在追求低碳發(fā)展的背景下，光伏（PV）發(fā)電成了特別火的一個概念,。它指的是利用具有光伏效應(yīng)的半導(dǎo)體材料直接將光轉(zhuǎn)換為電的技術(shù),。

簡單來說，就是太陽能發(fā)電,。

光伏是一個年輕但龐大的產(chǎn)業(yè),。

工信部發(fā)布的“2022年全國光伏制造行業(yè)運行情況”顯示，僅中國當(dāng)年的行業(yè)總產(chǎn)值就突破了1.4萬億元,。

占全球光伏產(chǎn)業(yè)份額的80—90%,！

我國在該領(lǐng)域的高歌猛進(jìn)更是推動了全世界的光伏熱。

近些年來,，光伏產(chǎn)業(yè)能在全世界高速發(fā)展,，一個很重要的原因便是我國自2000年以來的大力開發(fā)并實現(xiàn)了規(guī)模經(jīng)濟(jì),。

有規(guī)模了，成本也就下來了,。

再加上持續(xù)不斷的技術(shù)進(jìn)步以及各國的財政激勵,、電價補貼，很多國家在后來都大范圍部署了光伏組件,。

截止到2022年,，全球光伏裝機(jī)容量增至了約1太瓦（TW，1012W）以上,，滿足全球電力需求的近2% ,。

光伏發(fā)電也成為了繼水電和風(fēng)電之后的第三大可再生能源。

2023年,，國際能源署在其《世界能源展望》中指出,，“對于利用優(yōu)質(zhì)資源的低成本融資項目來說，如今,，太陽能光伏發(fā)電是最便宜的電力來源,。”

在光照資源充足的沙漠國家卡塔爾,，光伏電費最低達(dá)到了0.015美元/千瓦時,，約合每度一毛錢。

相比于石油,、煤炭等傳統(tǒng)化石能源,，光伏是如此便宜、如此干凈,，又源源不斷,、用之不盡。倘若能大規(guī)模取代火力發(fā)電,，不僅能有益于普羅大眾,，更是造福于自然環(huán)境。

當(dāng)然啦,，想要實現(xiàn)這點,，還得解決很多問題，例如降低制造光伏電池的制造成本,，提高電池的能量轉(zhuǎn)換效率,，應(yīng)對不同地區(qū)、時節(jié)光照資源的巨大差異等等,。

而這,，便需要光伏技術(shù)取得長足進(jìn)展，特別是尋找或造出更加先進(jìn)的光伏材料。

我們今天要談的,，便是近些年頻上領(lǐng)域熱搜,，被全“村”人寄予厚望的鈣鈦礦,。

01 鈣鈦礦

鈣鈦礦的神奇之處在于,，好像總能從各種研究中發(fā)現(xiàn)它的身影。

去年11月,，韓國團(tuán)隊開發(fā)了一種高亮度,、高效率、穩(wěn)定且低造價的鹵化物鈣鈦礦LED,。

未來有希望被應(yīng)用到在手機(jī),、電腦、電視屏幕上,，取代目前被廣泛應(yīng)用的OLED或量子點LED也不是沒可能的,。

今年5月，華中科大,、深圳先進(jìn)院等單位在《自然》雜志發(fā)文,，宣稱開發(fā)出了一種二維鉛鹵鈣鈦礦。

其未來或可做閃爍材料,，用于高能γ射線探測,，以及核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的臨床檢查影像技術(shù)PET成像等領(lǐng)域。

今年7月,，澳大利亞的研究人員開發(fā)了一種可在太空環(huán)境中使用的鈣鈦礦太陽能電池板,。

它即便受到了宇宙中高能粒子的輻射傷害，也可在吸收太陽能量的過程中實現(xiàn)自我修復(fù),！

……

鈣鈦礦最初就是指鈣鈦氧化物CaTiO?,，它的英文名Perovskite源于首次發(fā)現(xiàn)它的俄羅斯礦物學(xué)家LA Perovski（1792——1856）。

鈣鈦礦物晶體

1926年后,，科學(xué)家把這個名字作為一類具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的化合物的統(tǒng)稱,，即便它不含有鈣或鈦，也可以被稱為鈣鈦礦,。

