因?yàn)橐粍t消息的發(fā)布，備受爭議的鈣鈦礦電池，再次引發(fā)業(yè)內(nèi)熱議。

4月2日，無錫極電光能科技有限公司(下稱“極電光能”)宣布，公司制備的大面積鈣鈦礦組件，經(jīng)過全球權(quán)威測試機(jī)構(gòu)JET(日本電氣安全環(huán)境研究所)嚴(yán)格檢測，達(dá)到了20.5%的光電轉(zhuǎn)換效率，為目前全球范圍內(nèi)大面積鈣鈦礦組件效率的最高紀(jì)錄。

神奇鈣鈦礦

極電光能是誰?這則消息的發(fā)布，為何會(huì)在行業(yè)內(nèi)引發(fā)熱議?要弄清楚這個(gè)問題，還要從鈣鈦礦開始說起。

和字面的意思不一樣，鈣鈦礦既不含鈣，也不含鈦，而是一類具有ABX3結(jié)構(gòu)的晶體材料的總稱，其中A是較大的陽離子，B是較小的陽離子，X是陰離子，每個(gè)A離子被B和X離子一起構(gòu)成的八面體所包圍。(如下圖)

歷史上發(fā)現(xiàn)的第一種鈣鈦礦，是天然礦物鈦酸鈣(CaTiO3)，它是1839年德國化學(xué)家古斯塔夫·羅斯在俄羅斯烏拉爾山探險(xiǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。隨后，研究人員把所有具有ABX3結(jié)構(gòu)的晶體材料都稱為鈣鈦礦。鈣鈦礦之所以會(huì)被許多研究人員寵愛，那是因?yàn)楹芏喾N離子都可以在一起組合成ABX3的結(jié)構(gòu)，比如BiFeO3、CsPbI3等。事實(shí)上，元素周期表中90%的金屬元素都可以成為鈣鈦礦的A或B離子。當(dāng)科學(xué)家需要一種特別的材料時(shí)，研究人員就制造出了大量的有著相同結(jié)構(gòu)但元素組成不同的晶體，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比，能很快找到表現(xiàn)最佳的材料。

鈣鈦礦第一次被應(yīng)用在太陽能發(fā)電領(lǐng)域，是2009年。日本橫濱大學(xué)教授Tsutomu Miyasaka率先將鈣鈦礦材料用于染料敏化太陽能電池作為吸光材料，獲得了3.8%的光電轉(zhuǎn)化效率。自此之后，鈣鈦礦電池成為國內(nèi)外頂尖高校實(shí)驗(yàn)室研究的目標(biāo)。

在鈣鈦礦電池面世八年之后的2017年，Tsutomu Miyasaka又與韓國成均館大學(xué)Nam-Gyu Park、教授牛津大學(xué)物理學(xué)Henry J. Snaith教授因共同發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用鈣鈦礦材料實(shí)現(xiàn)有效的能源轉(zhuǎn)換，榮獲化學(xué)領(lǐng)域2017年度“引文桂冠獎(jiǎng)”(對(duì)遴選出的可能摘取諾貝爾獎(jiǎng)的全球最具影響力的研究人員所頒發(fā)的獎(jiǎng)項(xiàng)，自2002年以來，每年發(fā)布的引文桂冠獎(jiǎng)已成功預(yù)測了39位諾貝爾獎(jiǎng)得主)。此時(shí)鈣鈦礦電池的效率已經(jīng)突破了20%。

在我國，2019年6月，科技部發(fā)布《國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“可再生能源與氫能技術(shù)”等重點(diǎn)專項(xiàng)2019年度項(xiàng)目申報(bào)指南》(以下簡稱《指南》)，其中在太陽能行業(yè)便率先提到了開展穩(wěn)定大面積鈣鈦礦電池關(guān)鍵技術(shù)及成套技術(shù)研發(fā)。關(guān)鍵指標(biāo)方面要求大面積鈣鈦礦光伏電池效率≥19%(面積>20cm×20cm)，室溫25℃，AM1.5光照1000小時(shí)后，效率衰減≤10%。

