隨著全球綠色經(jīng)濟(jì)熱度上升，如何獲得更多綠色能源成為眾人關(guān)注的核心問(wèn)題。帶著這個(gè)問(wèn)題，光伏產(chǎn)業(yè)將目光投向晶硅電池，盡全力提升其發(fā)電能力，榨出更多能量。
然而硅的能量轉(zhuǎn)化效率（PCE，power conversion efficiency）是有極限的。光伏產(chǎn)業(yè)越是提高晶硅電池的發(fā)電能力，就越能感受到客觀規(guī)律的無(wú)情與發(fā)展空間的日益局促。
除非超越硅。
近年來(lái)，為了替代晶硅電池或填補(bǔ)其無(wú)法觸達(dá)的應(yīng)用場(chǎng)景，各類非硅電池應(yīng)運(yùn)而生。然而在這些路線中，有的便宜卻效率低（大多數(shù)成熟薄膜電池），有的效率高卻極貴（如砷化鎵），有的甚至又貴效率又低（各種前沿早期技術(shù)）。
那么有沒(méi)有一種（可能）便宜，（確實(shí)）效率高且還（預(yù)計(jì)）易于生產(chǎn)的新型光伏電池？
這可就說(shuō)到本文的主角了：它用10年走完晶硅電池50年的路；它上Nature與Science如探囊取物，5年發(fā)了119篇正刊[1]；它在報(bào)道標(biāo)題中，最常與“破紀(jì)錄”和感嘆號(hào)一同出現(xiàn)。
它就是近年材料學(xué)當(dāng)之無(wú)愧的大明星，鈣鈦礦（perovskite）。
在知名玄學(xué)料理動(dòng)畫(huà)《中華小當(dāng)家》第十一集的故事中，特級(jí)廚師考試的最終題目，是要求考生們做一道“面非面”，也就是看著“像面但其實(shí)不是的料理”。
鈣鈦礦與“面非面”異曲同工，其實(shí)和鈣、鈦、礦三個(gè)字都沒(méi)什么關(guān)系。
光伏領(lǐng)域的所謂“鈣鈦礦”，指的是一類與鈣鈦礦（CaTiO3）晶體結(jié)構(gòu)類似的“ABX3”化合物，在鈣鈦礦光伏研究早期，科學(xué)家們瞄準(zhǔn)的主要是碘化鉛甲胺（CH3NH3PbI3）[2][3]。
這種結(jié)構(gòu)長(zhǎng)成下面這個(gè)樣子：
圖源丨Christopher Eames et al. [4]
鈣鈦礦結(jié)構(gòu)可以用ABX3表示，在鈣鈦礦光伏中，A位通常為有機(jī)陽(yáng)離子所占據(jù)（近年全無(wú)機(jī)也成為了研究熱點(diǎn)），B位為鉛離子Pb2+或亞錫離子Sn2+，而X位為鹵素陰離子。若A位由兩種陽(yáng)離子混合，或X位由兩種鹵素陰離子占據(jù)時(shí)，則特稱為混合型鈣鈦礦。
簡(jiǎn)而言之，鈣鈦礦材料不是指用狹義的“鈣鈦礦”做的材料，而是具有某種特定結(jié)構(gòu)的材料之總稱。為防止歧義，下文所述“鈣鈦礦”，如無(wú)特殊說(shuō)明，均指代這種類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的光伏材料，而非字面意義的鈣鈦礦（CaTiO3）。
當(dāng)前的鈣鈦礦電池主要走柔性器件路線，也可以歸類為一種薄膜電池，兼具半透明、色彩可調(diào)節(jié)的特點(diǎn)。這賦予了其遠(yuǎn)比晶硅電池廣闊的應(yīng)用空間。鈣鈦礦電池可以部署在那些無(wú)法承受或不能安裝晶硅電池的地方，這使得其特別適合用于光伏建筑一體。而又由于其高水平的轉(zhuǎn)化效率，理想化情況下被認(rèn)為有望實(shí)現(xiàn)車載，甚至是用于移動(dòng)設(shè)備的表面或是直接穿戴。
現(xiàn)階段的鈣鈦礦電池有三種典型結(jié)構(gòu)，分別為：
（a）正式介孔結(jié)構(gòu)：即采用一層介孔狀的物質(zhì)（最常見(jiàn)的是二氧化鈦）作為骨架并承擔(dān)電子轉(zhuǎn)移輸運(yùn)的功能。此種結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦電池成膜光滑、均勻，效率表現(xiàn)好，但該路線的制備工藝更為復(fù)雜，且需要高溫?zé)Y(jié)；
