“我非常建議那位作者能夠仔細看下文章。”范斌，協(xié)鑫納米總經(jīng)理忍不住吐槽，“那篇文章實(shí)際上是說(shuō)經(jīng)過(guò)12000小時(shí)的連續AM1.5光照測試，鈣鈦礦組件的效率不但沒(méi)有下降，反而還上升了將近20%。”而根據晶硅組件的IEC 61215曝露測試標準，只要積累光照功率達到60kW(相當于A(yíng)M1.5光照條件下累積照射60小時(shí))，晶硅組件的衰減不超過(guò)5%就算合格。也就是說(shuō)這篇論文本來(lái)證明的是鈣鈦礦的光照穩定性顯著(zhù)優(yōu)于晶硅，卻被國內的翻譯者錯誤地解讀成了鈣鈦礦組件只能工作一萬(wàn)多個(gè)小時(shí)。

兩年來(lái)，業(yè)內常常引用這篇文章來(lái)抨擊他所從事的事業(yè)，也有專(zhuān)家認為鈣鈦礦屬于有機物，從原理上就無(wú)法像晶硅電池那樣穩定。

可以說(shuō)，這是近年來(lái)光伏業(yè)界鬧的最大烏龍。

12000小時(shí)，按實(shí)際有效小時(shí)數計算，相當于上海江蘇8年的使用時(shí)間。組件效率上升了20%，也就是說(shuō)如果用鈣鈦礦組件建一座5kW的電站，8年后，這座電站變成了6kW。

根據協(xié)鑫納米的鈣鈦礦組件在戶(hù)外連續工作三個(gè)半月的結果顯示，組件效率不降反升。而晶硅組件通常每個(gè)月會(huì )衰減0.1%左右。從目前的數據看，鈣鈦礦組件的工作壽命優(yōu)于晶硅組件。

光致增益

“鈣鈦礦光致增益的原因比較復雜，原理在業(yè)界現在還沒(méi)有完全弄清楚。”范斌說(shuō)，“但有個(gè)機制可以確定，我們在顯微鏡下觀(guān)測到，經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間光照，鈣鈦礦晶體的尺寸會(huì )逐漸變大，小晶體會(huì )互相融合變成大晶體。”

材料科學(xué)

鈣鈦礦材料是一類(lèi)有著(zhù)與鈦酸鈣(CaTiO3)相同晶體結構的材料，是 Gustav Rose 在 1839年發(fā)現，后來(lái)由俄羅斯礦物學(xué)家L. A. Perovski命名。鈣鈦礦材料結構式一般為ABX3，其中A和B是兩種陽(yáng)離子，X是陰離子。這種奇特的晶體結構讓它具備了很多獨特的理化性質(zhì)，比如吸光性、電催化性等等，在化學(xué)、物理領(lǐng)域有不小的應用。2009年，Tsutomu Miyasaka首次選用有機-無(wú)機雜化的鈣鈦礦材料CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3取代傳統DSSCs中的染料作為新型光敏化劑，制備出首個(gè)真正意義的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，從此拉開(kāi)了鈣鈦礦吸光材料的序幕。

通過(guò)調節比例，鈣鈦礦系列幾乎可以得到近乎無(wú)限的配方，擁有各種不同的特性，所以鈣鈦礦的研發(fā)重點(diǎn)在于材料科學(xué)。而材料學(xué)科的特性也注定了這是一門(mén)研發(fā)周期長(cháng)、投入巨大的工作，國內外許多頂級研究機構和企業(yè)都在從事這方面研究。

范斌，2000-2006清華大學(xué)化學(xué)系本科、碩士，2007-2010瑞士EPFL博士，國家千人計劃特聘專(zhuān)家，2010年與兩位清華的同學(xué)田清勇和白華共同創(chuàng )辦了惟華光能，后被協(xié)鑫集團收購，更名為協(xié)鑫納米。

國內清華大學(xué)、暨南大學(xué)、上海交通大學(xué)、東南大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京大學(xué)，國外牛津大學(xué)、Fraunhofer實(shí)驗室、瑞士洛桑高等理工大學(xué)(EPFL)也都在進(jìn)行鈣鈦礦光伏電池關(guān)鍵材料的研發(fā)或進(jìn)行量產(chǎn)實(shí)驗。

十年時(shí)間，鈣鈦礦電池實(shí)驗室轉換效率從3.8%到24.2%。

“目前鈣鈦礦技術(shù)發(fā)展最快的是中國和韓國。”范斌說(shuō)，“協(xié)鑫納米專(zhuān)注的是量產(chǎn)工藝的開(kāi)發(fā)，我們去年建成了全世界第一條10MW級別中試生產(chǎn)線(xiàn)，現在正在建設100MW級別的量產(chǎn)生產(chǎn)線(xiàn)。

穩定性分析

鈣鈦礦到底“靠不靠譜”?

