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能量轉(zhuǎn)換效率（PCE，power conversion efficiency），是太陽能電池最基本也是最重要的一項參數(shù)，在光伏領(lǐng)域，如何從太陽能中榨取出更多的電能，是學(xué)界和業(yè)界一直孜孜以求的探索方向。

當(dāng)前，單晶硅是普遍使用的光伏發(fā)電材料，然而隨著晶硅電池的能量轉(zhuǎn)換效率逐漸觸達(dá)其理論上限，科學(xué)家們又把目光投向了各類非硅電池，其中便涌現(xiàn)出了光伏界的“當(dāng)紅炸子雞”——鈣鈦礦。

鈣鈦礦（perovskite），這個有點拗口的名字取自俄羅斯礦物學(xué)家Perovski，作為光伏材料的鈣鈦礦，實際上和鈣、鈦、礦三個字都沒太大關(guān)系，這是一類與鈣鈦礦（CaTiO₃）晶體結(jié)構(gòu)類似的“ABX₃”化合物，被稱為繼第一代晶硅、第二代薄膜之后的第三代光伏電池技術(shù)路線。

相較于當(dāng)下主流的晶硅電池，鈣鈦礦具有更高理論效率、更低可期成本的優(yōu)勢，因此對于光伏行業(yè)來說，是一種具有革命性的新材料。

鈣鈦礦電池主要分為單結(jié)和疊層結(jié)構(gòu)，單結(jié)層鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)是類似“三明治”層狀的5層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，理論上光電轉(zhuǎn)換效率可以到達(dá)33%，也是我國研究鈣鈦礦企業(yè)的首選。目前鈣鈦礦最高單結(jié)效率已達(dá)到25.7%，由韓國蔚山國家科學(xué)技術(shù)研究所（UNIST）實現(xiàn)。

疊層結(jié)構(gòu)理論效率上限高，全鈣鈦礦雙結(jié)疊層轉(zhuǎn)換效率可達(dá)45%、三結(jié)疊層轉(zhuǎn)換效率可達(dá)50%。目前，鈣鈦礦/晶硅兩結(jié)疊層電池效率已經(jīng)達(dá)到32.5%，由德國HZB研究中心2022年12月最新認(rèn)證。

在過去相當(dāng)長一段時間里，晶硅光伏電池都是成本和效率極佳的統(tǒng)一體。相伴而生的，是天然礦物轉(zhuǎn)化太陽能效率的局限性。29.43%的理論極限值，成為晶硅材料“一眼到頭”的屏障。

與之形成鮮明對比，鈣鈦礦則走出了“最陡峭的成長曲線”。2009年，日本科學(xué)家首次用鈣鈦礦光伏電池發(fā)電，當(dāng)時其電能轉(zhuǎn)換效率僅有3.8%。僅僅過去13年，今天鈣鈦礦電池的實驗室效率就已基本追平了晶硅60多年發(fā)展才達(dá)到的結(jié)果，達(dá)到了25.7%。而且，鈣鈦礦電池的單層理論效率達(dá)33%，雙層可達(dá)45%以上，具有比晶硅更高的提升空間。

可以毫不夸張地說，鈣鈦礦用了十年時間就走完了晶硅電池五十年的路，這種發(fā)展速度的背后，得益于鈣鈦礦材料遠(yuǎn)強于晶硅的吸光性能，能量轉(zhuǎn)換過程中的極低能量損失，也與其覆蓋光譜范圍寬的特征有關(guān)。

除原材料不受限制外，鈣鈦礦電池制備工藝較短。從玻璃、膠膜、靶材、化工原料進(jìn)入到組件成型的全工程，整個產(chǎn)業(yè)鏈可高度濃縮在一個百兆瓦的工廠里，時間控制在45分鐘之內(nèi)。

此外，鈣鈦礦材料對雜質(zhì)敏感度低，對原材料純度要求也低于晶硅，且可以在低溫狀態(tài)下制備。相比于晶硅1000度左右的高溫流程，鈣鈦礦生產(chǎn)工藝溫度不超150度，節(jié)省資源的同時，還可降低能耗。

沒有一種材料是完美的，鈣鈦礦也一樣。盡管鈣鈦礦電池優(yōu)點頗多，但作為一種尚未脫離實驗室階段的材料，其缺陷嚴(yán)重限制了投入工業(yè)生產(chǎn)的能力，自然也就不能對單晶硅電池實現(xiàn)有效替代。

一方面是是涂覆技術(shù)的不成熟，在實驗室里制備的高效率鈣鈦礦電池，基本都是在1平方厘米以下的小面積薄膜，大多使用旋涂法制備，而在大面積生產(chǎn)中則使用的是狹縫涂布法，鈣鈦礦層沒法均勻涂抹在設(shè)備表面，對器件性能有明顯負(fù)面影響，需要開發(fā)更好的噴涂工藝。

另一方面，鈣鈦礦普遍使用TCO（透明導(dǎo)電氧化物）薄膜收集電流，而此類材料的一些物理性質(zhì)會造成光損失，且隨著面積的增大愈發(fā)明顯，這導(dǎo)致鈣鈦礦組件的效率會明顯低于單體電池。

簡而言之，受限于多方面原因，鈣鈦礦電池的轉(zhuǎn)換效率，往往隨面積增大而衰減嚴(yán)重。

鈣鈦礦材料自涉足太陽能電池領(lǐng)域之初，便將目光牢牢鎖定晶硅轉(zhuǎn)化效率的“天花板”，開啟一場“效率革命”。

雖然上述提到的三大問題目前制約著鈣鈦礦的發(fā)展，但也是產(chǎn)業(yè)界不斷突破的方向。今年以來，不斷有積極信號出現(xiàn)，多個鈣鈦礦大尺寸中試線項目落地，產(chǎn)業(yè)化在加速。

在“雙碳”政策的大背景下，未來光伏在一次能源消費的占比將從不到1%提升到25%以上，光伏市場前景可期。鈣鈦礦光伏作為一種新興的光伏技術(shù)，不僅在實驗室效率上可以比肩晶硅光伏的效率，而且在成本和工藝上更具顯著優(yōu)勢。此外，鈣鈦礦光伏弱光性能優(yōu)異、光電特性可調(diào)，是晶硅光伏不具備的特點，這使鈣鈦礦光伏在應(yīng)用場景上更具有廣闊的想象力，未來有望使光伏應(yīng)用走進(jìn)千行百業(yè)、千家萬戶。