（b）正式（n-i-p）平面結(jié)構(gòu)：此種電池結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，因此制備工藝更加簡(jiǎn)單且不需要高溫加工，效率略低一些但差距不太明顯；
（c）反式（p-i-n）平面結(jié)構(gòu)：制備工藝最為簡(jiǎn)單，可低溫成膜且更加適合與傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池疊加（關(guān)于這一點(diǎn)將在后文詳述），三種結(jié)構(gòu)里效率最低但差距也不大，是最適合用于工業(yè)生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)；
鈣鈦礦電池的制備工藝目前非常多樣化，但規(guī)?；骄桓撸袩o(wú)主導(dǎo)路線出現(xiàn)。
一般情況下，學(xué)術(shù)研究的設(shè)備主要由旋涂法生產(chǎn)，但這種方法產(chǎn)能低，對(duì)材料的浪費(fèi)比較嚴(yán)重，且不能用于生產(chǎn)大尺寸設(shè)備，用于工業(yè)生產(chǎn)可能性不高。
從工業(yè)生產(chǎn)看，“卷對(duì)卷”（roll to roll）通常被認(rèn)為是低成本制備薄膜最好的方式，最為匹配此種生產(chǎn)模式的工藝可能會(huì)在未來(lái)有較大工業(yè)化前景。
名詞解釋：卷對(duì)卷（roll to roll），或稱R2R是一種連續(xù)性的生產(chǎn)方式，用于加工柔性材料。材料從原筒狀的料卷卷出后，再在軟板上加入特定用途的功能，或在軟板的表面加工，然后再卷成圓筒狀或進(jìn)行裁切。在制造過(guò)程中，由于不使用真空無(wú)塵環(huán)境、復(fù)雜腐蝕過(guò)程與廢液處理工程 ，降本增效效果好，廣泛用于液晶顯示屏、薄膜太陽(yáng)能電池等設(shè)備的生產(chǎn)。
除了太陽(yáng)能電池外，由于其極有特點(diǎn)的材料性能，鈣鈦礦材料被認(rèn)為在光電傳感器、發(fā)光二極管（LED）等領(lǐng)域也有不小的潛力。不過(guò)此類研究大多非常早期，且考慮到現(xiàn)階段鈣鈦礦偏高的討論熱度，不宜有不切實(shí)際的預(yù)期。畢竟科學(xué)研究，一盆冷水可能才是多數(shù)時(shí)候的最終結(jié)果。
作為晶硅電池很有希望的補(bǔ)充或繼任者，鈣鈦礦最直觀的優(yōu)勢(shì)就是其高效率與低成本。
2009年第一個(gè)鈣鈦礦電池被生產(chǎn)出來(lái)時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率僅有3.8%[2]；十年后的2019年，這一數(shù)字就已經(jīng)超過(guò)25%，至少在實(shí)驗(yàn)室達(dá)到了晶硅電池的水平，遠(yuǎn)勝于如碲化鎘或銅銦鎵硒等薄膜電池（不考慮因過(guò)于昂貴而民用化進(jìn)程幾乎停滯的砷化鎵）。
這種發(fā)展速度的背后，得益于鈣鈦礦材料遠(yuǎn)強(qiáng)于晶硅的吸光性能，能量轉(zhuǎn)換過(guò)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)。
想要了解鈣鈦礦的效率優(yōu)勢(shì)，我們首先需要介紹一下帶隙與肖克利-奎瑟極限（Shockley-Queisser limit）。
帶隙是一個(gè)與光伏材料轉(zhuǎn)換效率直接相關(guān)的概念，指的是將電子從材料中釋放出來(lái)，使其成為電荷載流子（即可以自由移動(dòng)的帶有電荷的物質(zhì)微粒，通過(guò)運(yùn)動(dòng)輸運(yùn)電流）在電路中流動(dòng)所需的能量。
對(duì)于光伏來(lái)說(shuō)，能量就來(lái)自于入射光子攜帶的能量，而不同波長(zhǎng)的光所攜帶能量有所區(qū)別，單位為“電子伏特”（eV），而可見(jiàn)光光子的能量就介于1.75 eV（深紅色）和 3.1 eV（紫色）之間。
最理想光伏材料的帶隙為1.34 eV，使用這種材料的單一連接太陽(yáng)能電池（也就是俗稱的單結(jié)電池）在最理想的情況下，能夠?qū)?3.7%的入射光轉(zhuǎn)化為能量，而這就是所謂的肖克利-奎瑟極限（Shockley-Queisser limit）。