所謂鈣鈦礦結(jié)構(gòu),，指的是ABX?的晶體結(jié)構(gòu)，其中A,、B為陽離子,，X為陰離子。

例如在鈣鈦礦太陽能電池（PSC）中很是熱門的材料——甲基銨三鹵化鉛（CH?NH?PbX?）,，就不含鈣,、鈦元素。

其化學(xué)式中的甲基銨陽離子CH ? NH ? ? 對應(yīng)A，Pb對應(yīng)B,。X是鹵素離子,，例如碘化物、溴化物或氯化物,。   

CH ? NH ? ? 被PbX?八面體包圍

自然界中的鈣鈦礦主要以氧化物形式存在,，其中大部分是硅酸鹽，其他還有氟化物,、氯化物,、氫氧化物、砷化物和金屬化合物等形式,。

雖然人類對鈣鈦礦的認(rèn)識最早可以追溯到1839年,，但直到170年后的2009年，它才算是開始走上“礦生”的高光時刻,。

那年,，幾名日本科學(xué)家發(fā)表了一篇論文《有機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦作為光伏電池的可見光光敏劑》，首次用鈣鈦礦（CH?NH?PbBr?,、CH?NH?PbI?）晶體作光吸收層來制造染料敏化太陽能電池,。

雖然該研究制造的電池只能穩(wěn)定幾分鐘，且能量轉(zhuǎn)換效率只有3.8%,，遠(yuǎn)低于同期主流的晶硅HIT電池的約23%,，卻也預(yù)示著一個新時代的開端。

鈣鈦礦納米晶體作為TiO?的敏化劑吸收太陽光并激發(fā)出電子

2012年,，科學(xué)家發(fā)現(xiàn),，鈣鈦礦薄膜本身就可以充當(dāng)載流子（承載電流的粒子）的傳輸材料，而無需依附于其他材料工作,，例如染料敏化電池中的TiO?,。

后者的作用是在電場作用下實現(xiàn)載流子的定向有序的可控遷移。

即便如此,，目前主流的鈣鈦礦電池還是結(jié)合了其他材料制成的載流子傳輸層,。

隨著研究的飛速推進(jìn)，截止到2022年,，單結(jié)鈣鈦礦電池的效率已經(jīng)達(dá)到了25.7%,，幾乎趕上了晶硅HIT電池的26.7%。

而這,，只花了十年多的時間,。

另一方面，單結(jié)晶硅電池的理論效率極限是29.4%,，單結(jié)鈣鈦礦電池的理論效率極限則是33.7%,。

根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會CPIA的數(shù)據(jù),，電池轉(zhuǎn)換效率每提升1%，成本可下降7%,。就這4%的差距,，足以讓后者受到大肆追捧。

02 光伏原理和效率

光伏電池的效率指的是落到太陽能電池上的陽光中包含的所有能量被轉(zhuǎn)化為電能的百分比,。

例如,，當(dāng)一塊電池板上每秒接收的太陽能有1000W，但只能轉(zhuǎn)化出300W的電能時,，就說明它的效率為30%,。

雖然我們希望電池的效率越高越好，但遺憾的是,，SQ極限制約了我們的一廂情愿。

它指的是單結(jié)光伏電池的最大理論效率,，源于兩名美國物理學(xué)家Shockley和Queisser在1961年的研究,。

想要理解該極限是如何得出的，必須得先認(rèn)識下光伏發(fā)電的微觀機(jī)理,。

光伏效應(yīng)與愛因斯坦獲得諾貝爾獎的發(fā)現(xiàn)——光電效應(yīng)的過程類似,，都是光子被材料吸收后，導(dǎo)致材料內(nèi)的電子或其他電荷載流子被激發(fā)到更高的能級（能量狀態(tài)）,。

區(qū)別在于,，后者一般指電子從材料中射出時的情況，前者的受激電荷載流子則仍在材料內(nèi)活動,。

光電效應(yīng)

光伏效應(yīng)

