鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(PSCs)是利用鈣鈦礦型材料作為吸光層的新型化合物薄膜太陽(yáng)能電池。鈣鈦礦是類自然產(chǎn)生的陶瓷氧化物，最早發(fā)現(xiàn)于鈣鈦礦石中的鈦酸鈣化合物中，并因此而得名。鈣鈦礦主要在堿性巖中產(chǎn)生，偶爾也會(huì)出現(xiàn)在蝕變的輝石巖中，常與鈦磁鐵礦共生。2009年，日本科學(xué)家首次選用有機(jī)一無(wú)機(jī)雜化的鈣鈦礦材料，制備出全球第一個(gè)具有光電轉(zhuǎn)換效率的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件。近年來(lái)，鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)研究持續(xù)發(fā)展。2023年，鈣鈦礦材料入選工信部《前沿材料產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)發(fā)展指導(dǎo)目錄(第一批)》。至2025年，國(guó)內(nèi)己實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦電池平方米級(jí)組件量產(chǎn)，并在穩(wěn)定性上大幅突破。
晶硅電池發(fā)展正在逐漸逼近理論效率極限。根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，TOPCon電池的極限轉(zhuǎn)換效率為28.7%，HJT極限轉(zhuǎn)換效率為27.5%，HJT與TOPCon的量產(chǎn)效率逐漸逼近理論效率極限。預(yù)計(jì)，當(dāng)前鈣鈦礦的市場(chǎng)滲透率僅有0.2%左右，預(yù)計(jì)2030年可以實(shí)現(xiàn)30%的滲透率。
鈣鈦礦憑借優(yōu)異的光電特性、高吸收系數(shù)、長(zhǎng)激子擴(kuò)散距離、高的載流子遷移率、低的激子結(jié)合能等優(yōu)點(diǎn)有望成為光伏電池的未來(lái)發(fā)展方向。鈣鈦礦是一種立方體的ABX3晶體結(jié)構(gòu)，其中B離子位于立方晶胞的中心，被6個(gè)X離子包圍:A離子位于立方晶胞的角頂，被12個(gè)X離子包圍。鈣鈦礦薄膜太陽(yáng)能電池的理論效率高達(dá)50%，理論效率決定了生產(chǎn)成本和使用效率的性價(jià)比較高。另外根據(jù)CBG資訊數(shù)據(jù)，鈣鈦礦材料具有高吸收系數(shù)、長(zhǎng)激子擴(kuò)散距離、高的載流子遷移率、低的激子結(jié)合能等優(yōu)異的光物理性質(zhì)
鈣鈦礦有較好的弱光性能，冬季同等條件下鈣鈦礦組件相較晶硅多發(fā)電9.3%。根據(jù)德護(hù)涂膜數(shù)據(jù)，鈣鈦礦對(duì)光的吸收能力強(qiáng)，光譜吸收范圍廣，即使在室內(nèi)等弱光條件下，鈣鈦礦仍能保持較高的光電轉(zhuǎn)換效率，而傳統(tǒng)晶硅電池由于帶隙較窄，弱光下的發(fā)電效率較低。根據(jù)極電光能數(shù)據(jù)，隨著輻照度的降低，鈣鈦礦組件的相對(duì)效率逐漸升高，當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到600W/m2一800W/m2的時(shí)候，鈣鈦礦組件的相對(duì)效率達(dá)到最高，為標(biāo)準(zhǔn)光照下的111%。晶硅組件輻照度在700-1000W/m2區(qū)間內(nèi)，組件效率與標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下的效率相當(dāng)，當(dāng)輻照度低于100W/m時(shí)，其組件效率僅為標(biāo)準(zhǔn)條件下的96%左右，而鈣鈦礦組件即使在輻照度低于100W/m時(shí)，組件效率仍然為標(biāo)準(zhǔn)條件下的104%。相較于冬季同等條件下的品硅組件，弱光發(fā)電增益能力可為鈣鈦礦組件帶來(lái)約9.3%的額外發(fā)電。
相比較晶硅電池，鈣鈦礦生產(chǎn)鏈條較短，封裝材料成本占比較高。晶硅產(chǎn)業(yè)鏈較長(zhǎng)，各環(huán)節(jié)進(jìn)入壁壘高，導(dǎo)致價(jià)格波動(dòng)大、擴(kuò)產(chǎn)周期長(zhǎng)。根據(jù)極電光能數(shù)據(jù)，鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)鏈非常短，在一個(gè)工廠內(nèi)即可完成從原料到組件的全部工序，而且鈣鈦礦電池材料在純度方面要求不高，只需要達(dá)到99%~99.9%就能生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)電池。封裝材料在生產(chǎn)成本中占比較高，根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，在鈣鈦礦電池組件中玻璃及其他封裝材料占34%，電極材料占30.9%，鈣鈦礦成本僅為3.1%。
鈣鈦礦在當(dāng)前量產(chǎn)效率下的理論成本最低可以實(shí)現(xiàn)1元/W，相關(guān)人士認(rèn)為認(rèn)為鈣鈦礦成本降低仍有空間。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)測(cè)算，鈣鈦礦薄膜的生產(chǎn)成本理想狀態(tài)下可以實(shí)現(xiàn)2g/m鈣鈦礦材料對(duì)應(yīng)10元/m的生產(chǎn)成本、其他界面層薄膜的成本可以實(shí)現(xiàn)25元/m、FTO玻璃可以實(shí)現(xiàn)40元/m、后電極10元/m2合計(jì)85元/m材料成本，假設(shè)封裝材料合計(jì)50元/m，折舊、人工和能源成本合計(jì)45元/m，累計(jì)鈣鈦礦組件成本可以在理想狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)180元/m。由于目前協(xié)鑫大尺寸鈣鈦礦電池的量產(chǎn)效率已經(jīng)實(shí)現(xiàn)約18%，在該效率下對(duì)應(yīng)單平米電池功率約為180W，所以在當(dāng)前效率下理想狀態(tài)下的成本可以實(shí)現(xiàn)1元/，和目前晶硅組件的成本相當(dāng)。但是由于鈣鈦礦電池的效率依然有提升空間，所以鈣鈦礦的單位成本或依然有較大的降低空間
4、與晶硅電池疊層實(shí)現(xiàn)更高效率
單結(jié)鈣鈦礦電池轉(zhuǎn)換效率仍將受到SQ輻射極限的限制，疊層電池可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)提效。由于理想的單結(jié)電池中，電子和空穴僅僅通過(guò)輻射復(fù)合發(fā)出光子，理論效率極限稱為Shockley-Queisser極限，約31%。而打破SQ極限的有效方法之一是制備由僅吸收短波長(zhǎng)光能的寬帶隙子電池和主要吸收長(zhǎng)波長(zhǎng)光能的窄帶隙子電池組成的疊層太陽(yáng)能電池。
兩端疊層電池制備難度較大，四端疊層更容易實(shí)現(xiàn)更高效率。為了確保兩端疊層內(nèi)部的電子和空穴復(fù)合需要制備中間層，而中間層成為影響兩端疊層電池效率的關(guān)鍵。疊層電池為了將各單結(jié)電池吸收光譜分配合理，以獲得更高效率，需要解決上下電池匹配度的問(wèn)題，因此需要在兩端串聯(lián)電池中對(duì)帶隙、薄膜厚度以及連接層之間進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化。而四端疊層電池的兩個(gè)子電池具備獨(dú)立工作的能力，四端電池不需要匹配的電流就可以有效完成分配光吸收的任務(wù)，更容易實(shí)現(xiàn)比兩端串聯(lián)電池更高的效率。