但問(wèn)題在于，目前人類已知的任何材料，都不天然符合這一完美的帶隙。而晶硅之所以得到廣泛應(yīng)用，是因?yàn)閹稙?.12eV，理論極限大概為32%（現(xiàn)實(shí)中不可能實(shí)現(xiàn)這一水平），已經(jīng)非常接近極限值。
鈣鈦礦的優(yōu)勢(shì)在于極高的靈活性。其作為一種化合物，配方可調(diào)，不但可以將其帶隙盡可能地推向理想值，也可針對(duì)不同波長(zhǎng)入射光設(shè)計(jì)不同鈣鈦礦層并彼此、或是與其他光伏材料疊加，從而捕獲盡可能多的光子，實(shí)現(xiàn)高水平轉(zhuǎn)化率。這也是有望推動(dòng)鈣鈦礦電池突破肖克利-奎瑟極限的主要方式之一。而相比較之下，硅晶只能提純，優(yōu)化空間與手段均十分有限[5]。
鈣鈦礦的低成本主要得益于兩個(gè)方面，一是其預(yù)期的成本比較低，二是整條產(chǎn)業(yè)鏈的投資需求可能不是特別高。
一方面，制作金屬鹵化物鈣鈦礦所需原材料儲(chǔ)量豐富，價(jià)格低廉，且前驅(qū)液的配制不涉及任何復(fù)雜工藝，對(duì)純度要求不高，后續(xù)組件對(duì)加工環(huán)境要求也不高。與晶硅相比，鈣鈦礦不需99.9999%（即6N）級(jí)別以上的純度，98%左右就已經(jīng)可用；組件生產(chǎn)過(guò)程不需要晶硅電池的千度左右的加工溫度，在生產(chǎn)過(guò)程中的能耗比較低，多數(shù)環(huán)節(jié)也不需要真空環(huán)境。
另一方面，鈣鈦礦電池由于光吸收能力強(qiáng)，對(duì)材料的用量非常低，對(duì)降低發(fā)電成本也有著很大優(yōu)勢(shì)。一般來(lái)說(shuō)，鈣鈦礦電池的鈣鈦礦層只需做到300~500nm厚度，與除玻璃外的其它功能層合計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)1μm左右的厚度，而晶硅電池的硅片厚度目前處于前沿的厚度也有120μm。根據(jù)Oxford PV的計(jì)算，35kg鈣鈦礦的發(fā)電量就可以與7t硅（160μm厚度硅片）相當(dāng)，降本空間十分可觀[5]。
最后的降本空間則來(lái)自產(chǎn)業(yè)鏈投資。由于鈣鈦礦制備簡(jiǎn)單，工藝流程比較短，有望在一座工廠內(nèi)就實(shí)現(xiàn)從鈣鈦礦前驅(qū)液生產(chǎn)到最終的組件封裝，上下游整合比較簡(jiǎn)單，而相比較之下晶硅電池工藝流程非常復(fù)雜，需要針對(duì)不同環(huán)節(jié)分別建廠，前期投資需求更高。
當(dāng)然，鈣鈦礦尚未實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，其成本優(yōu)勢(shì)主要基于多種條件綜合后的推測(cè)，是否能夠?qū)崿F(xiàn)仍需在驗(yàn)證。
盡管鈣鈦礦電池優(yōu)點(diǎn)頗多，但作為一種尚未脫離實(shí)驗(yàn)室階段的材料，其缺陷嚴(yán)重限制投入工業(yè)生產(chǎn)的能力，自然也就不能對(duì)單晶硅電池實(shí)現(xiàn)有效替代。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，鈣鈦礦電池有四個(gè)核心問(wèn)題：不耐用、不好造、不環(huán)保、不明白。
現(xiàn)階段的鈣鈦礦電池壽命短，穩(wěn)定性差，效率衰減過(guò)快，無(wú)法滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需要，一直是制約推廣的最大障礙。
作為一種離子晶體材料，鈣鈦礦材料可謂是非常脆弱，不同材料與結(jié)構(gòu)可能存在不耐高溫、不耐光照、易水解、易氧化、易發(fā)生二次反應(yīng)等缺陷。盡管近兩年伴隨著鈣鈦礦材料相關(guān)研究的長(zhǎng)足進(jìn)步，這種情況有所緩解，但電池整體衰減率相較于成熟的晶硅組件仍然太高，而且額外的保護(hù)措施，如保護(hù)涂層或摻雜等，還存在犧牲效率的可能。