這些在材料中移動的電荷載流子,，所產(chǎn)生的宏觀效應(yīng)，便是電壓和電流,。而這便是光伏發(fā)電的本質(zhì),。

制作光伏電池的材料都是半導(dǎo)體，它是一種電導(dǎo)率介于銅等導(dǎo)體和玻璃等絕緣體之間的材料,。

把它與金屬做對比的話,，除了電阻率隨溫度升高而下降這個相反的特性外，其電導(dǎo)率也并非由其本身的原子決定,。

在金屬導(dǎo)體中,，金屬原子提供電子。通常,，每個金屬原子都會釋放其外層軌道電子之一,，成為在晶體中移動并攜帶電流的傳導(dǎo)電子。

但半導(dǎo)體的晶體原子不提供導(dǎo)電的電子,。

其導(dǎo)電性源于晶體中的雜質(zhì)或摻雜的其他原子提供的電荷載流子,，如電子或空穴。

后者是由于電子缺位而產(chǎn)生的行為現(xiàn)象，由于它也可以在晶體內(nèi)移動,，好像帶正電的粒子,，因此被視為一種準(zhǔn)粒子。

半導(dǎo)體中摻入的“雜質(zhì)”的類別和濃度在很大程度上決定了其電導(dǎo)率以及許多其他電學(xué)特性,。

例如,，在硅、鍺半導(dǎo)體材料中摻入磷,、砷,、銻等元素后，其內(nèi)部電子成為主要的電荷載流子,，被稱為N型半導(dǎo)體,；

摻入硼、鋁,、鎵等元素后,，其內(nèi)部將由空穴主導(dǎo)載流過程，被稱為P型半導(dǎo)體,。

如果把P型和N型半導(dǎo)體接觸到一起,，二者的交界面處有一個專門的名稱——PN結(jié)。

以它為分界線,，N型半導(dǎo)體中的自由電子會隨機(jī)熱擴(kuò)散到P型半導(dǎo)體中,，之后與空穴結(jié)合相互抵消。反之也會出現(xiàn)空穴從P型擴(kuò)散到N型中的過程,。

由于半導(dǎo)體本身是不帶電的,，這種擴(kuò)散運動會使PN結(jié)兩側(cè)形成電勢差，產(chǎn)生電場,。在硅中,，PN結(jié)兩側(cè)會產(chǎn)生約0.6V至0.7V的勢壘。

當(dāng)把具有PN結(jié)的太陽能電池置于陽光下時,，P側(cè)吸收的光子導(dǎo)致價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶,，也就是從受縛電子成為自由電子。

這個過程稱為光激發(fā),。

當(dāng)為電池上施加負(fù)載時,，這些電子將從P型側(cè)流入N型側(cè)。穿過外部電路后再返回到P側(cè)與它們留下的空穴重新結(jié)合,。

電子流動的過程便是電流產(chǎn)生的過程,，也就是光能轉(zhuǎn)化為電能的過程。

如果每吸收一個光子,，便轉(zhuǎn)化出等量的電能,，那便意味著該電池的效率是100%,，

不過，由于由于多種因素的限制,，會導(dǎo)致材料吸收的光子之所以無法全部轉(zhuǎn)化為電能,。

例如影響電池效率的最大因素——頻譜損失。它指的是電池?zé)o法吸收所有波長（能量）的光子所造成的能量浪費,。

由于將電子從價帶移動到導(dǎo)帶的行為需要能量,，因此只有能量超過該能量區(qū)間的光子才會產(chǎn)生電子-空穴對。

在硅中,，導(dǎo)帶與價帶之間的能量差（帶隙或能隙）約有1.1 eV,，這對應(yīng)波長約1.1微米的紅外光。

換句話說,，紅光,、黃光、藍(lán)光和一些近紅外光子能被吸收轉(zhuǎn)化,，而波長更長（能量更低）的無線電波,、微波和大多數(shù)紅外光子則不會產(chǎn)生電能。

