張 敏，郭 晟，王 楠,3，劉明陽,4，楊少丹，李培旭*

(1.清華大學天津高端裝備研究院洛陽先進制造產(chǎn)業(yè)研發(fā)基地，洛陽 471000；2.中國商飛上海飛機制造有限公司，上海 201324；3.沈陽師范大學國際商學院，沈陽 110000；4.青島工程職業(yè)學院機電工程學院，青島 250200)

0 引言

隨著國家碳達峰、碳中和(下文簡稱為“雙碳”)戰(zhàn)略啟動，為了實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標，構建清潔、低碳、安全、高效的能源體系，控制化石能源消耗總量，構建以新能源為主體能源的新型電力系統(tǒng)成為重要的發(fā)展路徑。而在各類新能源中，太陽能資源潛力巨大且適合規(guī)?；l(fā)展；此外，中國的光伏技術也得到了不斷地研發(fā)與迭代。在各類光伏技術中，鈣鈦礦光伏技術作為一種新型光伏技術，因光電轉換效率高、材料供應充足、成本較低等優(yōu)勢，成為學術界的研究熱點，也愈發(fā)受到產(chǎn)業(yè)界的關注，成為最具潛力的下一代光伏技術之一。近些年，鈣鈦礦光伏技術得到了快速發(fā)展，鈣鈦礦太陽電池的實驗室光電轉換效率已突破29%[1]；隨著鈣鈦礦太陽電池技術進步，其產(chǎn)業(yè)化進程也進入探索階段。

本文基于“雙碳”戰(zhàn)略下的光伏產(chǎn)業(yè)分析，通過梳理國內外鈣鈦礦光伏技術的最新研究進展，綜合闡述鈣鈦礦材料在光伏發(fā)電領域的應用，并結合企業(yè)在鈣鈦礦太陽電池產(chǎn)業(yè)化方面的典型實踐情況，對鈣鈦礦太陽電池的產(chǎn)業(yè)化趨勢與面臨的挑戰(zhàn)進行歸納，期望該研究可對中國鈣鈦礦光伏技術的研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展有所裨益。

1 “雙碳”戰(zhàn)略下的光伏產(chǎn)業(yè)

1.1 “雙碳”政策及光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展機遇分析

國家“雙碳”戰(zhàn)略目標提出后，在實現(xiàn)能源系統(tǒng)綠色低碳轉型的進程中，以光伏發(fā)電為代表的可再生能源應用成為國家發(fā)展的重點。

近些年，中國光伏產(chǎn)業(yè)得到了長足發(fā)展，國內光伏組件的產(chǎn)量持續(xù)上升，光伏發(fā)電裝機容量也不斷攀升[2]。2021年，中國光伏發(fā)電新增裝機容量達到54.88 GW，光伏產(chǎn)品出口額超過280億美元。按照全球光伏發(fā)電裝機容量平均復合增長率為17%進行預測，到2024年，全球光伏發(fā)電累計裝機容量將達到1178～1678 GW。中國光伏市場是全球第一大光伏市場，按照在全球光伏發(fā)電累計裝機容量的占比為35%進行估算，2024年中國光伏發(fā)電累計裝機容量將達到418～586 GW，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

1.2 光伏發(fā)電領域的新星——鈣鈦礦太陽電池

隨著中國能源結構的調整及對太陽能的開發(fā)利用，研究人員不斷將研究重點投入到新型光伏材料的研發(fā)中。

光伏材料的發(fā)展經(jīng)歷了3代：1)第1代光伏材料以硅基材料為代表，包括單晶硅、多晶硅，以及非晶硅。此類光伏材料制備太陽電池的工藝成熟，性能穩(wěn)定性高，最終得到的光伏組件的光電轉換效率在20年后仍能保持初始值的80%，是目前光伏市場的主流產(chǎn)品。2)第2代光伏材料主要以銅銦鎵硒(CIGS)、碲化鎘(CdTe)和砷化鎵(GaAs)等材料為代表。與晶體硅太陽電池相比，第2代光伏材料的吸光薄膜較薄，使太陽電池的制備成本大幅降低。3)隨著染料敏化太陽電池被發(fā)現(xiàn)，作為理論光電轉換效率高、經(jīng)濟性好的鈣鈦礦材料脫穎而出，成為第3代光伏材料中最受矚目和期待的材料之一。

隨著光伏材料的發(fā)展，太陽電池技術的發(fā)展也在不斷更新迭代。從最早的發(fā)射極鈍化和背面接觸(PERC)太陽電池，到隧穿氧化層鈍化接觸(TOPCon)太陽電池、異質結(HJT)太陽電池、異質結背接觸(HBC)太陽電池，再到目前備受矚目的鈣鈦礦太陽電池，太陽電池技術發(fā)展的核心路徑是“降本+增效”及降低光伏發(fā)電的平準化度電成本。相比于其他太陽電池技術，鈣鈦礦太陽電池具有理論光電轉換效率高的優(yōu)勢，其極限理論光電轉換效率可達30%以上，工業(yè)化生產(chǎn)后也具有成本優(yōu)勢。各類太陽電池技術的對比如表1所示。