2021年12月底，德國(guó)研究機(jī)構(gòu)的Forschungszentrum Jülich宣稱開(kāi)發(fā)了一種效率為20.9%的平面鈣鈦礦電池，其在超過(guò)1450小時(shí)的高溫和光照測(cè)試中，仍成功保持了99%的初始效率[6]。而其它不同研究機(jī)構(gòu)給出的極為多樣化的原型設(shè)備的測(cè)試數(shù)據(jù)則大多集中在“1000/2000小時(shí)，穩(wěn)定在80%/90%左右”的水平。
這對(duì)于早期穩(wěn)定性甚至只能維持幾小時(shí)的鈣鈦礦電池而言當(dāng)然是巨大進(jìn)步，可對(duì)于太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)本身而言還是不夠好。一個(gè)電站不可能接受頻繁修理發(fā)電設(shè)備，哪怕鈣鈦礦生產(chǎn)成本再低，這在維護(hù)成本上也不可行。
傳統(tǒng)的硅晶電池是什么水平？我們可以看兩個(gè)案例[8]：
云南石屏縣牛達(dá)林場(chǎng)光伏項(xiàng)目：安裝于1995年，運(yùn)行20年后，總衰減效率為7.69％，平均年衰減0.38％。
甘肅省自然科學(xué)院太陽(yáng)能研究基地10kW光伏電站：安裝于1983年，運(yùn)行33年后，總功率為7kW，估算每年的衰減為0.9％。
而這甚至是數(shù)十年前，晶硅組件技術(shù)還不那么成熟的時(shí)代錄得的數(shù)據(jù)。
根據(jù)工信部發(fā)布的《光伏制造行業(yè)規(guī)范條件（2021年本）》[9]，現(xiàn)階段的鈣鈦礦電池罕有能達(dá)到衰減率標(biāo)準(zhǔn)的，而即使有少數(shù)路線達(dá)到了，也往往建立在犧牲其它性能的基礎(chǔ)之上（尤其是引以為傲的效率）。
此外，由于諸多原因，鈣鈦礦電池的測(cè)試往往有很多“貓膩”，測(cè)試涉及的條件參數(shù)可能沒(méi)有詳盡披露，所以給出的最終數(shù)據(jù)有可能不能反映真實(shí)狀況，這也需要一些更進(jìn)一步的共識(shí)來(lái)矯正[10]。
以及有機(jī)-無(wú)機(jī)鹵素鈣鈦礦的化學(xué)性質(zhì)決定了其對(duì)金屬存在一定的腐蝕性（還原/氧化反應(yīng)），而金屬是光伏組件的重要組成部分，大量輔材應(yīng)用了金屬材料[10]。這顯然也對(duì)未來(lái)的規(guī)?；瘧?yīng)用存在不良影響。
雖然上文提到鈣鈦礦材料具有制備簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)，但目前的鈣鈦礦電池在大尺寸設(shè)備和批量生產(chǎn)的工藝上仍然存在問(wèn)題。
當(dāng)前的鈣鈦礦電池主要處于實(shí)驗(yàn)室階段，而制備工藝顯然和工業(yè)化生產(chǎn)存在很大不同。當(dāng)前限制鈣鈦礦電池大尺寸化的因素，首先是涂覆技術(shù)的不成熟，鈣鈦礦層沒(méi)法均勻涂抹在設(shè)備表面，對(duì)器件性能有明顯負(fù)面影響，需要開(kāi)發(fā)更好的噴涂工藝。
其次則是鈣鈦礦普遍使用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(huì)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(huì)明顯低于單體電池，這也是實(shí)際應(yīng)用中不能接受的，需要有進(jìn)一步解決方案[11]。
說(shuō)的更直接一點(diǎn)，受限于多方面原因，現(xiàn)階段的鈣鈦礦電池根本造不大，造大了的性能也不好。2月5日發(fā)表在ADVANCED ENERGY MATERIALS的一篇文章中，羅馬第二大學(xué)的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的192cm2 有效面積的小型光伏面板，實(shí)現(xiàn)了11.9%的轉(zhuǎn)化效率，是迄今為止文獻(xiàn)報(bào)道的該尺寸設(shè)備的新紀(jì)錄，然而這一數(shù)據(jù)無(wú)論是面積還是效率都遠(yuǎn)不及硅晶組件[12]。