這部分光譜在陽光中占比約19%,。

同時，能量超出帶隙太多的光子也幾乎無法被材料吸收,。因為當(dāng)電子被這些光子撞擊后,，能量會迅速損失并轉(zhuǎn)化為熱量。

這部分無法利用的光子約占入射陽光的33%,。

結(jié)合這兩個方面,，意味著僅光譜損失就讓硅的轉(zhuǎn)換效率下降到了48%。

帶隙的大小也成了影響電池效率的首要參數(shù),。

此外,，非絕對零度的物體都會通過黑體輻射釋放電磁輻射。一般來說,，室溫下的電池輻射出的能量約占其總能量的7%,。

另一方面，電池內(nèi)的載流子還有可能重組減少——電池內(nèi)的電子和空穴組合后發(fā)射光子,，它是材料吸收光子后產(chǎn)生電子-空穴對的反過程,，被稱為輻射復(fù)合。

這一系列的客觀因素限制導(dǎo)致太陽能電池的效率存在一個理論上限,，那便是SQ極限,。

SQ極限與帶隙的關(guān)系以及各種太陽能電池已達(dá)到的效率（截止到2016）

需要指出的是，SQ極限的提出時間較早,，在其基礎(chǔ)上,，研究人員后來又分析出其他影響電池效率的因素,，這導(dǎo)致太陽能電池理論效率極限的進(jìn)一步下降。

例如由于俄歇復(fù)合（不同于輻射復(fù)合的載流子之間的另一種相互作用）的影響,，導(dǎo)致目前公認(rèn)的單結(jié)硅電池的效率極限是29.4%,，但其SQ極限卻是約33%。

話說回來,，鈣鈦礦電池之所以能有較高的理論效率（33.7%）,，主要在于其帶隙是可調(diào)的。

為什么可調(diào)呢,？因為硅只能是硅,，而鈣鈦礦卻能由各種不同的材料組成。畢竟,，只要具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu),，就是鈣鈦礦。

從上圖可以看出,，最高效的太陽能電池的帶隙應(yīng)為1.34 eV,，對應(yīng)的最大功率轉(zhuǎn)換效率為33.7%。

那么,，有這么大帶隙的鈣鈦礦材料嗎,？遺憾的是，還沒有,。

截止到目前,，最接近的是美國和新加坡的研究人員在2017年合成出的一種鈣鈦礦合金材料，化學(xué)式為（FAPbI?)?.? (CsSnI?)?.?,，其帶隙接近1.3eV,。

而在主流的鈣鈦礦材料中，即便是最接近理想值的甲脒鹵化鉛（FAPbI?）,，其帶隙也有1.48 eV,。

可以預(yù)見的是，追求理想帶隙,，也即效率極限的過程不會容易,。但作為當(dāng)前最熱門的光伏材料，鈣鈦礦的優(yōu)勢還有很多,。

例如它的激子（將電子和空穴視為一體的準(zhǔn)粒子）結(jié)合能小,，這使得電子和空穴在吸收光子時很容易分離；載流子在其內(nèi)部的擴(kuò)散距離長,、擴(kuò)散率高,。

空穴（藍(lán)）和電子（紅）被電磁力束縛在一起，好似單個電中性粒子

以上幾點都使其更容易發(fā)生光電轉(zhuǎn)換,，也就是發(fā)電,。

此外,，鈣鈦礦不僅自身潛力巨大，它還可以與其他光伏材料結(jié)合,，造出不同類型的光伏電池,。

而這也讓光伏技術(shù)發(fā)展有了更多的可能。

03 應(yīng)用優(yōu)勢

鈣鈦礦光伏出身于染料敏化電池,，之后則“自成一派”,，走向了令其舉世矚目的薄膜結(jié)構(gòu)之路——與染料敏化電池同屬的第三代光伏路線。

對光伏代數(shù)的劃分有不同的標(biāo)準(zhǔn),，但總歸可以將光伏技術(shù)分為兩大類：晶圓光伏（第一代光伏）和薄膜光伏,。

晶圓一詞出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代，用來描述半導(dǎo)體材料（通常是鍺或硅）的薄圓形切片,，它們由直拉法生產(chǎn)的圓柱再經(jīng)切割后得到,。