2 鈣鈦礦材料在光伏發(fā)電領域的應用概述

2.1 鈣鈦礦材料簡介

鈣鈦礦是一類陶瓷氧化物的統(tǒng)稱，分子式為ABX3，其晶體結構如圖1[3]所示。其中A、B、X都對應不同的離子。A位(圖中紅色離子)是有機陽離子基團，一般為CH3NH3+、CH(NH2)2+；B位(圖中銀色離子)是金屬陽離子，一般為Pb陽離子或Sn陽離子；X位(圖中綠色離子)是Cl、Br、I等鹵族元素陰離子及其組合。B離子與6個X離子形成BX6正八面體，B離子處于BX6的內部，X離子處于BX6的頂角，A離子被8個BX6包圍在中間[3-4]。鈣鈦礦這種立方八面體的結構比較穩(wěn)定，在光電領域具有極大的優(yōu)勢，對光的吸收能力強，吸收范圍廣，幾乎可以吸收全部可見光，并且能在溫和條件下實現(xiàn)低成本制備。

圖1 鈣鈦礦化合物的晶體結構[3]Fig.1 Crystal structures of perovskite compounds[3]

2.2 鈣鈦礦太陽電池基本結構與原理

鈣鈦礦太陽電池的發(fā)現(xiàn)得益于染料敏化太陽電池技術的發(fā)展。2009年，日本學者Kojima等[3]首次在染料敏化太陽電池中加入具有鈣鈦礦結構的甲胺鉛碘(CH3NH3PbI3)，得到了實驗室光電轉換效率為3.8%的太陽電池。隨后，研究人員使用CH3NH3PbI3作為光吸收層，以Spiro-OMeTAD取代碘電解液作為空穴傳輸層制備鈣鈦礦太陽電池，其實驗室光電轉換效率達到9.7%[5]。隨著研究人員對鈣鈦礦材料及器件制備工藝的不斷改進，截至2020年底，鈣鈦礦太陽電池的實驗室光電轉換效率已突破29%[1]。

目前的鈣鈦礦太陽電池結構是以染料敏化太陽電池結構衍生而來，類似于“三明治”結構，主要由導電玻璃基底、電子傳輸層、鈣鈦礦光吸收層、空穴傳輸層，以及金屬電極組成。鈣鈦礦太陽電池的工作原理是光生伏特效應，當太陽光入射到太陽電池表面時，鈣鈦礦材料吸收太陽光，能量大于CH3NH3PbX3禁帶寬度的光子被其吸收，鈣鈦礦材料內部的電子由基態(tài)轉變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，在材料內部形成光生空穴和光生電子，光生電子被電子吸收層吸收傳至導電玻璃，進入外電路，而光生空穴被傳輸至導電玻璃再進入外電路與光生電子匯合，形成閉合回路，從而產(chǎn)生電流。鈣鈦礦太陽電池的基本結構和工作原理如圖2[6]所示。

圖2 鈣鈦礦太陽電池的基本結構及工作原理圖[6]Fig.2 Diagram of basic structure and working principle of perovskite solar cells[6]

2.3 鈣鈦礦薄膜的制備方法

鈣鈦礦太陽電池最重要的部分是鈣鈦礦薄膜，其質量直接決定了鈣鈦礦太陽電池的性能。為了提高鈣鈦礦薄膜的質量，研究人員相繼研發(fā)出不同的鈣鈦礦薄膜制備方法。對不同的鈣鈦礦薄膜制備方法進行綜合比較，發(fā)現(xiàn)溶液沉積法的制備成本較低，根據(jù)制備工藝，溶液沉積法可分為一步溶液沉積法和兩步溶液沉積法。雖然溶液沉積法具有制備成本低、易獲得具有較高光電轉換效率的鈣鈦礦薄膜等優(yōu)點，但很難制備出大面積的鈣鈦礦薄膜?；诖耍芯咳藛T不斷嘗試新的制備工藝來制備大面積鈣鈦礦薄膜，主要包括氣相沉積法、噴墨打印法等。不同的鈣鈦礦薄膜制備方法及其優(yōu)、缺點如表2[7]所示。

表2 不同的鈣鈦礦薄膜制備方法及其優(yōu)、缺點[7]Table 2 Different preparation methods of perovskite thin films and their advantages and disadvantages [7]

3 鈣鈦礦太陽電池技術的發(fā)展趨勢

在鈣鈦礦太陽電池技術的研究發(fā)展中，研究的重點主要集中在提升太陽電池的光電轉換效率和提升鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性。盡管鈣鈦礦太陽電池的最高實驗室光電轉換效率已經(jīng)達到29%[1]，但其穩(wěn)定性仍有不足，遇水或高溫易分解，而且其光電轉換效率還有進一步提升的空間，所以研制具有更高穩(wěn)定性、更高光電轉換效率的鈣鈦礦太陽電池是發(fā)展趨勢。此外，鈣鈦礦太陽電池采用的鈣鈦礦材料大多含有Pb元素，會對環(huán)境有潛在影響，因此，無鉛化、低毒性材料研發(fā)也是研究時的關注方向。

