鈣鈦礦太陽能電池作為新興的第三代光伏技術，自2009年面世以來，短短十幾年內光電轉換效率從3.8%提升到了25.7%。隨著晶硅太陽能電池的效率逐漸接近理論極限值，高效率、低成本的鈣鈦礦電池越發(fā)受到全球光伏行業(yè)的關注。在學術研究持續(xù)深入開展的同時，鈣鈦礦光伏的產業(yè)化技術也不斷取得突破。我國作為全球第一光伏大國，在晶硅光伏領域長期保持領先地位；而在新興的鈣鈦礦光伏領域中，與各國處于同一起跑線。為促使我國在鈣鈦礦光伏產業(yè)化初期建立先發(fā)優(yōu)勢，需協(xié)調“政產學研用”多端發(fā)力，引入多種先進技術提升鈣鈦礦光伏量產水平，加快開展實證和示范應用，及時構建鈣鈦礦光伏標準體系，確保鈣鈦礦光伏技術產業(yè)化進程全面自主可持續(xù)。
一、鈣鈦礦光伏技術發(fā)展現狀
鈣鈦礦太陽能電池以鈣鈦礦結構鹵化物作為光吸收層材料，具有帶隙可調、吸光系數高、溫度系數低、輕薄柔性等特點，是當前最具大規(guī)模推廣應用前景的一類新型太陽能電池。經過十余年研究，鈣鈦礦光伏的基本原理、材料配方、性能優(yōu)化路徑等方面已逐步成型。同時，晶硅光伏電池和組件的量產工藝及產線設備的全面國產化為鈣鈦礦光伏技術產業(yè)化提供了先導性的借鑒。近幾年，來自高校、科研院所的研發(fā)團隊和晶硅光伏領域的電池、組件及設備廠商紛紛投入鈣鈦礦光伏技術研發(fā)，在鈣鈦礦電池、鈣鈦礦疊層電池、鈣鈦礦光伏組件和鈣鈦礦組件生產裝備等方面取得了顯著進展。
（一）鈣鈦礦太陽能電池研究現狀
高效率是鈣鈦礦太陽能電池最引人注目的優(yōu)勢。鈣鈦礦電池的理論極限效率為33%，遠高于晶硅電池的29.4%。通過優(yōu)化電池的組分、微觀結構、制備工藝等，實驗室中制備鈣鈦礦電池的效率屢創(chuàng)新高。2022年7月，中科院半導體所研發(fā)的鈣鈦礦電池獲得了25.6%的認證效率，僅次于韓國蔚山國立科學技術研究院（UNIST）于2021年創(chuàng)造的25.7%的世界最高效率紀錄。
鈣鈦礦電池的光譜響應范圍在300~800納米，即可見光波段，而晶硅電池、銅銦鎵硒（CIGS）電池等可以吸收利用紅外光。因此，將鈣鈦礦電池和晶硅、CIGS等電池組成疊層電池，能夠充分利用各波段的光照，獲得更高的光電轉換效率。而鈣鈦礦電池自身的吸收光波段范圍也可以通過調節(jié)帶隙作出改變。將寬帶隙和窄帶隙的鈣鈦礦電池組成疊層電池，光電轉換效率可以顯著提高。2022年6月，南京大學研發(fā)出效率為28.0%的鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層電池，刷新了世界紀錄。
適用于建筑物、便攜式設備、消費品等應用場景的柔性鈣鈦礦電池和室內鈣鈦礦電池也是當前的研究熱點。清華大學研發(fā)的柔性鈣鈦礦電池最高效率為23.6%，刷新了世界紀錄；目前室內鈣鈦礦電池的世界最高效率由陜西師范大學保持，在824.5勒克司的室內燈光照射下，電池效率高達40.1%。
我國的鈣鈦礦太陽能電池研究與國際上同步發(fā)展，多個研究團隊處于國際一流水平。實驗室研究的豐碩成果為我國鈣鈦礦光伏產業(yè)化提供了充分的理論指導，學術界與產業(yè)界開展了深入合作，持續(xù)推動實驗室研究成果向量產技術的轉化。
（二）鈣鈦礦光伏組件技術發(fā)展現狀
鈣鈦礦光伏組件屬于薄膜組件，是在玻璃上依次沉積鈣鈦礦電池的各層薄膜，并封裝制成的。電池中的空穴傳輸層、電子傳輸層、對電極等各層薄膜通常采用真空沉積法制備，而鈣鈦礦吸收層的制備工藝分為濕法和干法兩類。典型的濕法工藝例如狹縫涂布法，設備構造較為簡單，易于將電池薄膜涂布面積從實驗室制備的毫米級拓寬到數十厘米，因而為目前大部分試驗產線所采用。但考慮到增大組件面積將對薄膜質量提出更高的要求，真空蒸鍍等干法工藝可能更適用于一米以上寬度大面積組件的量產產線。