直拉法生產(chǎn)的硅晶體柱

在晶圓光伏中，最廣為人知當(dāng)屬晶硅（c-Si）電池（包括單晶硅和多晶硅）,，目前為止,，它們?nèi)栽诋?dāng)前光伏市場占據(jù)主導(dǎo)地位（約90%的份額）。

此外,，還有一種化合物半導(dǎo)體材料,，也是晶圓光伏中的重要成員，那便是砷化鎵（GaAs）,。

砷化鎵的晶體結(jié)構(gòu)

相比于晶硅電池,，砷化鎵電池（帶隙1.424 eV）更耐高溫，效率更高,，而它之所以未被大范圍推廣的首要原因是體質(zhì)較脆，加工起來更為復(fù)雜,，成本更高,。

根據(jù)估算，砷化鎵單晶片的價格大約相當(dāng)于同尺寸硅單晶片的20至30倍,！

與晶圓光伏不同的是,，大多數(shù)薄膜電池被歸為第二代光伏。

它的優(yōu)勢在于更輕薄,、靈活,，厚度通常為幾納米到幾微米，比傳統(tǒng)晶硅電池中的晶圓（約200微米）薄得多,。

用料少了,，成本也就低了，且可被直接覆蓋到建筑外層或窗戶上,，應(yīng)用場景更豐富,。

首個被廣泛開發(fā)的薄膜材料是非晶硅,，但由于其制造效率和能效雙低，很快便被后來者,，如銅銦鎵硒（GIGS）,、碲化鎘（CdTe）等材料取代。

目前應(yīng)用最廣泛的薄膜光伏材料是碲化鎘,，其實驗室效率超過20%,，商業(yè)組件的平均效率約為 18%。

薄膜電池曾在1988年占據(jù)了全球光伏市場的32%的峰值份額,，但由于競爭對手——晶硅成本的快速下降,，以及老化快、壽命短等問題,，此后幾十年間,，它的市占率逐年走低，并在2021年降到了5%左右,。

薄膜光伏被打入了冷宮了嗎,？當(dāng)然沒有！資本市場是逐利的,，但科技的發(fā)展卻是客觀的,。

科學(xué)家一直在這條前景廣闊的技術(shù)路線上奮力開墾。截止到2023年,，單結(jié)薄膜砷化鎵電池效率已高達(dá) 29.1%,。

而采用薄膜技術(shù)的多結(jié)聚光電池的效率已高達(dá)47.6%，這也是目前光伏技術(shù)所取得的最高效率,。

同時,，人們還在積極研發(fā)新的薄膜光伏材料，而這,，便是業(yè)界所稱的第三代光伏,。

它被寄希望能克服當(dāng)前光伏電池的效率和性能限制，主要類型包括染料敏化電池,、有機(jī)光伏電池（OPV）,、量子點電池，以及鈣鈦礦電池,。

作為我們今天的主角,，鈣鈦礦電池可分為純鈣鈦礦和疊層（Tandem）兩大類。

純鈣鈦礦電池的結(jié)構(gòu)有n-i-p型和p-i-n型兩種,，即從上到下依次為電子（空穴）傳輸層—鈣鈦礦層—空穴（電子）傳輸層,。

鈣鈦礦材料受到光照后，將吸收能量大于其帶隙的光子,，并產(chǎn)生光生載流子——空穴和電子,。

之后,，空穴進(jìn)入空穴傳輸層HTL，電子進(jìn)入電子傳輸層ETL,，最終后分別通過金屬電極（一般為純金）和透明導(dǎo)電基底傳輸至外電路,。

所謂疊層電池，指的是將鈣鈦礦和其他類型的電池堆疊在一起,，起到一加一大于二的作用,。

例如熱門的HJT-鈣鈦礦疊層電池就是將其和異質(zhì)結(jié)（Heterojunction）薄膜硅電池相疊加。

其中鈣鈦礦位于上層,，由于它帶隙較高（一般在1.5eV左右）,，可以吸收短波長、高能量的太陽光（藍(lán)綠+紫外光）,。

帶隙較低（1.1eV左右）的HJT位于下層,，負(fù)責(zé)吸收長波長的太陽光（黃紅光+紅外光）。

鈣鈦礦電池和鈣鈦礦-硅疊層電池的基本結(jié)構(gòu)

