陽能電池的效率幾近達到飽和，而鈣鈦礦材料對太陽能的可見光有良好的反應，有建筑一體化潛力，且發電成本低，這使得人們在探索太陽能電池新材料的道路上，逐步關注鈣鈦礦材料，也慢慢發揮其長，提高太陽光能轉化為電能的效率。

 

三、 量產進展

 

鈣鈦礦作為一種人工合成材料，在 2009 年首次被嘗試應用于光伏發電領域后，因為性能優異、成本低廉、商業價值巨大，從此大放異彩。近年，全球頂尖科研機構和大型跨國公司，如牛津大學、瑞士洛桑聯邦理工學院、日本松下、夏普、東芝等都投入了大量人力物力，力爭早日實現量產。

2017 年 2 月，纖納光電以 15.2%的轉換效率，首次打破此前長期由日本保持的鈣鈦礦小組件的世界效率紀錄。此后，分別在當年 5 月和 12 月，以 16%和 17.4%的轉換效率實現了一年三破世界紀錄的佳績。這一次，他們又將鈣鈦礦小組件轉換效率提升至 17.9%，穩態輸出效率達 17.3%。該結果再一次證明了中國科學家在鈣鈦礦領域的技術領先優勢。

 

四、未來發展方向

 

鈣鈦礦太陽電池雖然目前發展現狀良好，有很多優勢，原理也很清晰明了，但它還是存在一些不足：比如功能層之間的肖特基勢壘會降低功率、由于鈣鈦礦材料對光波的吸收不足或光干涉造成光電流損耗導致外量子效率達到峰值、功能層材料選取不同造成的性能差異不同等。

仍有若干關鍵因素可能制約鈣鈦礦太陽電池的發展，例如：電池的穩定性問題；吸收層中含有可溶性重金屬Pb；理論研究有待加強；應用最廣的旋涂法難于沉積大面積、連續的鈣鈦礦薄膜，還需對其他方法進行改進。

 

五、 最新研究成果

 

2021年4月，在總結2020年中國光學十大進展應用研究成果時，鈣鈦礦材料就占據了兩個成果，分別是南京大學發布的效率達24.2%大面積全鈣鈦礦疊層太陽電池和華南理工大學發布的超快激光三維操控透明材料內部鈣鈦礦量子點的可逆生長。這是中國制造出來的，也被記錄在最新的太陽能電池效率綜述中，由此看來，在世界鈣鈦礦疊層太陽電池研究領域，中國已遠超其他西方國家。