由于大面積薄膜質量控制難度較高，鈣鈦礦組件面積越大，效率下降越多。目前，數十平方厘米的小組件效率可達到20%以上，數百平方厘米的組件效率可達到18%，而0.1平方米以上的組件效率僅在16%左右?？梢姡m合于大規(guī)模應用的大尺寸鈣鈦礦組件效率仍待提高。
現已初步建成及在建的鈣鈦礦組件產線均為百兆瓦級及以下的試驗線，采用濕法涂布鈣鈦礦吸收層薄膜。基于與量產相近的產線條件，組件的材料配方、生產工藝、產品規(guī)格設計等有望快速優(yōu)化。
鈣鈦礦/晶硅疊層組件與常規(guī)鈣鈦礦組件的主要區(qū)別在于，鈣鈦礦電池薄膜并非直接沉積在整面玻璃上，而是沉積在晶硅電池片上。一方面，較小的薄膜面積降低了對薄膜沉積設備的尺寸要求，與晶硅電池片產線的耦合也有助于降低生產成本；而另一方面，鈣鈦礦電池需與晶硅電池進行帶隙匹配，電池設計難度較大。目前，實驗室中制備的20平方厘米鈣鈦礦/晶硅疊層組件最高效率為26.63%，但尚未有鈣鈦礦疊層組件中試線建成投產。
此外，基于鈣鈦礦電池的輕薄、半透明等特點，也有研究機構和廠商正在研發(fā)柔性組件和彩色組件。這些特殊組件有望在可穿戴設備、建筑等場景獲得應用。
二、鈣鈦礦光伏產業(yè)化面臨的挑戰(zhàn)
（一）鈣鈦礦電池長期服役的穩(wěn)定性問題
鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性問題是實際應用中面臨的首要挑戰(zhàn)。在水汽、高溫、紫外線照射等外界條件刺激下，鈣鈦礦電池易發(fā)生降解，性能嚴重衰減。提高鈣鈦礦電池穩(wěn)定性的措施主要有兩個層面，一是優(yōu)化電池本身的組分和微觀結構等，二是優(yōu)化鈣鈦礦光伏組件的封裝材料和封裝工藝。
已有一些廠商宣布，試制的組件產品通過了根據IEC 61215等光伏行業(yè)公認的國際標準進行的組件穩(wěn)定性測試，并據此推測鈣鈦礦組件與晶硅組件的使用壽命相當，可確保服役25年后發(fā)電效率保持在初始值的80%以上。但是，考慮到鈣鈦礦組件仍未實現批量生產和應用，其在高溫、高濕、高鹽霧等實際服役環(huán)境中的穩(wěn)定性仍有待考驗。
（二）大面積鈣鈦礦組件的效率和品質問題
大面積鈣鈦礦組件的效率和質量偏低，主要原因在于大面積薄膜沉積設備和工藝水平受限。不同于晶硅組件將多個小面積電池片串并聯(lián)的模式，鈣鈦礦組件的鍍膜面積達到平方米級。目前，國產真空鍍膜設備的大面積均勻連續(xù)鍍膜性能與國際先進水平存在差距。此外，大面積鍍膜產線上的工藝調試難度也較高。
（三）光伏產線設備關鍵部件的短板問題
我國光伏行業(yè)經過多年快速發(fā)展，已基本實現全產線設備國產化，但設備的部分關鍵部件仍依賴進口。例如，真空鍍膜設備中的真空泵、射頻電源、閥門等，激光刻蝕設備中的激光器、振鏡等，技術指標和質量可靠性與國際主流廠商存在較大差距。雖然我國的光伏產線設備廠商較早涉足了鈣鈦礦組件生產設備開發(fā)，并已取得初步成果，使我國的鈣鈦礦組件小試、中試、量產產線始終保持高度國產化，但關鍵部件的短板在鈣鈦礦組件產線中同樣存在，可能成為我國鈣鈦礦光伏產業(yè)鏈中的“卡脖子”環(huán)節(jié)。
三、推進鈣鈦礦光伏產業(yè)化的建議
（一）有效發(fā)揮政府引導作用
鈣鈦礦光伏技術作為最具大規(guī)模應用前景的新一代光伏技術，已獲得國家能源和科技主管部門、學術界、產業(yè)界及各類投資主體的重視。但是，當前市場上存在炒作概念、盲目跟風等現象，對鈣鈦礦光伏技術產業(yè)化的扎實推進可能造成不利影響。