強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手,，可以吸收太陽光的完整可見光譜,，提高電池效率。

能提高到多少呢,？45%,！超過了單結(jié)鈣鈦礦電池的極限效率（33.7%）。

仔細(xì)想來,，這其實就是一條解決單結(jié)電池效率太低的捷徑,。因為單一帶隙的材料不能吸收帶隙以下的光，且不能充分利用能量遠(yuǎn)高于帶隙的光,。

疊層,，則意味著一個電池可以內(nèi)包含兩個以上的PN結(jié)結(jié)構(gòu)，因此也被稱為多節(jié)電池,。

其內(nèi)部每個PN結(jié)都可對應(yīng)不同的帶隙,，從而能夠吸收不同波長的光。

三節(jié)純鈣鈦礦電池和鈣鈦礦-晶硅電池結(jié)構(gòu)圖

理論上來說,，對于具有無限層數(shù)的多結(jié)太陽能電池，自然光下的效率極限可以達(dá)到68.7%,！

降維打擊了屬于是,。

如果說效率是鈣鈦礦的核心技術(shù)優(yōu)勢，那么生產(chǎn)成本低則是它被市場追捧的另一大因素,。

鈣鈦礦電池的生產(chǎn)線主要包括鍍膜,、涂布、激光,、封裝等四大設(shè)備,。

其中鍍膜設(shè)備主要用于制備HTL,、ETL、陰,、陽極緩沖層,，以及背電極,；涂布設(shè)備用于制備鈣鈦礦層,。

激光則是用于不同層電流的阻斷導(dǎo)通以及電路結(jié)構(gòu)的定位構(gòu)建。

PVD指的是物理氣相沉積鍍膜

這四大設(shè)備的價值占比依次約為50%,、15-20%,、20-25%,、10%。

在此基礎(chǔ)上,，整個電池生成中成本最高的材料并不是鈣鈦礦層或緩沖層,，而是外部的導(dǎo)電玻璃（例如透明導(dǎo)電氧化物玻璃TCO）和背電極（純金）。

后兩者和鈣鈦礦材料的成本占比依次約35%,、31%,、3%。

與之相比,，單晶硅電池中硅片的成本竟然占到了整個電池制造成本的40%~50%,！

為什么會有如此大的不同呢？主要有三個方面的原因：材料性能,、原料價格,，以及生產(chǎn)過程。

首先,，電池中的鈣鈦礦層只需很?。?.3微米）便能實現(xiàn)對陽光的飽和吸收，想要實現(xiàn)同樣的效果,，晶硅電池中的硅片需要180微米厚,。

根據(jù)業(yè)界的測算，35公斤鈣鈦礦的發(fā)電量相當(dāng)于7噸硅,！

同時,，鈣鈦礦材料對雜質(zhì)容忍度較高，90%的純度即可實現(xiàn)正常工作,。晶硅則需要具備6N級以上純度,，否則功率將會優(yōu)于雜質(zhì)的擴(kuò)散而明顯衰減。

其次,，鈣鈦礦的原材料基本為基礎(chǔ)化工元素,、儲量豐富且制造工藝簡單。

最后，鈣鈦礦在生產(chǎn)過程中的能耗更低,。其所需的生產(chǎn)最高溫度一般不超過120度,。而晶硅在前端硅料和拉棒環(huán)節(jié)都需要1400℃左右的高溫，硅片生產(chǎn)的溫度也達(dá)到了800-900℃,。

以上多個方面加起來,，使鈣鈦礦材料在成本方面極具優(yōu)勢，并進(jìn)一步導(dǎo)致整個產(chǎn)線的資金和時間經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于晶硅電池,。

因為后者的生產(chǎn)需要在不同的廠房內(nèi)經(jīng)歷硅料,、硅片、電池,、組件四個環(huán)節(jié),，而鈣鈦礦電池在一個廠房就可以完成全部生產(chǎn)。