優(yōu)缺點(diǎn)分明的鈣鈦礦

之所以提出這樣的指標(biāo)，是因?yàn)樽鳛榈谌柲茈姵氐拟}鈦礦電池，雖然具有轉(zhuǎn)換效率上限高、成本低廉等優(yōu)勢，但也存在著穩(wěn)定性差和無法大面積制備等天然缺陷。

鈣鈦礦太陽能電池的核心是具有鈣鈦礦晶型(ABX3)的有機(jī)金屬鹵化物吸光材料。在這種鈣鈦礦ABX3結(jié)構(gòu)中，A為甲胺基(CH3NH3)，B為金屬鉛原子，X為氯、溴、碘等鹵素原子。目前在高效鈣鈦礦型太陽能電池中，最常見的鈣鈦礦材料是碘化鉛甲胺(CH3NH3PbI3)，它的帶隙約為1.5 eV，消光系數(shù)高，幾百納米厚薄膜就可以充分吸收800 nm以下的太陽光。而且，這種材料制備方便，將含有PbI2和CH3NH3I的溶液，在常溫下通過旋涂即可獲得均勻薄膜。上述特性使得鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)CH3NH3PbI3不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)可見光和部分近紅外光的吸收，而且所產(chǎn)生的光生載流子不易復(fù)合，能量損失小，這是鈣鈦礦型太陽能電池能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的根本原因。

據(jù)了解，在轉(zhuǎn)換效率方面，目前效率最高的晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率為24%左右，組件效率為21%左右，而鈣鈦礦電池轉(zhuǎn)換效率在25%左右，組件最高效率是極電光能剛剛發(fā)布的20.5%，兩者差距并不大。

除了轉(zhuǎn)換效率，在成本方面，即便晶硅太陽能電池已經(jīng)進(jìn)入平價(jià)時(shí)代，成本也比鈣鈦礦電池要高出許多。尤其是在硅料消耗上，鈣鈦礦電池的硅消耗量還不到晶硅電池的百分之一。如果鈣鈦礦電池可以量產(chǎn)的話，完全不必?fù)?dān)心硅料供不應(yīng)求的問題。

既然擁有這么明顯的優(yōu)勢，鈣鈦礦電池為什么沒能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)?因?yàn)殁}鈦礦電池存在兩大最為致命的缺陷——穩(wěn)定性差和無法大面積制備。

穩(wěn)定性方面，鈣鈦礦電池在潮濕環(huán)境下很容易分解，進(jìn)而影響到其使用壽命。目前鈣鈦礦電池的壽命多在1000小時(shí)左右，而晶硅太陽能電池的工作壽命為20-25年，根本不可同日而語。太陽能電池板工作環(huán)境較為惡劣，鈣鈦礦電池不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，對(duì)其發(fā)展存在極大的影響。

制備方面。在光伏持續(xù)降本增效的情況下，大尺寸組件已成為趨勢，182和210組件市場份額也在不斷提高。但鈣鈦礦電池的高效，只能體現(xiàn)在小尺寸上，一旦面積變大，其效率就會(huì)快速下降。之所以會(huì)出現(xiàn)此種現(xiàn)象，主要是因?yàn)樵诰w生長過程中，會(huì)出現(xiàn)密度不一，不夠整齊，相互間存在孔隙的情況，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)換效率降低。

某上游鈣鈦礦設(shè)備生產(chǎn)商技術(shù)人員告訴世紀(jì)新能源網(wǎng)，目前的鈣鈦礦生產(chǎn)設(shè)備，主要面向科研院所和高校等定向銷售，還無法大面積量產(chǎn)。已經(jīng)量產(chǎn)的，也主要停留在中試化量產(chǎn)實(shí)驗(yàn)階段，距離真正的商業(yè)化，還有很長的路要走。

鈣鈦礦電池的研發(fā)之路

盡管前路艱難，但為了鈣鈦礦電池能夠早日量產(chǎn)，很多科研團(tuán)隊(duì)和光伏企業(yè)還是付出了極大心血，也取得了不俗成果。

今年一月，沖繩科學(xué)技術(shù)研究所(OIST)的戚亞冰研究團(tuán)隊(duì)利用一種減少缺陷的新制造技術(shù)，制造出穩(wěn)定性和效率都有所提高的大面積鈣鈦礦光伏組件，不過其有效面積僅為12平方厘米。

