12月26日，在由《知識(shí)分子》主辦、能源基金會(huì)支持的新能源科學(xué)論壇2023（以下簡(jiǎn)稱“論壇”），華中科技大學(xué)教授、九曜光電創(chuàng)始人陳煒介紹，鈣鈦礦是一個(gè)顛覆性的光伏技術(shù)，單結(jié)鈣鈦礦電池具備超廉價(jià)/鈣鈦礦疊層電池具有超高效的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，只要使用壽命不太短，鈣鈦礦光伏的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化將迎來突破性的歷史拐點(diǎn)。

附全部演講內(nèi)容：

• 謝謝主持人，尊敬的各位來賓，大家下午好，我是來自華中科技大學(xué)的陳煒，很榮幸，來參加由知識(shí)分子組織的科學(xué)論壇，來給大家講一講近年來炙手可熱的新一代光伏技術(shù)：鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。

• 首先，講下大背景，在雙碳政策牽引之下，太陽(yáng)能未來的發(fā)展不可限量，即使短期內(nèi)存在供給失衡的情況，但長(zhǎng)期來看，會(huì)一直向好。因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)碳中和，沒有辦法不大量普及使用太陽(yáng)能，來規(guī)模化取代化石能源。鈣鈦礦也是在這樣的背景下，近幾年來受到了投資界的熱捧。

• 那么什么是鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，首先，從鈣鈦礦本身說起，最早的鈣鈦礦材料的確就是鈦酸鈣，他最早是由俄羅斯礦物學(xué)家1839年在烏拉爾山脈中發(fā)現(xiàn)的，他有著圖上所示的體心立方晶體結(jié)構(gòu)，從此以后，人們將有這種晶體結(jié)構(gòu)的材料都稱之為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料。其中氧化物鈣鈦礦在很多領(lǐng)域已經(jīng)取得了廣泛應(yīng)用，比如壓電陶瓷的鋯鈦酸鉛，還有之前的明星超導(dǎo)材料釔鋇銅氧都是的鈣鈦礦氧化物材料。

• 而光伏鈣鈦礦，是由鹵素離子取代了O離子，而Pb Sn取代了Ti離子，體心位置由有機(jī)的甲脒、甲胺、和較大的Cs離子占據(jù)了原來Ca離子的位置。它是一大類擁有鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的鹵化物材料。其離子半徑按照下面的公示，必須滿足一定的系數(shù)范圍之內(nèi)，這種晶體結(jié)構(gòu)才可以穩(wěn)定存在，否則就會(huì)變成沒有光活性的物質(zhì)。由于鹵化物鈣鈦礦具有一部分離子晶體特征，他可以溶解在極性溶劑當(dāng)中，因此，他可以溶液加工。他還可以由多種元素組合，連續(xù)調(diào)變光學(xué)帶隙，所以賦予了他非常豐富的光電特性。

• 從結(jié)構(gòu)演進(jìn)可以看到，最早的鈣鈦礦電池是染料敏化太陽(yáng)能電池的一個(gè)變種延伸，他把鈣鈦礦作為吸附劑，附在納米TiO2的表面，利用納米TiO2網(wǎng)絡(luò)來傳遞電子，由空穴傳輸材料傳導(dǎo)空穴。而牛津大學(xué)的Herry Snaith最早拋棄了介孔TiO2，這種發(fā)現(xiàn)就是基于鈣鈦礦薄膜自身既可以傳電子，也可以傳空穴的雙極導(dǎo)電特性決定的。把電子傳輸層放在下面，就是現(xiàn)代正式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦電池的原型。而反式結(jié)構(gòu)則是把空穴傳輸層和電子傳輸層顛倒了一下次序，電子流向于正式結(jié)構(gòu)電池正好相反。