最終,，生產(chǎn)鈣鈦硅電池的投資額僅相當(dāng)于后者的一半,。

怎么看都劃算！

04 當(dāng)下與未來

既然鈣鈦礦的優(yōu)勢那么突出,，為什么今天市占率最高的光伏材料還是晶硅,，而在論文或新聞里頻繁現(xiàn)身的鈣鈦礦卻“叫好不叫座”呢？

很簡單,，因為鈣鈦礦電池還有很多未解決的問題,，其中之一就和它的“命數(shù)”有關(guān)。

鈣鈦礦的優(yōu)點之一是容易制備——在室溫下容易結(jié)合,，但反過來也同樣容易——鈣鈦礦會與水分和氧氣反應(yīng),，發(fā)生分解。

以甲胺鉛碘鈣鈦礦CH?NH?PbI?為例,，當(dāng)空氣中的水分子透過空穴傳輸層到達(dá)鈣鈦礦層后,，CH?NH?PbI?會首先分解為CH?NH?I和PbI?，CH?NH?I又分解成CH?NH?和HI,。

之后,，HI會分解為H?和I?，或與O?反應(yīng)生產(chǎn)H?O和I?

隨著水氧的增加,，以及HI溶于水形成酸性溶液,，會使整個電池受到損害。

雖然有個直接地解決這個問題的方案——通過使用各種保護(hù)材料來封裝鈣鈦礦,，防止其暴露在空氣和濕氣中,。

但遺憾的是，這種方法總歸是治標(biāo)不治本,，因為金屬電極中的金屬原子同樣也會引起鈣鈦礦材料的分解。

它們能通過擴(kuò)散作用進(jìn)入鈣鈦礦層，同時鈣鈦礦材料中的鹵素原子也會通過擴(kuò)散作用進(jìn)入并腐蝕電極材料,，進(jìn)而造成電池性能的下降,。

金薄膜電極

因此，只有從內(nèi)部提升器件的穩(wěn)定性,，才是解決問題的根本,。

這類還在進(jìn)行中的研究有幾個入手的方面，如從成分或結(jié)構(gòu)優(yōu)化的角度出發(fā),，提升鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性,；對鈣鈦礦表面做鈍化處理，生成保護(hù)膜,，減緩腐蝕分解,。

優(yōu)化載流子傳輸層和電極材料，將在光照下會與光吸收材料發(fā)生反應(yīng)TiO?替換成ZnO,，用碳電極代替金屬電極,；

在鈣鈦礦層與載流子傳輸層之間加入緩沖層，以降低相鄰層之間的影響等,。

而除了上述穩(wěn)定性,、耐用性的問題外，鈣鈦礦電池還存在大規(guī)模部署的問題,。

畢竟,，雖然實驗室中的鈣鈦礦電池有相當(dāng)耀眼的表現(xiàn)，但多都是些小型樣機(jī),。而小面積電池的效率會明顯高于大面積組件的效率,。

在電網(wǎng)層面采用該技術(shù)之前，需要進(jìn)行大規(guī)模的測試,。

可是,，鈣鈦礦太陽能電池是由多層材料通過液體墨水涂覆或真空沉積制成的薄膜器件，大規(guī)模制造均勻,、高性能的鈣鈦礦材料,，依然存在很大的困難。

再退一步講,，即便這些問題都解決了,，還有產(chǎn)業(yè)鏈上的問題。

例如,，當(dāng)前鈣鈦礦電池的生產(chǎn)工藝尚不統(tǒng)一,。

盡管約70%的鈣鈦礦組件制造設(shè)備都可以在LCD面板行業(yè)中找到，但當(dāng)前從事純鈣鈦礦電池或疊層電池生產(chǎn)的企業(yè)之間,，從材料的配方,，到設(shè)備的選擇,，到工藝流程的控制等環(huán)節(jié)都不盡相同。

液晶顯示器的基本結(jié)構(gòu)

材料或設(shè)備上無法統(tǒng)一供應(yīng)鏈而形成規(guī)模效應(yīng),，何談規(guī)?；当荆c發(fā)展了幾十年的成熟的晶硅市場相競爭,？

