去年9月，英國(guó)太陽(yáng)能制造商牛津光伏（OxfordPV）完成首批鈣鈦礦-硅疊層太陽(yáng)能電池的商業(yè)訂單交付，此舉被業(yè)界譽(yù)為一次重大突破。該事件標(biāo)志著全球歷時(shí)15年研發(fā)的這種兼具輕量化與多功能特性的新材料取得階段性成果，其性能潛力有望超越傳統(tǒng)硅基太陽(yáng)能電池。但此后遲遲未見(jiàn)后續(xù)出貨的情況表明，該技術(shù)尚未完全具備大規(guī)模商業(yè)化條件。
核心問(wèn)題在于：鈣鈦礦技術(shù)遲遲未能實(shí)現(xiàn)規(guī)?；袌?chǎng)應(yīng)用，導(dǎo)致其成本競(jìng)爭(zhēng)力始終不及成熟的硅基太陽(yáng)能電池。從2009年首篇鈣鈦礦太陽(yáng)能電池論文發(fā)表，到2024年實(shí)現(xiàn)首次商業(yè)出貨，硅基太陽(yáng)能電池的制造成本已從每瓦2.11美元大幅下降至0.2美元。這一價(jià)格下跌主要得益于東南亞地區(qū)產(chǎn)能的大幅提升。
當(dāng)前，美國(guó)對(duì)東南亞國(guó)家硅基太陽(yáng)能電池組件征收的高額關(guān)稅，或?qū)殁}鈦礦制造商創(chuàng)造競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。美國(guó)商務(wù)部4月21日作出最終裁決，對(duì)馬來(lái)西亞、柬埔寨、泰國(guó)和越南的太陽(yáng)能企業(yè)征收最高達(dá)3400%的懲罰性關(guān)稅。此項(xiàng)裁決源于一項(xiàng)長(zhǎng)期反補(bǔ)貼反傾銷調(diào)查，調(diào)查發(fā)現(xiàn)中國(guó)企業(yè)為規(guī)避既有關(guān)稅，將產(chǎn)能轉(zhuǎn)移至上述四國(guó)。如果今年6月再獲美國(guó)另一機(jī)構(gòu)最終確認(rèn)，該關(guān)稅將在現(xiàn)有對(duì)東南亞太陽(yáng)能組件進(jìn)口稅基礎(chǔ)上疊加征收。
然而，此類反傾銷關(guān)稅并不適用于鈣鈦礦等薄膜光伏產(chǎn)品。這對(duì)太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)商而言或許是利好消息，但他們必須迅速采取行動(dòng)——鈣鈦礦產(chǎn)品上市周期越長(zhǎng)，市場(chǎng)格局變數(shù)越大。然而，該領(lǐng)域部分研究人員仍執(zhí)著于突破功率轉(zhuǎn)換效率紀(jì)錄，某些鈣鈦礦電池的轉(zhuǎn)換效率已達(dá)27%。這些成果或許能助推論文登上高影響力期刊，卻對(duì)鈣鈦礦技術(shù)的商業(yè)化落地助益甚微。
許多研究人員指出，當(dāng)前不應(yīng)再追求效率的漸進(jìn)式提升，而應(yīng)將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模并延長(zhǎng)電池壽命。這意味著需要開(kāi)發(fā)新的制造工藝，在保證器件高質(zhì)量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)低成本生產(chǎn)。
這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)絕非易事。要在降低加工成本的同時(shí)延長(zhǎng)電池壽命并保持較高的轉(zhuǎn)換效率，需要投入大量研發(fā)工作。如果學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的研究人員通力合作，這一制造難題的解決速度或?qū)⒊鋈藗兊念A(yù)期。
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是由有機(jī)離子、金屬和鹵素組成，這些成分形成的特殊晶體結(jié)構(gòu)具備很強(qiáng)的可塑性。通過(guò)優(yōu)化材料配比，鈣鈦礦在光電轉(zhuǎn)換效率方面有望超越硅基材料：其理論效率極限可達(dá)34%，而硅基電池僅為32%。更值得注意的是，鈣鈦礦僅需極薄的材料層即可實(shí)現(xiàn)這一性能，這使得柔性太陽(yáng)能電池、曲面光伏組件、室內(nèi)光伏裝置及太陽(yáng)能窗戶等創(chuàng)新應(yīng)用成為可能。
鈣鈦礦材料還可堆疊在硅基光伏電池的上邊，以提升性能。目前鈣鈦礦-硅疊層太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率紀(jì)錄已達(dá)34.6%，較最優(yōu)性能的硅基電池顯著提升7個(gè)百分點(diǎn)，這一突破令人矚目。
