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鈣鈦礦太陽能電池:重構(gòu)能源格局的 “材料革命”
發(fā)布時(shí)間:2025-07-05
鈣鈦礦太陽能電池(Perovskite Solar Cells)的技術(shù)突破,正在改寫光伏產(chǎn)業(yè)的游戲規(guī)則。這種基于 ABX?型晶體結(jié)構(gòu)的材料,以其獨(dú)特的光電特性成為全球科研界的焦點(diǎn)。2025 年,中國科學(xué)家在《自然》雜志發(fā)表的最新研究成果顯示,通過分子極化調(diào)控技術(shù),鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)換效率已突破 26.78%(認(rèn)證值 26.29%),而大面積模塊(16 cm2)效率也達(dá)到 23.08%。更值得關(guān)注的是,該器件在濕熱測試標(biāo)準(zhǔn)下運(yùn)行 1000 小時(shí)后效率仍保持 99% 以上,這一穩(wěn)定性指標(biāo)遠(yuǎn)超傳統(tǒng)晶硅電池。
技術(shù)迭代的核心在于材料創(chuàng)新。南京大學(xué)譚海仁團(tuán)隊(duì)通過引入苯乙胺碘化物(PEAI)和甲基碘化胺(MAI),成功制備出(100)取向的高質(zhì)量寬帶隙鈣鈦礦薄膜,將全鈣鈦礦疊層電池效率提升至 29.1%。這種晶體取向優(yōu)化策略不僅降低了缺陷密度,還將開路電壓提升至 1.373 V,為疊層技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
鈣鈦礦技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化落地正在加速。2025 年 4 月,隆基綠能宣布其自主研發(fā)的晶硅 - 鈣鈦礦疊層電池效率達(dá)到 34.85%,刷新了世界紀(jì)錄。這種疊層技術(shù)通過將鈣鈦礦與晶硅結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了對太陽光譜的全波段吸收,理論效率極限可達(dá) 43%。與此同時(shí),纖納光電在山西神池縣建成的全球最大穹頂鈣鈦礦項(xiàng)目成功并網(wǎng)發(fā)電,該項(xiàng)目采用透光光伏組件與穹頂建筑的融合設(shè)計(jì),年發(fā)電量達(dá) 2.53 萬度,減排二氧化碳 630 噸。
在柔性應(yīng)用領(lǐng)域,清華大學(xué)馬冬昕團(tuán)隊(duì)開發(fā)的鈣鈦礦量子點(diǎn)深紅光器件,外量子效率達(dá) 26.0%,工作半衰期超過 10587 小時(shí),為可穿戴電子設(shè)備提供了新的能源解決方案。寧波材料所則通過氰基衍生物添加劑,制備出效率 24.08% 的柔性鈣鈦礦電池,經(jīng) 3000 次彎折后仍保持 92% 的效率。
盡管技術(shù)突破顯著,鈣鈦礦電池仍面臨兩大核心挑戰(zhàn)。其一是材料穩(wěn)定性問題。鈣鈦礦對濕度、溫度和光照敏感,在濕熱環(huán)境下易發(fā)生離子遷移和結(jié)構(gòu)降解。中國科學(xué)院團(tuán)隊(duì)通過引入二維鈣鈦礦模板,將甲脒碘基鈣鈦礦(FAPbI?)的運(yùn)行壽命提升至 1000 小時(shí)以上,效率衰減不足 3%。沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)則開發(fā)出 CPMAC 合成分子,通過離子鍵強(qiáng)化界面結(jié)合,使電池在高溫高濕環(huán)境下運(yùn)行 2000 小時(shí)后效率衰減僅為傳統(tǒng) C60 電池的三分之一。
其二是大面積制備工藝的復(fù)雜性。鈣鈦礦薄膜的均勻性控制和缺陷密度降低是量產(chǎn)化的關(guān)鍵。嘉興市海鹽縣雪水港村鄰里中心項(xiàng)目采用狹縫涂布技術(shù),在建筑西立面鋪設(shè)藍(lán)灰色鈣鈦礦組件,實(shí)現(xiàn)了光電性能與建筑美學(xué)的統(tǒng)一。而京山輕機(jī)的團(tuán)簇型多腔式蒸鍍設(shè)備,已實(shí)現(xiàn)百兆瓦級量產(chǎn),為鈣鈦礦組件的規(guī)?;a(chǎn)提供了設(shè)備支持。
鈣鈦礦技術(shù)的發(fā)展得到了國家政策的強(qiáng)力支持。《“十四五” 能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》明確提出,要大力開展全鈣鈦礦疊層電池制備及產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究。寧夏回族自治區(qū)將新材料產(chǎn)業(yè)列為 “頂梁柱” 產(chǎn)業(yè),2021 年新材料規(guī)上企業(yè)產(chǎn)值突破 1200 億元,光伏材料、鋰電池材料等產(chǎn)業(yè)集群初步形成。上海市發(fā)布的《促進(jìn)新材料產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展實(shí)施方案(2025-2027 年)》則將鈣鈦礦納入前沿材料產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn),支持在航空導(dǎo)線、航天輕量化等領(lǐng)域的首發(fā)應(yīng)用。
在政策引導(dǎo)下,國內(nèi)企業(yè)加速布局鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)鏈。隆基綠能、纖納光電、協(xié)鑫納米等企業(yè)在疊層技術(shù)、柔性器件、建筑一體化等領(lǐng)域取得突破,形成了 “研發(fā)一代、儲備一代、量產(chǎn)一代” 的技術(shù)儲備體系。
鈣鈦礦太陽能電池的未來潛力遠(yuǎn)超傳統(tǒng)光伏技術(shù)。其理論效率極限(31%)和低成本溶液法制備工藝,使其在分布式發(fā)電、建筑一體化、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域具有不可替代的優(yōu)勢。隨著穩(wěn)定性問題的逐步解決和量產(chǎn)工藝的成熟,鈣鈦礦有望在 2030 年前實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。
更值得期待的是,鈣鈦礦與其他技術(shù)的融合創(chuàng)新。例如,清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的 N719 - 鈣鈦礦雜化吸光層,將濕度穩(wěn)定性提升三倍,為鈣鈦礦在惡劣環(huán)境下的應(yīng)用提供了新思路。而量子點(diǎn)技術(shù)與鈣鈦礦的結(jié)合,可能催生新一代發(fā)光器件和顯示技術(shù)。
鈣鈦礦太陽能電池的崛起,不僅是一場材料科學(xué)的革命,更是能源產(chǎn)業(yè)重構(gòu)的重要契機(jī)。中國在鈣鈦礦技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面已處于國際領(lǐng)先地位,政策支持、企業(yè)創(chuàng)新與科研突破的協(xié)同效應(yīng),正在推動這一技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向大規(guī)模商業(yè)化。未來十年,鈣鈦礦有望成為全球能源轉(zhuǎn)型的核心技術(shù)之一,為實(shí)現(xiàn) “雙碳” 目標(biāo)提供強(qiáng)有力的支撐。