因此,，想大步進(jìn)入市場？鈣鈦礦還遠(yuǎn)不能說準(zhǔn)備好了,。

但話又說回來,，從2009年登場，到今天成為整個光伏領(lǐng)域的香餑餑,，鈣鈦礦電池也才走了14年的路,。

與同屬于薄膜光伏的碲化鎘電池相比，其實驗室效率已經(jīng)實現(xiàn)了反超（25.7%和22.1%）,。這意味著,，從效率提升的速度看，鈣鈦礦電池要比后者快100—1000倍,！

不同光伏電池的效率提升曲線

近些年來,，中、美,、日,、歐、韓等多方重點布局了鈣鈦礦電池的相關(guān)研究,。但要說誰的成果最多,，那還得是咱們中國！

根據(jù)東京數(shù)據(jù)分析提供商Fronteo的一項研究,，在2019—2022年間,，中國已發(fā)表了5500多篇有關(guān)鈣鈦礦電池的國際學(xué)術(shù)論文，約占前10個國家發(fā)表總數(shù)的30%,。

其次才是美國（約3400篇）,、韓國（約1500篇）、日本（約820篇）,。

而在商業(yè)化發(fā)展方面,，中國更是涌現(xiàn)了一大批重點布局鈣鈦礦的企業(yè)，如三峽集團(tuán),、纖納光電,、協(xié)鑫光電、極電光能,、眾能光電等,。

同時,，國家也迅速出來了不少文件來支持鈣鈦礦光伏領(lǐng)域的發(fā)展。

2021年11月國家能源局,、科技部出臺《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》,、2022年8月工信部出臺《加快電力裝備綠色低碳創(chuàng)新發(fā)展行動計劃》，同年10月,，國家發(fā)改委、能源局出臺《關(guān)于促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)鏈健康發(fā)展有關(guān)事項的通知》,。

這些官方文件明確要研發(fā)大面積,、高效率、高穩(wěn)定性,、環(huán)境友好型的鈣鈦礦電池,，并要逐步解決與鈣鈦礦（疊層）電池的量產(chǎn)工藝、組件級聯(lián)與封裝,、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等相關(guān)的問題,。

換句話說，鈣鈦礦電池,，未來是一定會上馬的,！

可以預(yù)見的是，中國將會持續(xù)保持,、而且有希望擴(kuò)大在鈣鈦礦電池領(lǐng)域的領(lǐng)先優(yōu)勢,，直至將其從實驗室推向?qū)嶋H應(yīng)用，甚至顛覆當(dāng)前以晶硅電池為主導(dǎo)的光伏市場,。

未來正來,。

參考文獻(xiàn)：

[1] Perovskite Solar, https://www./perovskite-solar

[2] Why did renewables become so cheap so fast? https:///cheap-renewables-growth

[3] 深圳先進(jìn)院等開發(fā)出基于自移波性質(zhì)的二維鈣鈦礦, https://www.cas.cn/syky/202309/t20230911_4970054.shtml

[4] 重磅Nature: 28.9%記錄效率！穩(wěn)定超3萬小時鈣鈦礦發(fā)光二極管（深度解讀）, https://www.163.com/dy/article/HM1PR3310552LHQK.html

[5] Effect of Hole Transport Materials and Their Dopants on the Stability and Recoverability of Perovskite Solar Cells on Very Thin Substrates after 7 MeV Proton Irradiation, https://onlinelibrary./doi/10.1002/aenm.202300506

[6] Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells,  https://pubmed.ncbi.nlm./19366264/

[7] http://metronu./npauly/art_2014_2015/shockley_1961.pdf

[8] 布朗大學(xué)Angew制備均相高光電轉(zhuǎn)化率理想光學(xué)帶隙的(FAPbI3)X(CsSnI3)1-X混合組分的鈣鈦礦型薄膜材料太陽能電池, https://www.sohu.com/a/190804530_472924

[9] Photovoltaics Reaching for the Shockley–Queisser Limit, https://pubs./doi/10.1021/acsenergylett.0c01790

[10] 鈣鈦礦——光伏電池的“明日之星”, http://news.sohu.com/a/602886396_121123896

[11] 鈣鈦礦太陽電池工藝設(shè)備-PVD,，涂布,，激光，封裝, http://news.sohu.com/a/659768760_121124362