利用這種成分的靈活性，科學(xué)家可以設計鈣鈦礦晶體，使其具有多種物理，光學(xué)和電學(xué)特性。鈣鈦礦晶體如今在超聲波機器，存儲芯片以及現在的太陽(yáng)能電池中都可以找到。
鈣鈦礦的清潔能源應用
所有光伏太陽(yáng)能電池都依靠半導體(位于玻璃等電絕緣體和諸如銅之類(lèi)的金屬導體之間的中間地層中的材料)將光能轉化為電能。來(lái)自太陽(yáng)的光激發(fā)半導體材料中的電子，電子流入導電電極并產(chǎn)生電流。
自19世紀50年代以來(lái)，硅一直是太陽(yáng)能電池中使用的主要半導體材料，因為硅的半導體特性與太陽(yáng)光線(xiàn)的光譜非常吻合，并且相對豐富且穩定。但是，常規太陽(yáng)能電池板中使用的硅晶體需要昂貴的多步驟制造過(guò)程，耗費大量能量。在尋找替代物時(shí)，科學(xué)家利用鈣鈦礦的可調性來(lái)制造具有與硅相似性質(zhì)的半導體。
鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池可以使用簡(jiǎn)單的添加劑沉積技術(shù)(例如印刷)來(lái)制造，而成本和能耗卻很低。由于鈣鈦礦的成分靈活性，它們也可以進(jìn)行分子結構調整以理想地匹配太陽(yáng)光譜。
2012年，研究人員首先發(fā)現了如何使用鹵化鈣鈦礦作為光吸收層來(lái)制作穩定的薄膜鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其光子至電子的光轉換效率超過(guò)10%。從那時(shí)起，鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池的太陽(yáng)光-電能轉換效率猛增，實(shí)驗室記錄為25.2%。研究人員還將鈣鈦礦光伏電池與常規晶硅電池結合在一起，這些“硅-鈣鈦礦”串聯(lián)電池的記錄效率目前為29.1%(超過(guò)常規硅電池的27%的記錄)，并且還在迅速上升。隨著(zhù)電池效率的迅速提高，鈣鈦礦光伏電池和鈣鈦礦疊層串聯(lián)太陽(yáng)能電池可能很快成為傳統晶硅光伏電池的廉價(jià)，高效替代品。
鈣鈦礦電池的最大挑戰
盡管鈣鈦礦電池(包括晶硅鈣鈦礦疊層電池)已被全球數十家公司商業(yè)化，但仍存在一些基礎科學(xué)和設計、制造領(lǐng)域的挑戰需要解決，改善其性能、可靠性和可制造性。
一方面是效率的繼續提升：鈣鈦礦研究人員通過(guò)表征鈣鈦礦中的缺陷，繼續提高轉化效率。盡管鈣鈦礦半導體具有很高的容錯能力，但缺陷仍對性能產(chǎn)生負面影響，尤其是那些出現在有源層表面的缺陷。
美國科學(xué)家用鈣鈦礦涂層修飾硅太陽(yáng)能電池，以更有效地收集高能藍光光子，從而繞開(kāi)了常規硅電池33%轉換的理論極限?？茖W(xué)家開(kāi)發(fā)出的鈣鈦礦量子點(diǎn)(比人的頭發(fā)小數千倍的微小粒子)，它們可以吸收高能光子，并發(fā)射出兩倍于低能光子，這一過(guò)程被稱(chēng)為“量子切割”。太陽(yáng)能電池吸收的每個(gè)光子都會(huì )產(chǎn)生一個(gè)電子，因此鈣鈦礦量子點(diǎn)涂層可以顯著(zhù)提高轉換效率。
從2009到2019短短10年內，鈣鈦礦電池的光電轉換效率已從最初的3.8%提高到了25.2%。
另一方面是穩定性和壽命：穩定性、耐久性是當下鈣鈦礦電池商業(yè)化的最大障礙，全球幾乎所有的研究人員都正在探索新的鈣鈦礦化學(xué)配方，以針對特定應用(如疊層串聯(lián)電池)調整其電子躍遷性能，或進(jìn)一步提高其穩定性和壽命。
除了通過(guò)改善鈣鈦礦結構的穩定性來(lái)提高壽命，研究人員還在研究新的電池設計和新的封裝策略以保護鈣鈦礦免受環(huán)境因素影響。如鈣鈦礦電池對水汽尤為敏感，水汽是影響電池壽命的重要因素，科學(xué)家一直在尋找最合適的封裝材料來(lái)杜絕水汽的進(jìn)入