然而，低成本制造高質(zhì)量鈣鈦礦材料的工藝仍面臨重大挑戰(zhàn)。加工過(guò)程中暴露于空氣和潮濕環(huán)境會(huì)損害其初始性能，并導(dǎo)致材料隨時(shí)間推移而退化。這一技術(shù)瓶頸迫使研究人員必須在高度受控的環(huán)境中完成組裝工序。
在受控環(huán)境中，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制備主要有兩種工藝。成本較高的氣相沉積法需在真空條件下使鈣鈦礦材料蒸發(fā)或汽化，隨后沉積成薄膜。這種工藝制備的薄膜質(zhì)量?jī)?yōu)異，缺陷率低且轉(zhuǎn)換效率穩(wěn)定。但此方法設(shè)備投入成本高昂，且需要嚴(yán)格的維護(hù)措施和極高的環(huán)境控制要求。
另一種工藝則采用更為簡(jiǎn)便且成本低廉的噴墨打印或噴涂沉積技術(shù)。這類溶液法工藝先將鈣鈦礦材料溶解于前驅(qū)體溶液（或稱“墨水”）中，然后直接涂覆于目標(biāo)基板表面。過(guò)去十年間，正是憑借該工藝的簡(jiǎn)易性，研究人員得以快速提升鈣鈦礦性能。然而，此類技術(shù)也同時(shí)面臨著可能造成大量污染和產(chǎn)品缺陷等問(wèn)題。
無(wú)論采用哪種工藝路線，要制備高性能鈣鈦礦電池，通常都需在實(shí)驗(yàn)室手套箱等受控環(huán)境中完成制造流程。該設(shè)備通過(guò)抽除氧氣和水分并充入氮?dú)獾榷栊詺怏w來(lái)營(yíng)造適宜的生產(chǎn)環(huán)境。然而，環(huán)境控制要求的提升將直接導(dǎo)致生產(chǎn)成本攀升。
部分手套箱可將內(nèi)部氧氣和水分含量控制在百萬(wàn)分之一（1ppm）以下。但這類系統(tǒng)的安裝和維護(hù)成本高昂——需要配置復(fù)雜的過(guò)濾循環(huán)系統(tǒng)和鼓風(fēng)系統(tǒng)來(lái)抽排廢氣，經(jīng)凈化后再循環(huán)輸入系統(tǒng)。這些過(guò)濾器和控制系統(tǒng)需定期維護(hù)更換，進(jìn)一步推高維護(hù)成本。僅ppm傳感器的價(jià)格就高達(dá)數(shù)千美元。
此類維護(hù)成本必然隨生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大而遞增。受控環(huán)境空間越大，需過(guò)濾的空氣量就越多，維持嚴(yán)格環(huán)境控制的難度也隨之提升。這就要求配置功率更大的風(fēng)機(jī)、尺寸更大的過(guò)濾器。若系統(tǒng)暴露于空氣中，重新恢復(fù)運(yùn)行狀態(tài)將耗費(fèi)更多時(shí)間和資金成本。
面對(duì)這些挑戰(zhàn)，太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)商正嘗試不同的鈣鈦礦器件制備方法，特別是在大規(guī)模生產(chǎn)方面。例如，英國(guó)達(dá)勒姆的PowerRoll公司正在開(kāi)發(fā)柔性太陽(yáng)能組件，目前采用溶液法進(jìn)行制備，同時(shí)也在評(píng)估其他技術(shù)方案。該公司高級(jí)科學(xué)家內(nèi)森·希爾表示：“我們一直在與產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的合作伙伴保持協(xié)作，以確保始終掌握最前沿的制備技術(shù)。這使我們能夠同時(shí)擁有真空工藝和溶液工藝兩種技術(shù)路線?！?/span>
總部位于英國(guó)牛津的牛津光伏公司（OxfordPV）尚未披露其首批商業(yè)化出貨的鈣鈦礦-硅疊層組件所采用的制備工藝。在2018年的一次采訪中，公司聯(lián)合創(chuàng)始人亨利·斯尼思曾暗示，可能采用氣相沉積路線，他表示：“氣相沉積電池的研發(fā)進(jìn)度將快于溶液法制備的電池?！?/span>
多家制造商表示，完全惰性環(huán)境（ppm值極低）的生產(chǎn)工藝并不適合大規(guī)模制造。為此，業(yè)界正探索創(chuàng)新方法來(lái)簡(jiǎn)化制備流程。PowerRoll公司的希爾指出：”雖然我們認(rèn)同惰性環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模生產(chǎn)有益，但通過(guò)與合作伙伴的共同實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，控制溫度和濕度才是調(diào)控鈣鈦礦晶粒生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素。我們已在非惰性環(huán)境下取得了顯著成果?！睋?jù)加州圣何塞的鈣鈦礦創(chuàng)新企業(yè)TandemPV公司發(fā)言人透露，該公司同樣在非惰性環(huán)境下采用溶液法制備鈣鈦礦層。