現(xiàn)階段，工業(yè)化生產(chǎn)希望最大、性能最好的鈣鈦礦材料是鉛鹵鈣鈦礦，主要得益于其光吸收能力強(qiáng)、光電流傳輸速度快、缺陷容忍度高等一系列優(yōu)異綜合性能。
但問(wèn)題在于，鉛是一種廣為人知的有毒重金屬，無(wú)論是對(duì)環(huán)境還是人體都有著毋庸置疑的危害。盡管有些觀點(diǎn)稱，鈣鈦礦材料的生產(chǎn)流程只要設(shè)計(jì)得當(dāng)就不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多污染，但這也意味著更為復(fù)雜的生產(chǎn)工藝與副產(chǎn)物處理流程，在成本上是否足夠經(jīng)濟(jì)還不太確定。
如何用更為環(huán)境友好的配方替代鉛鹵鈣鈦礦是一個(gè)比較主要的研究方向。當(dāng)前錫基材料進(jìn)展相對(duì)不錯(cuò)，但其在各方面性能，特別是效率和鉛基電池差距很大（最高紀(jì)錄也僅有14%[10]）。此外，相較于鉛，組分中的二價(jià)錫更為敏感，很容易被氧化為四價(jià)錫導(dǎo)致性能急劇惡化，這還會(huì)進(jìn)一步縮減鈣鈦礦電池本就不太行的設(shè)備壽命。
除了上述的問(wèn)題外，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池存在一種特定缺陷，導(dǎo)致發(fā)電能力存在性能損失與穩(wěn)定性欠佳。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，鈣鈦礦材料存在一種被稱為“深阱態(tài)”（deep trap state）的缺陷，顧名思義，它會(huì)像陷阱一樣困住載流子，導(dǎo)致光能無(wú)法轉(zhuǎn)化為電能，而以熱量的形式損失，影響鈣鈦礦電池的效率，盡管有大量研究在嘗試分析，這種現(xiàn)象的具體成因仍然不明[13]。
這提醒我們，想要將一種仍在實(shí)驗(yàn)室階段的技術(shù)大規(guī)模投入工業(yè)生產(chǎn)，還有多少困難要克服。
最后再讓我們回到能量轉(zhuǎn)換效率，也就是作為光伏電池最基本的發(fā)電能力這一繞不開(kāi)的話題。
在光電轉(zhuǎn)換效率上，鈣鈦礦確實(shí)表現(xiàn)出了遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)晶硅電池的水平。
2021年11月底，柏林亥姆霍茲中心 (HZB)的研究人員開(kāi)發(fā)出了一種認(rèn)證效率高達(dá)29.8%的鈣鈦礦/硅串聯(lián)電池[14]，打破了2020年12月由英國(guó)牛津的Oxford PV公司創(chuàng)下的前紀(jì)錄29.52%[5]。
這兩組數(shù)據(jù)甚至都已經(jīng)超越晶硅電池29.43%的理論極限，達(dá)到了全新領(lǐng)域。
當(dāng)然有人會(huì)說(shuō)這不是純鈣鈦礦電池，那么也有韓國(guó)蔚山國(guó)家科學(xué)技術(shù)研究所（UNIST）大學(xué)的25.8%效率的單結(jié)鈣鈦礦電池[15]和南京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)26.7%效率的全鈣鈦礦疊層電池[16]。還有許多其他路線的鈣鈦礦電池都能達(dá)到22.5%的晶硅電池國(guó)標(biāo)要求。
但效率從來(lái)不是光伏電池唯一需要解決的問(wèn)題，這些了不起的成績(jī)，都是有前提的。
首先，作為實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目不能談成本，當(dāng)然成本也不是研究者的關(guān)注重點(diǎn)，只是這些成果對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的指導(dǎo)意義終究有限。