為助力鈣鈦礦光伏技術的產業(yè)化進程高效有序推進，應充分發(fā)揮國家能源和科技主管部門規(guī)范和引導作用，制定技術指標，出臺激勵政策；建立“政產學研用”協(xié)同機制，鼓勵各種技術路線、各類研發(fā)和市場主體廣泛參與鈣鈦礦光伏技術的產業(yè)化進程；秉持開放與合作理念，引導技術、人才、資金等國內國際雙向流動，堅持“請進來”和“走出去”并重，主動營造全面深度融合的國際行業(yè)生態(tài)；鼓勵國有資本以多種形式對鈣鈦礦光伏技術產業(yè)化予以支持，通過市場手段引導產業(yè)健康發(fā)展。
地方各級政府應切實落實《“十四五”能源領域科技創(chuàng)新規(guī)劃》《科技支撐碳達峰碳中和實施方案（2022―2030年）》等國家政策要求，制定推進鈣鈦礦光伏產業(yè)化的具體方案和激勵政策，遵循科學、務實、嚴謹的原則，促進適合本地區(qū)的鈣鈦礦光伏產業(yè)鏈環(huán)節(jié)健康發(fā)展。
（二）多專業(yè)領域協(xié)作形成合力
鈣鈦礦光伏技術的實驗室研發(fā)工作主要由材料學、化學、物理學等領域的學者主導，而進入產業(yè)化階段，涉及的技術領域更豐富，產業(yè)鏈環(huán)節(jié)更多，多專業(yè)領域協(xié)作的必要性凸顯，特別是有必要積極引入各專業(yè)領域的先進技術，以提升鈣鈦礦光伏產業(yè)化的效率和效果。例如，利用機器學習、大數據等技術，在一定程度上代替全人工方式，開展高通量試驗，高效精準篩選鈣鈦礦光伏組件的材料、配方和制造工藝條件，大幅度提高產線材料和工藝優(yōu)化的速度；借鑒大面積顯示面板鍍膜、半導體加工、光學元件加工等領域及其生產裝備領域的先進技術，助力鈣鈦礦光伏組件鍍膜質量提升。
（三）加快推進鈣鈦礦光伏產品的實證和示范應用
鈣鈦礦光伏組件的不穩(wěn)定性、有毒金屬泄漏等潛在風險將對其大規(guī)模推廣應用造成阻礙。因此，有必要盡快通過大量實證試驗和示范應用，摸清其實際服役性能和安全性，從而準確評估其應用風險，為推廣應用提供科學支撐。
鈣鈦礦光伏產品的實證和示范應用的順利開展，需要用戶單位和電網企業(yè)與鈣鈦礦光伏產品生產廠商、光伏系統(tǒng)設備廠商、檢測認證單位、設計和施工單位等協(xié)作，打通項目落地各環(huán)節(jié)，營造開放包容的應用環(huán)境。
（四）及時構建鈣鈦礦光伏技術標準體系，積極爭取掌握國際標準話語權
為確保鈣鈦礦光伏產品的生產和應用技術具備規(guī)范性、系統(tǒng)性、可推廣性及與現有光伏應用技術體系的兼容性，應在鈣鈦礦光伏產業(yè)化過程中同步建立標準體系。鈣鈦礦光伏標準體系的構建，應以現行光伏技術標準體系為基礎，面向應用需求，充分體現鈣鈦礦光伏產品生產和應用的特點，并考慮到鈣鈦礦光伏技術仍在不斷發(fā)展變化的實際情況，兼顧規(guī)范性和靈活性。
現行光伏國際標準體系的建立起源于上世紀八十年代，我國的晶硅光伏行業(yè)作為后起之秀，是在既有的國際標準體系框架下發(fā)展起來的，在國際標準制定中的原創(chuàng)性貢獻較少，在國際標準組織中的參與度偏低，話語權較弱。而在鈣鈦礦光伏領域，我國與國際上研究水平相當，且產業(yè)化進度和規(guī)模略有優(yōu)勢，故應抓住時機，積極支持我國鈣鈦礦光伏領域，特別是產業(yè)化一線的技術專家加入國際光伏標準組織，深度參與鈣鈦礦光伏標準制定工作，在國際標準體系中爭取更大的話語權，從而提升我國鈣鈦礦光伏產業(yè)的國際競爭力。
來源：電力規(guī)劃設計總院
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