鈣鈦礦光伏技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與建議
侯孟婧 張彤楓 葛揚 楊璐
（電力規(guī)劃設(shè)計總院）
鈣鈦礦太陽能電池作為新興的第三代光伏技術(shù)，自2009年面世以來，短短十幾年內(nèi)光電轉(zhuǎn)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(guān)注。在學(xué)術(shù)研究持續(xù)深入開展的同時，鈣鈦礦光伏的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)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(lǐng)域長期保持領(lǐng)先地位；而在新興的鈣鈦礦光伏領(lǐng)域中，與各國處于同一起跑線。為促使我國在鈣鈦礦光伏產(chǎn)業(yè)化初期建立先發(fā)優(yōu)勢，需協(xié)調(diào)“政產(chǎn)學(xué)研用”多端發(fā)力，引入多種先進技術(shù)提升鈣鈦礦光伏量產(chǎn)水平，加快開展實證和示范應(yīng)用，及時構(gòu)建鈣鈦礦光伏標(biāo)準(zhǔn)體系，確保鈣鈦礦光伏技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進程全面自主可持續(xù)。
一、鈣鈦礦光伏技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
鈣鈦礦太陽能電池以鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鹵化物作為光吸收層材料，具有帶隙可調(diào)、吸光系數(shù)高、溫度系數(shù)低、輕薄柔性等特點，是當(dāng)前最具大規(guī)模推廣應(yīng)用前景的一類新型太陽能電池。經(jīng)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(chǎn)工藝及產(chǎn)線設(shè)備的全面國產(chǎn)化為鈣鈦礦光伏技術(shù)產(chǎn)業(yè)化提供了先導(dǎo)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(lǐng)域的電池、組件及設(shè)備廠商紛紛投入鈣鈦礦光伏技術(shù)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(chǎn)裝備等方面取得了顯著進展。
（一）鈣鈦礦太陽能電池研究現(xiàn)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(jié)構(gòu)、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(dǎo)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(xué)技術(shù)研究院（UNIST）于2021年創(chuàng)造的25.7%的世界最高效率紀(jì)錄。
鈣鈦礦電池的光譜響應(yīng)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(zhuǎn)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(diào)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(zhuǎn)換效率可以顯著提高。2022年6月，南京大學(xué)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(jì)錄。
適用于建筑物、便攜式設(shè)備、消費品等應(yīng)用場景的柔性鈣鈦礦電池和室內(nèi)鈣鈦礦電池也是當(dāng)前的研究熱點。清華大學(xué)研發(fā)的柔性鈣鈦礦電池最高效率為23.6%，刷新了世界紀(jì)錄；目前室內(nèi)鈣鈦礦電池的世界最高效率由陜西師范大學(xué)保持，在824.5勒克司的室內(nèi)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(chǎn)業(yè)化提供了充分的理論指導(dǎo)，學(xué)術(shù)界與產(chǎn)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(chǎn)技術(shù)的轉(zhuǎn)化。
（二）鈣鈦礦光伏組件技術(shù)發(fā)展現(xiàn)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?yán)绐M縫涂布法，設(shè)備構(gòu)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(shù)十厘米，因而為目前大部分試驗產(chǎn)線所采用。但考慮到增大組件面積將對薄膜質(zhì)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(chǎn)產(chǎn)線。
由于大面積薄膜質(zhì)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(shù)十平方厘米的小組件效率可達到20%以上，數(shù)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?，適合于大規(guī)模應(yīng)用的大尺寸鈣鈦礦組件效率仍待提高。
現(xiàn)已初步建成及在建的鈣鈦礦組件產(chǎn)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(chǎn)相近的產(chǎn)線條件，組件的材料配方、生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品規(guī)格設(shè)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(shè)備的尺寸要求，與晶硅電池片產(chǎn)線的耦合也有助于降低生產(chǎn)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(shè)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(chǎn)。
此外，基于鈣鈦礦電池的輕薄、半透明等特點，也有研究機構(gòu)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(shè)備、建筑等場景獲得應(yīng)用。
二、鈣鈦礦光伏產(chǎn)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(yīng)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(yán)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(jié)構(gòu)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(chǎn)品通過了根據(jù)IEC 61215等光伏行業(yè)公認的國際標(biāo)準(zhǔn)進行的組件穩(wěn)定性測試，并據(jù)此推測鈣鈦礦組件與晶硅組件的使用壽命相當(dāng)，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(xiàn)批量生產(chǎn)和應(yīng)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(zhì)問題