其次是這些電池的尺寸很小，HZB和Oxford PV的電池尺寸分別只有1cm2、1.12cm2（這種尺寸在實(shí)驗(yàn)室電池中甚至不算小）；壽命也非常的短，例如500小時(shí)標(biāo)準(zhǔn)光照后，UNIST的設(shè)備效率就會(huì)下降至90%水平。一言以蔽之，都離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)室。
這些數(shù)據(jù)在晶硅電池25年的使用壽命與平米級(jí)的組件尺寸面前，只有學(xué)術(shù)價(jià)值，還不值得工業(yè)上的關(guān)注。
這揭示了當(dāng)前一種不太好的趨勢(shì)：在談及光伏領(lǐng)域的成果時(shí)過(guò)分強(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)化效率，孤立地將之作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，有意無(wú)意忽視其它條件。這顯然過(guò)度簡(jiǎn)化了新技術(shù)在投入工業(yè)生產(chǎn)時(shí)面對(duì)的復(fù)雜性。
至少一項(xiàng)新技術(shù)能不能用、好不好用不全看效率高低——現(xiàn)有研究成果早就能把效率提高到反直覺(jué)的程度。
有多高？
47.1%[17]（集中光照條件下，同一設(shè)計(jì)的變體在1倍太陽(yáng)光照條件下為39.2%），是當(dāng)前性能較好的量產(chǎn)太陽(yáng)能電池組的兩倍以上（隆基股份P型PERC電池量產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率超過(guò)23%[18]），十分驚人。
這一設(shè)備由美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）的研究者們制造，是一種六結(jié)III–V太陽(yáng)能電池，由6層III–V半導(dǎo)體合金制成的光敏層組成，每層都可以捕獲來(lái)自太陽(yáng)光譜特定部分的光。該電池的結(jié)構(gòu)極端復(fù)雜，各種III-V材料層層疊疊加起來(lái)有差不多140層，但厚度卻僅有頭發(fā)的三分之一[19]。
【名詞解釋】III-V材料，即III-V族化合物，是指元素周期表中III族的B，Al，Ga，In和V族的N，P，As，Sb形成的化合物，主要包括砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）和氮化鎵（GaN）等。III-V族化合物在光電子器件，光電集成，超高速微電子器件和超高頻微波器件及電路上均有重要應(yīng)用。
在光伏領(lǐng)域，該類化合物具有廣泛的光吸收特性，制成的電池組轉(zhuǎn)化效率優(yōu)異，且成本“相對(duì)”可以接受（非量產(chǎn)意義上），在對(duì)成本極不敏感的空天領(lǐng)域（各種衛(wèi)星、空間站等航天器）有著廣泛應(yīng)用。
如果只孤立地看數(shù)字，則轉(zhuǎn)化效率還有更高紀(jì)錄：68.9%。這是Fraunhofer-ISE制造，一種由砷化鎵制成的薄光伏電池，并在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的背面上應(yīng)用了幾微米厚的高反射導(dǎo)電鏡。然而這一數(shù)據(jù)是基于“單色光”，也就是單一波長(zhǎng)光得到的，連模擬太陽(yáng)光都不是，沒(méi)有可比性；該設(shè)備本身也是針對(duì)激光能量傳輸系統(tǒng)（laser energy transmissions systems）設(shè)計(jì)的，不是常規(guī)意義上的太陽(yáng)能電池[20]。
這些“超級(jí)電池”有商業(yè)化的可能么？顯然也沒(méi)有。
所以，千萬(wàn)別看到一個(gè)“破紀(jì)錄”的效率數(shù)字就以為光伏產(chǎn)業(yè)又要革命，可一定記得看看到底有多少不容忽視的細(xì)節(jié)。畢竟學(xué)術(shù)研究與工業(yè)生產(chǎn)的訴求是截然不同的，還是需要警惕對(duì)概念的過(guò)度炒作。
合體！
