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鈣鈦礦電池產業化優勢及制約因素

發布時間：2023-07-07 來源：元祿光電

1、產業化優勢

鈣鈦礦產業化優勢在于其增效降本遠超晶硅。從光電轉化率的角度來看，鈣鈦礦幾乎只用了10年時間走過了晶硅50年的發展路程。鈣鈦礦與晶硅的技術之爭本質是幾十萬種鈣鈦礦材料，和一種晶硅材料的競爭。

根據前文產業鏈分析，鈣鈦礦電池一間工廠僅45分鐘走完全部流程，生產效率顯著提升。

產線建設成本約為晶硅50%。光伏企業投資1GW產能GaAs（Tum-key線）需要金額約50億元；投資1GW產能晶硅電池需要合計投資金額7.5-10億元左右；工藝成熟條件下測算，1GW產能鈣鈦礦電池投資金額可降至約5億元，約為晶硅電池投資金額的50%，GaAs（Tum-key線）的10%。

鈣鈦礦電池生產能耗不及晶硅組件1/10。晶硅在拉單晶的過程中需要900℃以上的溫度將硅料融化，而鈣鈦礦各功能層的加工溫度不超過180℃，且大多數環節也無需真空條件。制造1W單晶組件的能耗大約為1.52kWh，而每瓦鈣鈦礦組件的生產能耗僅為0.12kWh，不及晶硅組件能耗的1/10。

2、產業化制約因素

鈣鈦礦電池產業化優勢明顯，但是同時也存在一定制約因素。目前研究人員針對于制約因素已經尋找到一些解決方式，未來仍需不斷探索。

（1）材料穩定性先天缺陷

鈣鈦礦電池相較晶硅電池有顯著降本增效優勢，但鈣鈦礦及電池器件各材料穩定性存在先天缺陷，容易導致組件在運行過程中壽命衰減。

離子晶體結構，鈣鈦礦材料具備不穩定性。鈣鈦礦自身的不穩定性可分為：1）物理不穩定性，即材料本身分解能較低，離子容易發生擴散，溫度或者組分的差異會導致鈣鈦礦材料發生成分偏析或者相分離，影響鈣鈦礦層的光電性能和長期穩定性；2）化學不穩定性，即鈣鈦礦具有離子鍵合特性，并且組成離子均為離子勢較小的“軟”離子，且含有較易分解的有機銨離子，這使得鈣鈦礦體系形成能較小、缺陷密度較高、各組分反應活性大，容易與環境中的水分子、空氣發生反應，光照下發生相分離，同時大量缺陷的存在也使得離子遷移很容易發生，是鈣鈦礦太陽能電池存在“遲滯”現象的重要原因，離子遷移的累積會造成鈣鈦礦晶體結構的崩塌，極大地損害器件的長期穩定性。

多層材料疊加，界面接觸復合反應影響電池性能。除鈣鈦礦材料自身的光電穩定性對器件影響之外，器件各層材料之間的接觸面對器件性能的影響也起到重要作用。界面的不穩定性主要存在于鈣鈦礦層與電子、空穴傳輸層之間。1）鈣鈦礦層材料的在結晶過程中晶粒間出現空隙，導致當電子、空穴材料接觸時復合嚴重，電池性能降低，并影響器件的穩定性。2）電子傳輸層常用的是金屬氧化物TiO2，由于其光催化特性，TiO2在光照條件下容易與接觸的鈣鈦礦材料和氧反應導致材料分解。

多種途徑彌補先天缺陷，助力鈣鈦礦產業化進程。由于鈣鈦礦材料的可設計性，研發人員提出了各種應對方案解決穩定性問題。針對上述問題采取添加組分及穩定劑工程、改進封裝材料、尋找化學性質更穩定、尺寸因子更合適的鈣鈦礦體系等手段來增強鈣鈦礦電池的穩定性。目前已有多家公司的鈣鈦礦電池產品通過了在85攝氏度和85%相對濕度下連續工作1000小時的測試，這是業內著名的針對晶硅電池的嚴格測試。

（2）大面積制備有難度

實現高效率鈣鈦礦電池的大面積制備是其產業化的另一大挑戰。實驗室效率進展迅速，產業化階段電池效率會隨組件面積放大而衰減。目前鈣鈦礦電池實驗室效率進展迅速，然而大多為1cm以下的小面積薄膜，對大多數光伏技術來說，大面積制備往往伴隨著電池效率的降低，這主要是由于電池面積增大伴隨著串聯電阻的線性增大。對于鈣鈦礦電池而言，這種隨電池面積增加而性能降低的現象更加明顯。除了串聯電阻的普遍因素外，影響高效率鈣鈦礦電池大面積制備的主要原因是其材料性質及制備方法。

溶液旋涂法是實驗室制備鈣鈦礦電池的常用方法，雖然操作簡單、成膜速度快、重復性好，但無法滿足鈣鈦礦太陽能電池大規模工業化生產所需要的大面積、低成本等制造要求。目前常用制備大面積鈣鈦礦生產工藝主要有溶液涂布法、溶液噴涂法、軟膜覆蓋法和氣相沉積法，但大面積鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率與旋涂法相比仍存在差距。

（3）環保問題

鈣鈦礦電池制備過程中前驅體溶液含鉛。鈣鈦礦薄膜的厚度與前驅體溶液濃度之間存在直接關系，制造高效鈣鈦礦太陽電池需要相對高濃度的含鉛前驅體。由于鈣鈦礦電池含鉛，并且所含碘化鉛具有水溶性，老化鈣鈦礦電池如未采取合適的回收方式，其中包含的碘化鉛浸出進入土壤后，被植物所吸收進入食物鏈，相對于其他人類活動帶入環境中的鉛其遷移性要高10倍以上。

目前鈣鈦礦含鉛不可避免。在鹵化鈣鈦礦中存在過量的碘化鉛是鈣鈦礦電池效率超過20％的關鍵。目前無鉛化是鈣鈦礦材料研究的重要方向之一，但到目前為止尚未找到光電效應能與鉛基鈣鈦礦電池匹配的其他材料電池，錫基鈣鈦礦可以達到16%左右的效率，但目前技術仍不太成熟。且含鉛鈣鈦礦更適合低溫制備，目前仍然是鈣鈦礦電池商業化的優先選項。