• 除了上述單結(jié)的鈣鈦礦電池，鈣鈦礦還可以與晶硅，還有窄帶隙的鈣鈦礦構(gòu)成疊層電池，它們利用兩種不同帶隙的材料吸收不同波長(zhǎng)的光，最大化利用太陽(yáng)能，從而打破太陽(yáng)能電池的理論效率極限，從33%提高到42%。目前鈣-硅疊層效率記錄和鈣鈦礦-鈣鈦礦疊層效率記錄都由中國(guó)研發(fā)團(tuán)隊(duì)取得。

• 鈣鈦礦與晶硅相比，誕生的時(shí)間要晚的多，但在很多技術(shù)性能指標(biāo)方面有很多優(yōu)勢(shì)特色。比如實(shí)驗(yàn)室極限效率已經(jīng)與晶硅非常接近，超過了商業(yè)化多年的CdTe，CIGS薄膜電池，同時(shí)，由于鈣鈦礦材料用量低很多，純度和能耗低很多，所以鈣鈦礦的極限成本會(huì)顯著低于晶硅。鈣鈦礦唯一的弱點(diǎn)就是壽命不夠長(zhǎng)。

• 從這張圖可以看到鈣鈦礦是新一代光伏技術(shù)中取得效率突破最快的，并且通過疊層技術(shù)，還可以甩開晶硅電池一大截。

• 鈣鈦礦的產(chǎn)線流程也非常短，這里面的工程技術(shù)的難度比晶硅要簡(jiǎn)單很多。不像晶硅，要從硅料、硅片、電池片、組件都具有一定的技術(shù)門檻，而鈣鈦礦從化學(xué)原料出發(fā)，通過簡(jiǎn)單的幾個(gè)膜層制造就可以獲得高效的組件。

• 之前說鈣鈦礦材料成本低，大家可能不能體會(huì)清楚，但這個(gè)能量回收周期對(duì)比，大家可以看的很清楚。就是制造這個(gè)太陽(yáng)能電池所需要的能量，靠晶硅發(fā)電要約1-2年才能收回來，而鈣鈦礦只需要3個(gè)月。由于供給關(guān)系上下游沒打通，鈣鈦礦電池暫時(shí)還比較貴，但這個(gè)Energy Payback time不會(huì)騙人，鈣鈦礦未來必然是個(gè)極端便宜的技術(shù)。

• 總結(jié)一下，這個(gè)太陽(yáng)能電池的性能三角。目前鈣鈦礦量產(chǎn)效率與晶硅還是差一些，成本也更貴，但是通過持續(xù)的研發(fā)投入，量產(chǎn)效率和成本必然會(huì)降到他應(yīng)該達(dá)到的位置，量產(chǎn)效率追上晶硅，成本顯著低于晶硅，這些都必然會(huì)實(shí)現(xiàn)。唯一的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)在于，鈣鈦礦到底能用多少年？？有些科學(xué)家的理想預(yù)期是，通過一些年的努力，鈣鈦礦有望達(dá)到10-15年的使用壽命。

• 那么一個(gè)超廉價(jià)，壽命較短的鈣鈦礦是否能夠具有商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力呢？我個(gè)人判斷是可以的。這是一個(gè)地面電站利潤(rùn)計(jì)算表，如果我們把效率夠高，成本足夠低的鈣鈦礦組件代入進(jìn)去，把更換組件的成本也計(jì)算進(jìn)去，用兩個(gè)鈣鈦礦組件拼出來25年的使用壽命，鈣鈦礦也可能取得經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。所以，鈣鈦礦光伏作為一個(gè)革命性的技術(shù)將有自己的商用化邏輯，不能完全用傳統(tǒng)晶硅光伏的條條框框去衡量。