作為一種仍處實(shí)驗(yàn)室階段的技術(shù)，盡管鈣鈦礦電池的技術(shù)圖譜極端復(fù)雜，分支眾多，不同組分的電池在諸多方面都有著截然不同的表現(xiàn)。
但卻還是有一條路線受到高度關(guān)注，被譽(yù)為行業(yè)終結(jié)的解決方案：與硅異質(zhì)結(jié)電池串聯(lián)。
名詞解釋：HIT電池，俗稱HJT電池（受專利影響）、異質(zhì)結(jié)電池，指在晶體硅上沉積非硅薄膜的太陽(yáng)能電池。其綜合了晶體硅電池與薄膜電池的核心競(jìng)爭(zhēng)力，擁有極佳轉(zhuǎn)換效率。
這種路線的基本原理非常簡(jiǎn)單，就是在HJT電池表面涂覆一層鈣鈦礦電池。而之所以選擇異質(zhì)結(jié)電池，則是由于基本的發(fā)電原理決定了鈣鈦礦只能與N型（摻磷）硅片，也就是HJT電池所用的硅片疊加，無(wú)法與P型（摻硼）硅片兼容。
這種結(jié)構(gòu)可以最大限度的利用射入光：由于鈣鈦礦的可調(diào)節(jié)性，通過(guò)調(diào)整配方，使其吸收光譜中不能被硅晶電池利用的部分，而未被吸收的光則穿過(guò)鈣鈦礦層被硅吸收，最大限度吸收能量，將電池效率提高到極高水平——鈣鈦礦-HJT疊加電池的理論效率可達(dá)45%[21]。上文提到的兩款效率逼近30%的鈣鈦礦電池都屬于這一路線。
更妙的是，這種設(shè)計(jì)的鈣鈦礦電池只是整體效率的一部分，不必追求與晶硅電池旗鼓相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換效率，可將更多精力用于解決其它缺陷，無(wú)疑對(duì)產(chǎn)品研發(fā)更為友好。以及考慮到鈣鈦礦潛在的低成本生產(chǎn)的可能性，疊層電池和普通的HJT電池相比不會(huì)高出太多。
近年HJT電池量產(chǎn)工藝發(fā)展極快，較幾年前已有了驚人進(jìn)步。數(shù)據(jù)顯示，截至2021年底，異質(zhì)結(jié)已建產(chǎn)能5.57GW，2022年待建產(chǎn)能4.8GW，2022年底至少具備10GW的異質(zhì)結(jié)產(chǎn)能。這除了將會(huì)升級(jí)現(xiàn)有的晶硅電池產(chǎn)業(yè)外，也使得鈣鈦礦電池的介入成為可能。
當(dāng)然，這一切的前提仍是能夠優(yōu)化現(xiàn)階段缺陷仍然比較多的鈣鈦礦電池?，F(xiàn)階段的鈣鈦礦企業(yè)仍主要集中在一級(jí)市場(chǎng)，尚未實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?，要走的路還很長(zhǎng)。
也許……十年[5]？
[1] YYDS：罵歸罵，它和Nature、Science眉來(lái)眼去，5年117篇正刊！.微算云平臺(tái).2022.01.09 https://mp.weixin.qq.com/s/2vfDvYi2vqMxNh3d4RiHOA
[2] Kojima, Akihiro, et al. "Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells." Journal of the american chemical society 131.17 (2009): 6050-6051.
[3] Lee, Michael M., et al. "Efficient hybrid solar cells based on meso-superstructured organometal halide perovskites." Science 338.6107 (2012): 643-647.
[4] Eames, C., Frost, J., Barnes, P.et al.Ionic transport in hybrid lead iodide perovskite solar cells.Nat Commun6,7497 (2015). https://doi.org/10.1038/ncomms8497
[5] Sean O′Neill.Perovskite Pushes Solar Cells to Record Efficiency[J].Engineering,2021,7(8):1037-1040.