雖然百年來(lái)光到底是一種粒子還是波我們都沒(méi)有弄清楚，但這不妨礙我們了解光生伏打效應的原理。

光生伏打效應的來(lái)源是光照之下，半導體材料由基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷所導致的電壓差。晶硅的基態(tài)和激發(fā)態(tài)都是單線(xiàn)態(tài) ，電子的自由躍遷很容易“跳上去”，但也很容易“跳下來(lái)”，因此雜質(zhì)對晶硅電池的擾動(dòng)非常的大;而鈣鈦礦電池的基態(tài)是單線(xiàn)態(tài)，激發(fā)態(tài)是三線(xiàn)態(tài)，電子 “跳上去”以后，不容易掉下來(lái)。而且晶硅里的光生電荷一旦復合，就會(huì )變成熱消散掉，而鈣鈦礦晶體里的電荷復合之后有很高的概率會(huì )把光子重新釋放出來(lái)，再被附近的晶格吸收掉，產(chǎn)生新的電荷。

因此，鈣鈦礦電池對于材料純度要求并不如晶硅一樣要求具備6N級以上純度，通常只需要90%左右。這不但節約了提純的成本，也從原理上提升了組件的壽命。晶硅的功率衰減主要就是源自雜質(zhì)向硅片的擴散，只要存在電極與硅片的接觸，雜質(zhì)的擴散就是不可避免的。因此單晶硅組件第一年的衰減是3%，此后每年約衰減0.8%。而鈣鈦礦對雜質(zhì)本來(lái)就不敏感，自然雜質(zhì)的擴散不容易導致鈣鈦礦組件的衰減，所以才能在12000個(gè)小時(shí)的連續光照下沒(méi)有任何衰減。

同時(shí)，人工設計的鈣鈦礦材料，其帶隙可以無(wú)限接近于理論最優(yōu)帶隙，因此鈣鈦礦的理論效率上限能比晶硅高3到4個(gè)百分點(diǎn)。而且鈣鈦礦材料的吸光能力強，0.3微米厚就可以 實(shí)現對太陽(yáng)光的飽和吸收，而晶硅電池里的硅片厚度通常是180微米。按60片組件計算，原本需要消耗1kg的硅料，變成只需要2g的鈣鈦礦材料，每年國內30多萬(wàn)噸的多晶硅需求轉換成鈣鈦礦，只需要幾百?lài)?，而且由于純度要求很低，所以需要的能量遠遠小于晶硅電池。

在筆者看來(lái)，全球最大的多晶硅企業(yè)協(xié)鑫集團，正在尋求自我突破和自我顛覆。

這也是鈣鈦礦可以降低成本的關(guān)鍵。范斌測算，如果量產(chǎn)100MW的鈣鈦礦電池，效率18%，成本可以做到0.94元/W，是晶硅組件的50%，如果規模突破GW級，每瓦成本可以低至7毛錢(qián)。

但度電成本還需要考慮綜合因素，并不是組件價(jià)格低廉就更具備整體成本優(yōu)勢，目前鈣鈦礦組件效率15.3%仍然需要進(jìn)一步提升。對此范斌表示，通過(guò)不斷改進(jìn)鈣鈦礦材料配方，優(yōu)化專(zhuān)用設備設計，提升工藝水平，鈣鈦礦組件的效率明年會(huì )達到18%，2021年則將突破20%。

疊層電池

商業(yè)化第一步及后續

如圖所示，1.4eV是為最優(yōu)帶隙，半導體材料的帶隙越接近于此則效率越高。

晶體硅的帶隙約為1.1eV，理論效率為29.3% 。人工設計的鈣鈦礦材料，帶隙可以非常接近于最優(yōu)帶隙，因此單層鈣鈦礦電池的理論效率為33% ，雙層鈣鈦礦電池的理論可達到43%以上。

目前英國鈣鈦礦太陽(yáng)能公司-牛津光伏(Oxford PV)已經(jīng)在小面積的鈣鈦礦-晶硅疊層電池上做到28%的效率。2019年3月，金風(fēng)科技已成為牛津光伏的股東。

如目前火熱的光伏汽車(chē)，如果采用砷化鎵電池，目前的成本約在2000元/W，但用了鈣鈦礦和晶硅結合，完全可以實(shí)現經(jīng)濟性上的突破。

同時(shí)，鈣鈦礦制備溫度在100℃以下，因此除玻璃之外，還可以采用塑料等材料，可以很好地鋪滿(mǎn)整個(gè)車(chē)身或建筑，大大提升建筑節能或車(chē)輛續航能力。

筆者不由感慨：地球50%的礦物以鈣鈦礦形式存在，萬(wàn)物皆是鈣鈦礦，在未來(lái)，或許這將成為全球最主要的發(fā)電形式并衍生出多種應用場(chǎng)景，萬(wàn)物皆可鈣鈦礦。