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鈣鈦礦第三代光伏技術產業概述

發布時間：2024-01-31 來源：元祿光電

鈣鈦礦是以俄羅斯礦物學家Perovski的名字命名的，最初單指鈦酸鈣（CaTiO3）這種礦物，后來把結構為ABX3以及與之類似的晶體統稱為鈣鈦礦物質。在此之后，鈣鈦礦優異的性質被充分研究挖掘，成為了具有明顯優勢的第三代光伏技術。經過不斷研究，鈣鈦礦電池效率也在快速攀升，并涌現出了多種技術路線，使其具備了未來挑戰晶硅光伏電池主導地位的實力。

下面我們將從鈣鈦礦材料的概念入手，了解其作用、優勢及工作原理，并針對鈣鈦礦電池行業的產業鏈進行分析，詳細梳理鈣鈦礦電池的原料、技術路線、制備工藝、生產設備以及應用場景等內容，深度解析鈣鈦礦的產業發展。

行業概述

1、鈣鈦礦材料

鈣鈦礦是一類具有ABX3分子結構的晶體總稱，可用于制備鈣鈦礦太陽能電池。鈣鈦礦結構的化學通式中A位一般為原子半徑較小的陽離子（如Cs+、MA+、FA+等），B位為原子半徑較大的過渡金屬離子（如Sn2+、Pb2+等），X為鹵素陰離子（I-、Br-、Cl-等）。鈣鈦礦材料擁有優越的電荷傳輸性質、長載流子擴散距離、全光譜吸收和高吸光系數，因而可以有效吸收太陽光并高效地產生光生載流子，同時減少在光電轉換過程中的能量損失，是較為理想的光電材料。

2、鈣鈦礦為優勢明顯的第三代光伏技術

從1954年光伏電池誕生世界頭一塊太陽能電池，光伏電池技術迭代已經走過三代：

（1）初代是以晶硅為主的太陽能電池，主要應用場景為集中式光伏電站，目前技術較為成熟，但光電轉化效率已經接近上限，提效降本空間較為有限，邊際成本大幅升高。

（2）第二代以薄膜太陽能電池為主，典型代表為銅銦鎵硒（CIGS）、碲化鎘（CdTe）太陽能電池，主要應用場景為分布式光伏，實驗室小面積試件光電轉化效率高于晶硅電池，但實際應用中光電轉化效率低于晶硅，且造價較為昂貴。

（3）第三代為新型太陽能電池，主要包括：鈣鈦礦電池、染料敏化電池和量子點電池。

第三代鈣鈦礦電池為新型化合物薄膜太陽能電池，具備第二代薄膜電池效率提升速率快、成本低、材料可設計性強的優勢，同時隨著商業化推進，有望彌補第二代面臨的量產表現與理論優勢條件差距大的問題。

3、鈣鈦礦電池工作原理

鈣鈦礦電池主要由以下五個功能層組成：透明導電氧化物（TCO）、電子傳輸層（ETL）、鈣鈦礦層、空穴傳輸層（HTL）和背電極。鈣鈦礦作為一種半導體材料，會產生光生伏特效應，即半導體在光照下會產生電動勢。在光照條件下，鈣鈦礦化合物吸收光子，在吸收光子后其價帶電子會躍遷至導帶，導帶電子隨后被注入到TiO2的導帶，然后被傳輸到FTO，與此同時空穴傳輸至有機空穴傳輸層（HTL），從而電子-空穴對分離，在接通外電路時，電子與空穴的移動產生電流。

4、鈣鈦礦優勢明顯，產業化潛力十足

第三代新型電池中，鈣鈦礦擁有載流子壽命長、帶隙（半導體可以吸收的較低能量）可調、光吸收單位寬等優勢，鈣鈦礦電池的應用有單結和疊層兩個技術方向。

鈣鈦礦電池相對于晶硅電池效率上限更高。鈣鈦礦電池具備高光吸收系數、受溫差影響小，光電損失少。典型的甲胺鉛碘（CH3NH3PbI3）鈣鈦礦帶隙為1.55eV，接近較好帶隙，單結效率實驗室效率已突破至25%以上，效率上限可達30%以上。而晶硅電池效率上限難以突破30%。并且鈣鈦礦材料帶隙可調節，與晶硅疊層，理論效率更高。用1.12eV帶隙的晶硅電池與1.73eV鈣鈦礦電池串聯，可以保證太陽光譜照射的較好分布吸收，理論效率超過43%。

鈣鈦礦電池相對于晶硅電池成本更低。鈣鈦礦組件目前產能投資略低于晶硅組件，約為5-7億元/GW，未來成熟后有進一步下降空間，而晶硅組件產能投資需要7.5億元。GW級別量產，鈣鈦礦材料占比3.1%，組件成本小于1.0元/W，5-10級別量產，組件成本可降至0.5-0.5元/W。

鈣鈦礦電池相對晶硅電池具備高弱光效應。鈣鈦礦材料在可見光范圍吸收系數可以達到105cm-1，具備高光捕獲能力；并且電池帶隙，接近弱光下電池較高效率所需帶隙，因此在陰雨天氣和日出日落等弱光環境均能工作。

鈣鈦礦電池下游應用領域廣闊。鈣鈦礦電池在分布式光伏市場具備競爭力，可廣泛應用于BIPV幕墻和屋頂，此外也是光伏車頂的優良材料。