• 鈣鈦礦大規(guī)模商用的主要障礙，第一就是說量產(chǎn)效率不夠高，鈣鈦礦電池在實(shí)驗(yàn)室0.1cm2的尺寸才能做到26%以上，而產(chǎn)線上下來的組件，目前最高也就是18-19%。雖然與晶硅相比還略差，但與CIGS和CdTe相比，這個(gè)進(jìn)步速度已經(jīng)很快了。他也只是一個(gè)工程放大的問題，唯一有一定難度的在于溶液涂布做大面積鈣鈦礦薄膜，濕法涂布光伏半導(dǎo)體薄膜這在半導(dǎo)體的歷史上都沒出現(xiàn)過，所以需要一點(diǎn)時(shí)間去改進(jìn)優(yōu)化。

• 另一個(gè)問題就是之前說的，壽命短的問題，因?yàn)殁}鈦礦是低溫結(jié)晶的有機(jī)無(wú)機(jī)雜化的材料，在光熱作用下，鈣鈦礦會(huì)持續(xù)緩慢的分解。這個(gè)跟高溫熔煉的硅完全不一樣。

• 這是目前企業(yè)的產(chǎn)能規(guī)劃情況，跑得快的幾家公司100MW產(chǎn)線已經(jīng)建成，目前在做一些MW級(jí)的示范電站，且好幾家都在布局GW級(jí)的產(chǎn)線建設(shè)。

• 這是這幾家頭部公司的產(chǎn)品展示。除了這些以外，目前傳統(tǒng)光伏劇透隆基等也都開始搞鈣鈦礦研發(fā)。新能源企業(yè)寧德時(shí)代和比亞迪也在布局鈣鈦礦。最近，面板行業(yè)巨頭京東方也進(jìn)軍鈣鈦礦，他們的很多工業(yè)設(shè)備流程跟鈣鈦礦很類似。還有能源行業(yè)五打四小里面的中核能和華能自己親自下場(chǎng)做。

• 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池其實(shí)有好幾級(jí)市場(chǎng)，其中室內(nèi)用的太陽(yáng)能，鈣鈦礦是沒有任何技術(shù)瓶頸的，且沒有對(duì)手。戶外用的消費(fèi)電源，對(duì)壽命要求不高，鈣鈦礦也容易勝任。更大的市場(chǎng)在于光伏建筑一體化和地面電站，需要技術(shù)要素的進(jìn)一步成熟才能規(guī)模應(yīng)用。

• 所以的鈣鈦礦技術(shù)路線，目前是反式單結(jié)更容易實(shí)現(xiàn)高效率、穩(wěn)定性的兼容，更容易量產(chǎn)。

• 所以，規(guī)劃產(chǎn)能最大的鈣鈦礦初創(chuàng)企業(yè)里面有一半都是在做反式單結(jié)，而這里面有兩家企業(yè)，由我的學(xué)生擔(dān)任創(chuàng)始股東和CTO。

• 我們團(tuán)隊(duì)，長(zhǎng)期針對(duì)面向應(yīng)用的瓶頸，選擇反式鈣鈦礦技術(shù)路線進(jìn)行持續(xù)攻關(guān)。

• 在獲得反式鈣鈦礦更高的基礎(chǔ)效率，更高的穩(wěn)定性，和大尺寸工藝放大方面取得一些實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。

• 到目前為止已經(jīng)獲得了12份效率認(rèn)證報(bào)告和一份穩(wěn)定性認(rèn)證報(bào)告。目前反式電池認(rèn)證效率達(dá)到26.7%，小組件認(rèn)證效率達(dá)到22.7%，這兩項(xiàng)正在報(bào)送國(guó)際效率記錄表。

• 國(guó)際上反式鈣鈦礦第一篇Science和第一個(gè)效率記錄是我發(fā)表的。這里面的氧化物界面材料目前仍然是反式鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)化不可或缺的。

• 基于上面的技術(shù)原型，我們近期找到更高效的SAM分子界面材料，與合作者在今年再次發(fā)表Science論文。

• 此外，鈣鈦礦材料體系也獲得了發(fā)展，這種FACs鈣鈦礦是目前產(chǎn)業(yè)界廣泛使用的最高效穩(wěn)定的材料鈣鈦礦體系，我們?cè)谶@方面持續(xù)取得效率突破。近期的權(quán)威認(rèn)證效率達(dá)到26.7%，遠(yuǎn)超目前的國(guó)際效率記錄26.1%。