研究人員還努力了解鈣鈦礦電池的衰減機理，從而尋找加速老化方法來(lái)研究預測鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的壽命。
不久前，纖納光電宣布其20cm2的鈣鈦礦小組件通過(guò)3倍IEC61215測試。在濕熱實(shí)驗測試中，組件老化時(shí)間由之前的1000小時(shí)提升至3000小時(shí)(高于IEC濕熱測試Damp heat test3倍時(shí)長(cháng))，組件轉化效率無(wú)衰減。與此同時(shí)，紫外預處理實(shí)驗使用了100kWh的劑量(等同于IEC檢測標準的6.5倍以上)，組件效率衰減小于2%。而這些都是晶硅電池可用25年的理論依據。
第三方面，如何大規模工業(yè)化生產(chǎn)鈣鈦礦電池。一些公司正在迅速探索各種制造工藝，包括如何使鈣鈦礦“油墨”適應已建立的大規模溶液印刷方法。使用一種卷對卷打印機，可以在低溫下將鈣鈦礦墨水打印到柔性基材上。
第四方面是大面積的挑戰。近兩年來(lái)鈣鈦礦電池得到了行業(yè)巨大的關(guān)注，最大的吸睛點(diǎn)來(lái)自鈣鈦礦電池效率的不斷突破，目前已接近晶硅電池，超越晶硅電池的效率已經(jīng)指日可待。然而，鈣鈦礦效率的提升并沒(méi)有帶來(lái)商業(yè)化的投資，最大的問(wèn)題就是鈣鈦礦電池的面積：屢破記錄的效率只能在幾平方厘米的電池面積上實(shí)現。
2020年美國能源部太陽(yáng)能技術(shù)辦公室(DOE-SETO)2000萬(wàn)美元推進(jìn)鈣鈦礦，其中支持的意向沉積技術(shù)，就是生產(chǎn)用于大面積太陽(yáng)能電池和增強常規硅太陽(yáng)能電池的鈣鈦礦材料薄膜。
最后，鈣鈦礦電池的環(huán)保問(wèn)題。含鉛一直是部分環(huán)保人士針對鈣鈦礦電池的最大詬病，如今性能最佳的鈣鈦礦一般都是用少量的鉛制成的，盡管研究人員也在探索替代成分和新的封裝策略，以減輕與鉛毒性有關(guān)的擔憂(yōu)。
對于鈣鈦礦含鉛or NOT對光伏電池的收益和風(fēng)險，行業(yè)專(zhuān)家由不同的理解和看法。相對于晶硅電池中的含鉛焊帶，鈣鈦礦電池中的鉛幾乎可以忽略不計，協(xié)鑫納米的鈣鈦礦專(zhuān)家范斌就一直在用實(shí)證來(lái)說(shuō)明鈣鈦礦電池中鉛的穩定性。
鈣鈦礦電池的商業(yè)化
鈣鈦礦電池盡管一直沒(méi)有得到規?；膽?，但其商業(yè)化的道路卻備受關(guān)注。牛津光伏與梅耶博格的頂級合作，協(xié)鑫納米100MW產(chǎn)線(xiàn)的落地，最新的分析認為鈣鈦礦光伏產(chǎn)品將于2021年開(kāi)售。
而今年7月31日，杭州纖納光電宣布，衢州纖納新能源科技有限公司5GW生產(chǎn)基地落成典禮暨鈣鈦礦生產(chǎn)線(xiàn)投產(chǎn)儀式舉行。
在轉化效率上，NREL新紀錄：鈣鈦礦疊層效率24.16%。
鈣鈦礦的研究成果正在從實(shí)驗室快速步入規?；a(chǎn)，商業(yè)化進(jìn)程不斷加快，投資者的關(guān)注也愈發(fā)強烈。從科技猜想到實(shí)驗室、再到產(chǎn)線(xiàn)的過(guò)程無(wú)論是時(shí)間、還是空間都在縮短，成為光伏領(lǐng)域產(chǎn)、學(xué)、研最為濃縮，融入最為緊密的前沿領(lǐng)域。
作為最有想象力和生命力的下一代新型太陽(yáng)能電池技術(shù)，第二屆全球鈣鈦礦與疊層電池產(chǎn)業(yè)化論壇即將于2020年10月召開(kāi)，一場(chǎng)由科學(xué)家、研究院、生產(chǎn)商、投資商、設備商、實(shí)驗室、地方產(chǎn)業(yè)園區、金融研究等全行業(yè)參與的盛會(huì )即將開(kāi)幕。