近日，來自西北工業(yè)大學(xué)黃維院士團(tuán)隊(duì)、南京工業(yè)大學(xué)教授陳永華團(tuán)隊(duì)的努力下，成功用一種多功能“離子液體”作溶劑替代傳統(tǒng)有毒有機(jī)溶劑制備鈣鈦礦光伏材料，最終成品轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了24.1%，跟目前領(lǐng)先的硅基太陽能電池保持在同一水平。在長時(shí)間的觀察和記錄后，發(fā)現(xiàn)其在未封裝，且在85 ℃持續(xù)加熱和持續(xù)光照下500小時(shí)的條件下，依然能保持其初始效率的80%和90%，表現(xiàn)非常優(yōu)異。

除了科研團(tuán)隊(duì)，作為鈣鈦礦電池追隨者的眾多光伏企業(yè)，近些年也在積極探索，不斷突破。

2016年，華中科技大學(xué)韓宏偉教授團(tuán)隊(duì)以印刷介觀鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)為核心，成立了湖北萬度光能，開始生產(chǎn)60cm×60cm的鈣鈦礦組件，但是目前尚未有公開的效率認(rèn)證消息。

2015年7月，本科畢業(yè)于浙江大學(xué)光電系和澳洲新南威爾士州大學(xué)光伏學(xué)院，讀博期間師從著名有機(jī)光伏權(quán)威、英國皇家科學(xué)院院士Jenny Nelson教授的姚冀眾聯(lián)合浙大校友顏步一，在杭州未來科技城一起創(chuàng)辦了國內(nèi)第一家鈣鈦礦新材料商業(yè)化科技公司——杭州纖納光電科技有限公司(以下簡稱“纖納光電”)。

成立一年半后，纖納光電將鈣鈦礦光伏小組件(超過16cm )效率提升至15.24%，經(jīng)NREL認(rèn)證，刷新了此前該領(lǐng)域12.1%的世界紀(jì)錄。此后，又分別在2017年5月、2017年12月、2018年7月和2020年四次刷新了該記錄。據(jù)《光伏電池效率榜》發(fā)布的數(shù)據(jù)，纖納光電鈣鈦礦小組件2020年的光電轉(zhuǎn)換效率成績是18.04%。

在更大面積的鈣鈦礦組件方面，NREL發(fā)布的效率圖顯示，纖納光電的首條20MW鈣鈦礦量產(chǎn)產(chǎn)線的鈣鈦礦量產(chǎn)模組(200cm-800cm)效率達(dá)到11.98%，打破了日本東芝公司保持的前世界紀(jì)錄。

相比新成立的纖納光電，協(xié)鑫集團(tuán)在鈣鈦礦上的布局，是通過并購重組完成的。

2010年，從瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)畢業(yè)后的范斌創(chuàng)立了廈門惟華光能有限公司(以下簡稱”廈門惟華”)，從2013年開始轉(zhuǎn)向鈣鈦礦光伏技術(shù)的開發(fā)，那一年鈣鈦礦電池橫空出世，引發(fā)科學(xué)界的研究熱潮。

2015年，廈門惟華建成第一條鈣鈦礦組件試驗(yàn)生產(chǎn)線，并在一年后被協(xié)鑫集團(tuán)并購，在蘇州成立了現(xiàn)在的協(xié)鑫納米。

截至目前，協(xié)鑫納米具備一條10MW的鈣鈦礦中試產(chǎn)線，并取得光伏組件認(rèn)證機(jī)構(gòu)德國萊茵TüV認(rèn)證的1200cm 有效面積上13.5%的鈣鈦礦組件效率認(rèn)證。

在國內(nèi)，除了纖納光電和協(xié)鑫納米，同樣看中鈣鈦礦晶硅疊層電池的還有光伏巨頭——通威集團(tuán)。

2019年，通威成立鈣鈦礦團(tuán)隊(duì)，采用的是高效硅基底電池和低成本和無毒穩(wěn)定鈣鈦礦材料疊加的技術(shù)路線。并在當(dāng)?shù)腟NEC展會(huì)上，和西南石油大學(xué)共同推出了大面積156.75mmx156.75mm鈣鈦礦小組件(非常規(guī)版型)，并宣稱將在鈣鈦礦晶硅疊層太陽電池穩(wěn)定性方面做改進(jìn)。