• 穩(wěn)定性是最大的瓶頸，我們發(fā)展了一種能耐鈣鈦礦腐蝕的電極材料，在元素周期表中非常特殊。是別的金屬電極材料無(wú)法相比的。

• 基于惰性金屬電極和強(qiáng)阻隔封裝，我們把鈣鈦礦的光熱分解可以最大程度上限制住，光熱分解反應(yīng)就不會(huì)發(fā)生，使得電池的光熱穩(wěn)定性大幅度提高?？催@個(gè)圖可以發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦本來在160°C顯著氣化分解，但通過我們的改造后，分解溫度提高到了250℃以上。

• 在工藝放大方面，我們開發(fā)了可以在空氣環(huán)境下涂布制備的配方，取得國(guó)際領(lǐng)先的大面積組件認(rèn)證效率。

• 作為技術(shù)儲(chǔ)備，我們還開發(fā)了鈣鈦礦-鈣鈦礦疊層電池，目前的認(rèn)證效率僅次于南京大學(xué)團(tuán)隊(duì)，國(guó)際前三名。

• 下一步，要解決鈣鈦礦的穩(wěn)定性問題，一是要讓鈣鈦礦經(jīng)受足夠長(zhǎng)時(shí)間的光和熱的考驗(yàn)，加速試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要建立起來，戶外長(zhǎng)期測(cè)試要做起來，確保鈣鈦礦能在戶外穩(wěn)定使用10-15年。這些標(biāo)準(zhǔn)，晶硅光伏里面是沒有的。對(duì)于1000℃以上結(jié)晶的晶硅來說，50℃光照和75℃光照是沒什么差別的，但對(duì)100℃結(jié)晶的鈣鈦礦來說，影響非常大。

• 我們?cè)谕瓿沙浞值募夹g(shù)積累以后，在武漢成立了一家公司，對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，我們的技術(shù)是完整閉環(huán)的，包括高效穩(wěn)定的界面材料，空氣中鈣鈦礦成膜工藝，獨(dú)一無(wú)二的Bi電極材料體系，還有高可靠的封裝技術(shù)。

• 我們?cè)谛手笜?biāo)、穩(wěn)定性指標(biāo)可以對(duì)標(biāo)國(guó)際最好的水平，都是進(jìn)過第三方權(quán)威認(rèn)證的。并且，我們也嘗試過戶外實(shí)測(cè)，扛過武漢最熱夏天，效率都無(wú)衰退。

• 我們公司會(huì)采取積極但穩(wěn)健的擴(kuò)張策略，先把滿足使用需要的產(chǎn)品分階段推出市場(chǎng)，看市場(chǎng)反應(yīng)再根據(jù)需求擴(kuò)大產(chǎn)能，最終進(jìn)入地面電站的主戰(zhàn)場(chǎng)。地面電站場(chǎng)景的成熟，我個(gè)人判斷還需要5-10年的時(shí)間，需要上下游通力合作打通各個(gè)環(huán)節(jié)，爭(zhēng)取5年小成，10年大成，這樣的時(shí)間維度去考慮比較現(xiàn)實(shí)。

• 此外，我們也對(duì)外提供一些穩(wěn)定性測(cè)試裝備產(chǎn)品，對(duì)外開展穩(wěn)定性認(rèn)證服務(wù)。相比于效率競(jìng)賽，公平公開公正的穩(wěn)定性競(jìng)賽更加關(guān)鍵，挑戰(zhàn)更大。我們有能力有意愿在這里做一點(diǎn)自己的貢獻(xiàn)。

• 我的報(bào)告到此結(jié)束，謝謝大家！