隨著制造商持續(xù)開(kāi)展工藝試驗(yàn)，研究人員也應(yīng)重新審視鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研發(fā)目標(biāo)。一般而言，環(huán)境惰性程度越高，電池性能表現(xiàn)越優(yōu)異。但實(shí)際生產(chǎn)中，這些電池究竟需要達(dá)到多高的性能？這些環(huán)境又需要保持多高的惰性程度？是否存在一種折中方案，即在環(huán)境部分受控的條件下，也能制備出性能達(dá)標(biāo)的鈣鈦礦材料？
我與Ossila（英國(guó)科研儀器公司）的同事們已經(jīng)驗(yàn)證過(guò)，三陽(yáng)離子混合鹵化鈣鈦礦材料具備相對(duì)較強(qiáng)的穩(wěn)定性，可在僅維持濕度為15ppm、氧含量為0.5%（即5000ppm）的手套箱環(huán)境中穩(wěn)定制備。這種條件下制備的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到與高端手套箱中制備的器件相當(dāng)?shù)乃?，分別為19.2%和19.7%。效率接近19%的鈣鈦礦電池已經(jīng)具備與主流硅基太陽(yáng)能技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的潛力（目前硅基太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率大致在13%至23%之間，具體取決于電池類型）。由于鈣鈦礦材料最適用于硅基材料無(wú)法勝任的應(yīng)用場(chǎng)景，或作為硅基器件的補(bǔ)充，我們認(rèn)為這一研究成果具有重要意義。
我們還發(fā)現(xiàn)，即使在環(huán)境空氣條件下采用溶液法工藝制備相同的三陽(yáng)離子混合鹵化鈣鈦礦材料，所制備的器件仍具備良好的性能。實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)最佳的器件，其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到17.6%，這一結(jié)果表明，采用空氣環(huán)境下工藝制備高性能鈣鈦礦太陽(yáng)能電池仍具有可行性與發(fā)展?jié)摿Α?/span>
許多學(xué)術(shù)研究人員也在嘗試在非手套箱環(huán)境下制備鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。近期發(fā)表在《自然-通訊》（NatureCommunications）上的一項(xiàng)研究，介紹了一種完全在常壓環(huán)境條件下，通過(guò)溶液法實(shí)現(xiàn)的卷對(duì)卷鈣鈦礦電池制備工藝。（注：卷對(duì)卷工藝是一種高速制造技術(shù)，可將溶液連續(xù)沉積在柔性基材的移動(dòng)卷軸上，其原理類似于報(bào)紙印刷，但應(yīng)用于太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)。）
所制得的器件，其單個(gè)電池的光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)15.5%，小型太陽(yáng)能組件的效率則為11%。此外，預(yù)計(jì)其生產(chǎn)成本可低至每瓦0.70美元，且未來(lái)仍具備進(jìn)一步降本的空間。
要推動(dòng)該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)全面商業(yè)化，關(guān)鍵在于將注意力更多轉(zhuǎn)向可擴(kuò)展的制備工藝，而不是一味追求更高的轉(zhuǎn)換效率。學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界必須在提升器件穩(wěn)定性和規(guī)?；a(chǎn)能力方面達(dá)成一致目標(biāo)。
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的商業(yè)化應(yīng)用已指日可待。不斷變化的國(guó)際貿(mào)易形勢(shì)更可能為其帶來(lái)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。但要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，關(guān)鍵在于識(shí)別并剔除生產(chǎn)流程中的非必要環(huán)節(jié)。憑借低成本、全球適應(yīng)性生產(chǎn)體系及柔性制造優(yōu)勢(shì)，鈣鈦礦器件有望為全球光伏制造業(yè)開(kāi)辟新路徑，從而增強(qiáng)光伏產(chǎn)業(yè)的整體供應(yīng)鏈韌性。