[6] Emiliano Bellini：Perovskite solar cell retains 99% of initial efficiency after 1,450 hours. pv magazine. 2021.12.20 https://www.pv-magazine.com/2021/12/20/perovskite-solar-cell-retains-99-of-initial-efficiency-after-1450-hours/
[7] 肖蓓：盤(pán)點(diǎn)頭部鈣鈦礦和疊層電池企業(yè)2021最新進(jìn)展：纖納、協(xié)鑫、極電光能、隆基、天合等. PVTECH. 2021.04.26 https://www.pv-tech.cn/news/A_review_of_head_perovskite_and_laminated_battery_business_2021
[8] 光伏盒子：25年？探尋光伏組件壽命的真實(shí)性及去向. 北極星太陽(yáng)能光伏網(wǎng). 2019.03.18 https://guangfu.bjx.com.cn/news/20190313/968522.shtml
[9] 工業(yè)和信息化部：《光伏制造行業(yè)規(guī)范條件（2021年本）》.2021.03.11 https://www.miit.gov.cn/jgsj/dzs/wjfb/art/2021/art_f4ad5ce6359a457395cfe931c69bd777.html
[10] Schmidt-Mende, Lukas, et al. "Roadmap on organic–inorganic hybrid perovskite semiconductors and devices."APL Materials9.10 (2021): 109202.
[11] Li, Hui, and Wei Zhang. "Perovskite tandem solar cells: from fundamentals to commercial deployment." Chemical Reviews 120.18 (2020): 9835-9950.
[12] Castriotta, L. A., Zendehdel, M., Yaghoobi, N., Leonardi, E., L?ffler, M., Paci, B., Generosi, A., Rellinghaus, B., Di, A., Reducing Losses in Perovskite Large Area Solar Technology: Laser Design Optimization for Highly Efficient Modules and Minipanels. Adv. Energy Mater. 2022, 2103420. https://doi.org/10.1002/aenm.202103420
[13] Doherty, T.A.S., Winchester, A.J., Macpherson, S. et al. Performance-limiting nanoscale trap clusters at grain junctions in halide perovskites. Nature 580, 360–366 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2184-1
[14] Emiliano Bellini：Helmholtz Center achieves 29.80% efficiency for perovskite/silicon tandem solar cell. pv magazine. 2021.11.21 https://www.pv-magazine.com/2021/11/22/helmholtz-center-achieves-29-80-efficiency-for-perovskite-silicon-tandem-solar-cell/
[15] TestPV：25.8%！單結(jié)鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池打破最高效率！.全球光伏.2021.10.25 https://mp.weixin.qq.com/s/ufWx4pWyL8eQz1pErbHIiw
[16] 知光谷：譚海仁Nature: 26.7%記錄效率！全鈣鈦礦太陽(yáng)能疊層電池. 2022.01.19 https://mp.weixin.qq.com/s/6bNlkVblHwfwxj4NetYjtg
[17] NREL：Best Research-Cell Efficiency Chart https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html
[18] 上證e互動(dòng)：隆基股份提問(wèn)問(wèn)答. 2021.08.11 http://sns.sseinfo.com/qa.do
[19] NREL：News Release: NREL Six-Junction Solar Cell Sets Two World Records for Efficiency. 2020.04.13 https://www.nrel.gov/news/press/2020/nrel-six-junction-solar-cell-sets-two-world-records-for-efficiency.html
[20] Emiliano Bellini：Fraunhofer ISE unveils 68.9%-efficient III-V solar cell for laser energy transmission systems. pv magazine. 2021.06.29 https://www.pv-magazine.com/2021/06/29/fraunhofer-ise-unveils-68-9-efficient-iii-v-solar-cell-for-laser-energy-transmission-systems/
[21] Mark Jaffe：These cells could be the key to efficient, cheap solar energy. But they have to make it in the “torture chamber” first. The Colorado Sun. 2022.01.03 https://coloradosun.com/2022/01/03/perovskite-cheap-efficient-solar-panels-nrel/
本文來(lái)自微信公眾號(hào)“果殼硬科技”（ID:guokr233），作者：陳悶雷，編輯：李拓、劉冬宇，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。
