【走近超材料③】

　　◎本報記者 陳 曦

　　在光伏產業中，近幾年鈣鈦礦炙手可熱。其之所以能異軍突起，成為太陽能電池領域的“寵兒”，離不開其得天獨厚的自身條件。鈣鈦礦具有眾多優異的光電特性、制備工藝簡單、原材料來源廣泛且含量豐富。除此之外，鈣鈦礦還可應用于地面電站、航空、建筑、可穿戴式發電器件等眾多領域。

　　3月21日，寧德時代申請的“鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法與用電裝置”專利公布。近年來，在國內相繼出臺的政策措施的支持下，以鈣鈦礦太陽能電池為代表的鈣鈦礦產業取得了長足的發展。那么什么是鈣鈦礦？鈣鈦礦產業化情況如何？還面臨哪些挑戰？科技日報記者就此采訪了相關專家。

　　鈣鈦礦既不是鈣也不是鈦

　　所謂鈣鈦礦，既不是鈣也不是鈦，而是具備相同晶體結構的一類“陶瓷氧化物”的統稱，分子式為ABX3。A代表“大半徑陽離子”，B代表“金屬陽離子”，X則代表“鹵族陰離子”。這三種離子通過不同元素的排列組合，或者調整彼此之間的距離，可以呈現許多神奇的物理特性，包括但不限于絕緣、鐵電、反鐵磁、巨磁效應等。

　　“根據材料的元素組成，可以將鈣鈦礦大致分為三類：復合金屬氧化物鈣鈦礦、有機雜化鈣鈦礦、無機鹵素鈣鈦礦。”南開大學電子信息與光學工程學院教授羅景山介紹，現在用于光伏的鈣鈦礦通常是后兩種。

　　鈣鈦礦可應用于地面電站、航空、建筑、可穿戴式發電器件等眾多領域。其中，光伏領域是鈣鈦礦的主要應用領域。鈣鈦礦結構可設計性強，具有非常好的光伏性能，是光伏領域近年來的熱門研究方向。

　　鈣鈦礦產業化進程加速，國內企業爭相布局。據悉，杭州纖納光電科技有限公司首批5000片鈣鈦礦組件出貨；仁爍光能（蘇州）有限公司也正在加速建設全球最大的150兆瓦級全鈣鈦礦疊層中試線；昆山協鑫光電材料有限公司2021年年中，完成100兆瓦鈣鈦礦量產生產線建設并進行試生產；極電光能有限公司150兆瓦的鈣鈦礦光伏組件生產線已于2022年12月建成投產，達產后年產值可達3億元。

　　在光伏領域鈣鈦礦優勢明顯

　　在光伏產業中，近幾年鈣鈦礦炙手可熱。其之所以能異軍突起，成為太陽能電池領域的“寵兒”，離不開其得天獨厚的自身條件。

　　“首先，鈣鈦礦具有眾多優異的光電特性，如可調節的帶隙、高吸光系數、低激子束縛能、高載流子遷移率、高缺陷容忍度等；其次，鈣鈦礦制備工藝簡單，可實現半透明、超輕、超薄、柔性等。最后，鈣鈦礦原材料來源廣泛且含量豐富。”羅景山介紹。而且鈣鈦礦的制備對原材料純度要求也比較低。

　　目前光伏領域大量使用的是硅基太陽能電池，可分為單晶硅、多晶硅、非晶硅太陽能電池。晶硅電池理論上的光電轉化極值為29.4%，目前實驗室環境最高能達到26.7%，距離轉化的天花板已經很近了；可以預見的是，技術改進的邊際收益也會越來越小。相比之下，鈣鈦礦電池的光電轉化效率理論極值更高，可達33%，如果把兩塊鈣鈦礦電池上下疊在一起，理論轉化效率可達45%。

　　而“效率”之外，另一個重要因素是“成本”。比如，初代薄膜電池的成本之所以降不下來，是鎘、鎵這些稀有元素在地球上的儲量實在太少，結果是產業越發達、需求量越大，生產成本反而越高，始終無法成為市場主流產品。而鈣鈦礦的原料在地球上都有大量分布，價格也很便宜。

　　此外，鈣鈦礦電池鈣鈦礦涂層的厚度只需幾百納米，大約是硅片的1/500，這意味著對材料的需求量非常少。比如目前全球晶硅電池每年對硅料的需求大約是50萬噸，若全部替換為鈣鈦礦電池，則只需要約1000噸鈣鈦礦。

　　在制造成本方面，晶硅電池需要將硅提純到99.9999%，因此必須把硅料加熱到1400攝氏度，融化成液體，拉成圓棒切片，再組裝成電池，中間至少要經歷4家工廠和兩三天時間，能源消耗也更大。而如果是生產鈣鈦礦電池，只需要將鈣鈦礦基液涂在基板上，然后等待結晶即可，整個過程只用到玻璃、膠膜、鈣鈦礦和化工原料，在一家工廠內即可完成，全程只需45分鐘左右。

　　“鈣鈦礦制備的太陽能電池具有優異的光電轉化效率，現階段其轉化效率已經達到了25.7%，未來可能會取代傳統的硅基太陽能電池，成為商業主流。”羅景山表示。

　　推進產業化亟須解決三大問題

　　在推進鈣鈦礦產業化進程中，人們還需要解決3個問題，即鈣鈦礦的長期穩定性、大面積制備和鉛的毒性問題。

　　首先，鈣鈦礦對環境十分敏感，溫度、濕度、光照、電路負載等因素都會導致鈣鈦礦的分解和電池效率的降低。目前大部分實驗室鈣鈦礦組件還達不到用于光伏產品的IEC 61215國際標準，也達不到硅太陽能電池10—20年的壽命，所以在傳統光伏領域鈣鈦礦的成本依然不占優勢。另外，鈣鈦礦及其器件的降解機制非常復雜，領域內對這個過程并沒有非常清晰的認識，也沒有統一的量化標準，這對穩定性的研究是不利的。

　　另一個主要問題是如何大面積制備。目前在實驗室里進行器件優化研究的時候，使用的器件有效光照面積通常在1平方厘米以下，而到了大規模組件的商業化應用階段，就需要對實驗室的制備方法進行改進或替換。目前適用于大面積制備鈣鈦礦薄膜的方法主要是溶液法和真空蒸鍍法。在溶液法中，前驅體溶液的濃度、比例、溶劑種類、存儲時間等都會對鈣鈦礦薄膜的質量產生很大影響。真空蒸鍍法制備的鈣鈦礦薄膜質量好、沉積量可控，但前驅體與基底之間又很難做到良好的接觸。另外，因為鈣鈦礦器件的電荷傳輸層也需要大面積制備，所以在工業化生產中需要建立各層連續沉積的產線。總體來說，鈣鈦礦薄膜大面積制備的工藝依然需要進一步優化。

　　最后，鉛的毒性也是需要關注的問題。目前高效的鈣鈦礦器件在老化過程中，鈣鈦礦會分解產生游離的鉛離子和鉛單質，這些鉛一旦進入人體，將對健康造成危害。

　　羅景山認為，穩定性等問題，可以通過器件封裝來解決。“如果在未來，這兩個問題解決了，也有了成熟的制備工藝，也可以把鈣鈦礦器件做成半透明玻璃或者做在建筑物表面實現光伏建筑一體化，或做成柔性可折疊設備用于航空航天等領域，讓鈣鈦礦在太空無水無氧的環境下發揮最大作用。”羅景山對于鈣鈦礦的未來充滿信心。