作者：國家新材料產業發展戰略諮詢委員會天津院
光伏材料又稱太陽能電池材料，是指能將太陽能直接轉換成電能的材料。晶硅作為最主要的傳統光伏材料，其市場佔有率達90% 以上。1976 年出現新型薄膜太陽能電池，涉及材料包括硫化鎘、砷化鎵、銅銦硒等，光電轉換效率可達18%。然而，自2009 年以來，有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池因其簡易的製備方式和優異的光電性能備受關注，光電轉換效率在短短几年內就由3.8% 上升至22.1%，顯示出極大的應用潛力。因此鈣鈦礦成為目前最為先進的一種光伏材料。
鈣鈦礦簡介
與傳統的太陽能電池不同，鈣鈦礦太陽能電池採用有機金屬鹵化物作吸光材料，這也是鈣鈦礦太陽能電池的核心材料，代替了染料敏化太陽能電池中的染料分子和有機薄膜太陽能電池中的吸光層。
目前在高效鈣鈦礦太陽能電池中，最常見的鈣鈦礦材料為碘化鉛甲胺（CH3NH3PbI3），其帶隙約為1.5 eV。因此，從廣義上講，鈣鈦礦太陽能電池使用了具有鈣鈦礦晶體結構的有機金屬鹵化物的一種太陽能電池技術。
鈣鈦礦太陽能電池優缺點簡析
鈣鈦礦太陽能電池的原材料儲量豐富，製備工藝簡單，有利於商業化生產。其中，鈣鈦礦層具有低的結晶能，可以通過低溫液相法或氣相沉積法得到缺陷密度低的高質量納米晶薄膜。此外，可以通過改變材料的組分來調節帶隙寬度，從而滿足不同的使用場景。因此，與現有的成熟晶硅太陽能電池技術相比極具優勢，也為鈣鈦礦太陽能電池的商業化應用帶來了樂觀的前景。
當然，鈣鈦礦太陽能電池也有自身的缺點。這種有機金屬鹵化物鈣鈦礦晶體結構不穩定，對溼度、紫外光和溫度等環境因素敏感。在室外環境中老化數日就顯著分解，未封裝的器件性能也隨之衰減；目前轉換效率較高的鈣鈦礦太陽能電池的尺寸均為實驗室級別，隨著電池尺寸的增加，其光電轉換效率會隨之下降；鈣鈦礦太陽能電池中一般都含有鉛元素，對人體和環境都有極大的危害。
受限於該材料自身的缺點以及大面積器件光電轉換效率較低等因素的制約，目前鈣鈦礦太陽能電池仍以實驗開發完善為主，少有幾個國內外的公司正在嘗試鈣鈦礦太陽能電池的產業化生產及應用。
相關產業分析
成熟的鈣鈦礦太陽能電池技術的發展可以替代現有的晶硅太陽能電池，而其特有的柔性更拓寬了電池的應用領域。以簡單的鈣鈦礦太陽能電池發電薄膜為例，可以廣泛地用於手機、電腦、野外設備中作為移動補充電源，代替目前的太陽貼膜用於汽車中作為移動發電電源，以及代替建築用玻璃貼膜作為建築光伏使用。
以汽車用太陽貼膜為例，中國現有各類機動車2 億多輛，其中家庭用小汽車約1.07 億輛，到2020 年會增加到約1.5 億輛，每輛車需用的太陽貼膜面積約3 平方米，因而其市場規模可達900 億元人民幣。到2020 年中國建築面積會接近900 億平方米，若其中窗戶面積的20% 貼上太陽能薄膜進行發電，則市場規模在200 億元人民幣。
如果以平均年日照時間2000 小時計，僅用於建築玻璃上的太陽能電池薄膜每年就能發電7200 億度（太陽能電池薄膜的效率按10% 計算），相當於每年節約電費約4300 億元，節約標準煤近3 億噸，減少碳排放量7.2 億噸。下表列出了鈣鈦礦太陽能電池的產業鏈。
國外研究進展
鈣鈦礦太陽能電池作為新型光伏器件，近年來受到了國際上的廣泛關注，掀起了科學家們的研究熱潮。分析國外研究機構和大型生產企業的動態可見，鈣鈦礦太陽能電池的商業化生產已成為不可阻擋的趨勢。隨著技術日益成熟和工藝日趨完善，商業化生產和技術的不斷革新交替進行是國外對於鈣鈦礦太陽能電池市場推進的主流方式。
國內研究進展
近年來，我國在鈣鈦礦領域的研究也緊跟國際趨勢，湧現了優質的高校實驗團隊和少量致力於將鈣鈦礦太陽能電池商業化應用的科技型公司。在該領域的進展表明，無論是科研院校還是高新技術企業，都將鈣鈦礦太陽能電池性能的提升作為研究熱點，並沒有明確該材料的商業開發方向，使得我國目前的鈣鈦礦太陽能電池依然停留在科研領域。
現狀分析
目前，鈣鈦礦太陽能電池仍以科學研究為主，國內的研究與產業化推進幾乎與國外同步展開，並取得了顯著進步。國內很多團隊的研究水平達到國際先進水平，太陽能電池的效率超過20%。甚至某些研究方向居於國際領先，比如，具有更好熱穩定性的全無機鈣鈦礦太陽能電池，國內多個團隊實現光電轉換效率12% 以上。
然而，對比國內外的發展趨勢，我們可以看到有明顯的不同。國外的研究團隊注重於生產工藝的改進、新型原材料的開發，為了早日實現鈣鈦礦太陽能電池的商業化生產，學者和企業大多致力於優化生產工藝，提高產品一致性；開發新型空穴傳輸材料，降低成本；研究先進的硅基疊層太陽能電池技術，生產高效的串聯太陽能電池；在提高轉換效率的同時，延長鈣鈦礦電池的使用壽命；同時，國外相關企業的研究也更注重於實現鈣鈦礦太陽能電池的工業生產，甚至不惜小幅度地犧牲轉換效率以提升電池的綜合性能。相對而言，我國對於鈣鈦礦太陽能電池的研究主要集中於電池轉換效率的提升和電池組件有效面積的擴大，而對於電池商業化生產急需解決的成本、工藝、壽命等問題關注較少，這也是我國鈣鈦礦太陽能電池產業較少發展較慢的主要原因。
作者簡介：國家新材料產業發展戰略諮詢委員會（簡稱“材料委”），獨立的諮詢機構、國家材料領域的第三方智庫，主要承擔國家新材料產業發展方面的戰略研究和技術服務工作，為政府部門、企事業單位提供行業發展建議，編寫、發佈新材料各領域的產業評述報告及新材料發展的年度報告。微信公眾號：前沿材料，一週一篇優質報告，為國人打開前沿科技之門。
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