按照通威的規(guī)劃，在未來3-5年內(nèi)，將進(jìn)行疊層鈣鈦礦電池的中試化量產(chǎn)實(shí)驗(yàn)，并與主流設(shè)備企業(yè)合作開發(fā)可大規(guī)模化的疊層鈣鈦礦電池的制備技術(shù)，并評(píng)估進(jìn)行疊層鈣鈦礦電池的可穩(wěn)定規(guī)模化制造性和產(chǎn)品長期穩(wěn)定性等問題，并在5-10年內(nèi)進(jìn)行鈣鈦礦疊層電池的大規(guī)模量產(chǎn)。

除了上述四家企業(yè)，杭州眾能光電公司、上海黎元新能源公司、北京曜能科技有限公司等，近年來也都布局了鈣鈦礦電池領(lǐng)域。

資本入局的推動(dòng)

鈣鈦礦電池的崛起，吸引了資本市場的注意。2019年4月26日，長江三峽集團(tuán)旗下三峽資本聯(lián)合中國三峽新能源宣布，三峽資本以戰(zhàn)略投資者身份注資纖納光電，投資金額5000萬人民幣。

資本注入后，2020年7月31日，纖納光電投資的全球首個(gè)鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)園在衢州纖落地建成。該項(xiàng)目總體規(guī)劃5GW，總投資54.6億元，總用地面積600畝。一期廠房11000方包含半導(dǎo)體車間、動(dòng)力、合成、倉庫、辦公、宿舍等相關(guān)配套，計(jì)劃年產(chǎn)20-25萬平方米光伏發(fā)電玻璃。

而就在三峽集團(tuán)戰(zhàn)略投資鈣鈦礦的前一個(gè)月，風(fēng)電巨頭金風(fēng)科技也宣布，以戰(zhàn)略投資者身份領(lǐng)投英國鈣鈦礦太陽能發(fā)電公司牛津光伏有限公司(下簡稱“牛津光伏”)D輪融資(共計(jì)3500萬英鎊)，投資金額2100萬英鎊。

牛津光伏是從牛津大學(xué)分離出來的一家公司，主要研究以晶硅作為底電池的鈣鈦礦疊層太陽能電池。2020年8月，牛津光伏宣布，如果進(jìn)展順利，他們的產(chǎn)品有望在2021年實(shí)現(xiàn)銷售。

時(shí)間進(jìn)入到2021年，對(duì)于鈣鈦礦電池的熱情仍在繼續(xù)。

2021年3月31日，晶澳科技發(fā)布公告，公司將對(duì)N型電池、鈣鈦礦等電池技術(shù)加大研發(fā)投入力度，技術(shù)儲(chǔ)備不斷完善，其中N型高效電池中試線轉(zhuǎn)換效率近24%，將繼續(xù)通過工藝提升降低生產(chǎn)成本，以達(dá)到大規(guī)模量產(chǎn)條件。

2021年4月2日，極電光能宣布，公司制備的大面積鈣鈦礦組件，經(jīng)過全球權(quán)威測試機(jī)構(gòu)JET(日本電氣安全環(huán)境研究所)嚴(yán)格檢測，達(dá)到了20.5%的光電轉(zhuǎn)換效率，為目前全球范圍內(nèi)大面積鈣鈦礦組件效率的最高紀(jì)錄。

企查查數(shù)據(jù)顯示，極電光能是保定市長城控股集團(tuán)有限公司(下稱“長城控股”)旗下全資孫公司，通過保定市瑞茂企業(yè)管理咨詢有限公司進(jìn)行控股。

除了極電光能，保定市瑞茂企業(yè)管理咨詢有限公司還有未勢能源科技有限公司和蜂巢能源科技有限公司兩個(gè)子公司，分別屬于氫能和動(dòng)力電池企業(yè)。

在傳統(tǒng)汽車領(lǐng)域之外，長城汽車又開啟了新能源賽道，它的入局，不知道能否讓鈣鈦礦電池跑贏晶硅電池?