大面積鈣鈦礦組件的效率和質(zhì)量偏低，主要原因在于大面積薄膜沉積設(shè)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(chǎn)真空鍍膜設(shè)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(chǎn)線上的工藝調(diào)試難度也較高。
（三）光伏產(chǎn)線設(shè)備關(guān)鍵部件的短板問題
我國光伏行業(yè)經(jīng)過多年快速發(fā)展，已基本實現(xiàn)全產(chǎn)線設(shè)備國產(chǎn)化，但設(shè)備的部分關(guān)鍵部件仍依賴進口。例如，真空鍍膜設(shè)備中的真空泵、射頻電源、閥門等，激光刻蝕設(shè)備中的激光器、振鏡等，技術(shù)指標(biāo)和質(zhì)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(chǎn)線設(shè)備廠商較早涉足了鈣鈦礦組件生產(chǎn)設(shè)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(chǎn)產(chǎn)線始終保持高度國產(chǎn)化，但關(guān)鍵部件的短板在鈣鈦礦組件產(chǎn)線中同樣存在，可能成為我國鈣鈦礦光伏產(chǎn)業(yè)鏈中的“卡脖子”環(huán)節(jié)。
三、推進鈣鈦礦光伏產(chǎn)業(yè)化的建議
（一）有效發(fā)揮政府引導(dǎo)作用
鈣鈦礦光伏技術(shù)作為最具大規(guī)模應(yīng)用前景的新一代光伏技術(shù)，已獲得國家能源和科技主管部門、學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界及各類投資主體的重視。但是，當(dāng)前市場上存在炒作概念、盲目跟風(fēng)等現(xiàn)象，對鈣鈦礦光伏技術(shù)產(chǎn)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(shù)的產(chǎn)業(yè)化進程高效有序推進，應(yīng)充分發(fā)揮國家能源和科技主管部門規(guī)范和引導(dǎo)作用，制定技術(shù)指標(biāo)，出臺激勵政策；建立“政產(chǎn)學(xué)研用”協(xié)同機制，鼓勵各種技術(shù)路線、各類研發(fā)和市場主體廣泛參與鈣鈦礦光伏技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進程；秉持開放與合作理念，引導(dǎo)技術(shù)、人才、資金等國內(nèi)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(shù)產(chǎn)業(yè)化予以支持，通過市場手段引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。
地方各級政府應(yīng)切實落實《“十四五”能源領(lǐng)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(chǎn)業(yè)化的具體方案和激勵政策，遵循科學(xué)、務(wù)實、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑瓌t，促進適合本地區(qū)的鈣鈦礦光伏產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)健康發(fā)展。
（二）多專業(yè)領(lǐng)域協(xié)作形成合力
鈣鈦礦光伏技術(shù)的實驗室研發(fā)工作主要由材料學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)等領(lǐng)域的學(xué)者主導(dǎo)，而進入產(chǎn)業(yè)化階段，涉及的技術(shù)領(lǐng)域更豐富，產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)更多，多專業(yè)領(lǐng)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(lǐng)域的先進技術(shù)，以提升鈣鈦礦光伏產(chǎn)業(yè)化的效率和效果。例如，利用機器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，在一定程度上代替全人工方式，開展高通量試驗，高效精準(zhǔn)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(chǎn)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(dǎo)體加工、光學(xué)元件加工等領(lǐng)域及其生產(chǎn)裝備領(lǐng)域的先進技術(shù)，助力鈣鈦礦光伏組件鍍膜質(zhì)量提升。
（三）加快推進鈣鈦礦光伏產(chǎn)品的實證和示范應(yīng)用
鈣鈦礦光伏組件的不穩(wěn)定性、有毒金屬泄漏等潛在風(fēng)險將對其大規(guī)模推廣應(yīng)用造成阻礙。因此，有必要盡快通過大量實證試驗和示范應(yīng)用，摸清其實際服役性能和安全性，從而準(zhǔn)確評估其應(yīng)用風(fēng)險，為推廣應(yīng)用提供科學(xué)支撐。
鈣鈦礦光伏產(chǎn)品的實證和示范應(yīng)用的順利開展，需要用戶單位和電網(wǎng)企業(yè)與鈣鈦礦光伏產(chǎn)品生產(chǎn)廠商、光伏系統(tǒng)設(shè)備廠商、檢測認證單位、設(shè)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(yīng)用環(huán)境。
（四）及時構(gòu)建鈣鈦礦光伏技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，積極爭取掌握國際標(biāo)準(zhǔn)話語權(quán)
為確保鈣鈦礦光伏產(chǎn)品的生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)具備規(guī)范性、系統(tǒng)性、可推廣性及與現(xiàn)有光伏應(yīng)用技術(shù)體系的兼容性，應(yīng)在鈣鈦礦光伏產(chǎn)業(yè)化過程中同步建立標(biāo)準(zhǔn)體系。鈣鈦礦光伏標(biāo)準(zhǔn)體系的構(gòu)建，應(yīng)以現(xiàn)行光伏技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系為基礎(chǔ)，面向應(yīng)用需求，充分體現(xiàn)鈣鈦礦光伏產(chǎn)品生產(chǎn)和應(yīng)用的特點，并考慮到鈣鈦礦光伏技術(shù)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(xiàn)行光伏國際標(biāo)準(zhǔn)體系的建立起源于上世紀(jì)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(biāo)準(zhǔn)體系框架下發(fā)展起來的，在國際標(biāo)準(zhǔn)制定中的原創(chuàng)性貢獻較少，在國際標(biāo)準(zhǔn)組織中的參與度偏低，話語權(quán)較弱。而在鈣鈦礦光伏領(lǐng)域，我國與國際上研究水平相當(dāng)，且產(chǎn)業(yè)化進度和規(guī)模略有優(yōu)勢，故應(yīng)抓住時機，積極支持我國鈣鈦礦光伏領(lǐng)域，特別是產(chǎn)業(yè)化一線的技術(shù)專家加入國際光伏標(biāo)準(zhǔn)組織，深度參與鈣鈦礦光伏標(biāo)準(zhǔn)制定工作，在國際標(biāo)準(zhǔn)體系中爭取更大的話語權(quán)，從而提升我國鈣鈦礦光伏產(chǎn)業(yè)的國際競爭力。