3.1 提高光電轉換效率

光電轉換效率是評價鈣鈦礦太陽電池性能的關鍵性指標。研究人員主要通過降低界面缺陷、調控晶體生長、調節(jié)帶隙寬度，以及提高薄膜結晶度等路徑來提高鈣鈦礦太陽電池的光電轉換效率。

3.1.1 降低界面缺陷

鈣鈦礦太陽電池中，鈣鈦礦和電荷傳輸層之間的界面包含高濃度的缺陷，特別是深能級缺陷，這大幅降低了太陽電池的光電轉換效率。界面工程提供了一種能獲得高結晶度、低缺陷鈣鈦礦薄膜，同時可改變能級匹配，增強鈣鈦礦層自身電荷和空穴傳輸能力，從而制備高效鈣鈦礦太陽電池的關鍵策略[8]。

Min等[9]報道了通過將Cl鍵合的SnO2(為Cl-bSO)與含Cl的鈣鈦礦前驅體(為Cl-cPP)耦合，實現(xiàn)FAPbI3與SnO2之間的界面層形成具有電子傳輸層和鹵化物鈣鈦礦光吸收層FASnClx，如圖3[9]所示。這個界面層有原子相干特征，可增強鈣鈦礦層的電荷提取和傳輸，并減少界面缺陷，所制備的鈣鈦礦太陽電池在標準測試條件(STC)下的實驗室光電轉換效率為25.8%(認證光電轉換效率為25.5%)。

圖3 Cl-bSO和Cl-cPP形成夾層[9]Fig.3 Interlayer formation from Cl-bSO and Cl-cPP[9]

Yang等[10]采用苯乙基碘化銨(PEAI)后處理混合鈣鈦礦FA1-xMAxPbI3的方法鈍化鈣鈦礦材料的界面缺陷，可以抑制非輻射載流子復合，用此方法所制備的鈣鈦礦太陽電池的實驗室光電轉換效率達23.6%。

3.1.2 調控晶體生長

通過具有特殊功能的添加劑來調控鈣鈦礦晶體的生長，通過鈍化界面缺陷和控制結晶度來改善鈣鈦礦薄膜的質量[8]。

Min等[11]通過摻雜二氯化亞甲基二銨(MDACl2)穩(wěn)定了α-FAPbI3相，此方法制備的鈣鈦礦太陽電池獲得了26.1～26.7 mA/cm2的短路電流密度，經(jīng)過認證的光電轉換效率為23.7%。

Kim等[12]將甲基氯化銨(MACl)添加至FAPbI3鈣鈦礦中，加入的MACl在未經(jīng)退火工藝的條件下通過陽離子位點誘導合成了超純FAPbI3鈣鈦礦的立方相。該方法顯著改善了鈣鈦礦薄膜的顆粒尺寸和晶體質量，制備的鈣鈦礦太陽電池的實驗室光電轉換效率達24.02%。

Sahli等[13]通過在鈣鈦礦材料上添加1層經(jīng)過特殊處理的SnO2導電層，為太陽電池中的載流子提供了一條改進的路徑，將鈣鈦礦太陽電池的實驗室光電轉換效率提高到了25.2%。

3.1.3 調節(jié)帶隙寬度

為了提高太陽電池的光電轉換效率，研究人員也對調節(jié)帶隙寬度這一方式進行了探索研究，尤其是針對鈣鈦礦基疊層太陽電池[8]。

Lin等[14]通過鈍化窄帶隙鈣鈦礦晶粒界面缺陷來提升鈣鈦礦薄膜的載流子擴散長度，如圖4[14]所示，并制備出具有較厚鈣鈦礦光吸收層和更高短路電流密度的全鈣鈦礦疊層太陽電池，其在穩(wěn)態(tài)輸出功率下的實驗室光電轉換效率高達26.4%。圖中：V代表空位缺陷；I代表填隙原子；φ為勢能差；φmax為勢能差的最大值。

圖4 鈍化劑與窄帶隙鈣鈦礦晶粒表面的相互作用[14]Fig.4 Interaction between passivating agents and surface of narrow bandgap perovskite grains[14]

Al-Ashouri等[1]通過帶寬為1.68 eV的鈣鈦礦材料及自組裝的甲基取代咔唑單分子層的空穴選擇性接觸，抑制非輻射載流子的復合，所制備的鈣鈦礦/硅疊層太陽電池的實驗室光電轉換效率高達29.1%。

3.1.4 提高薄膜結晶度

高質量的鈣鈦礦薄膜是獲得高效鈣鈦礦太陽電池的關鍵。溶液加工制備工藝具有成本低廉，易獲得致密均勻、高結晶度的鈣鈦礦薄膜等優(yōu)點，被廣泛應用于鈣鈦礦太陽電池的研究中。在鈣鈦礦前驅體溶解過程中，溶劑具有溶解溶質的作用，同時還參與鈣鈦礦的整個結晶過程[8,15]。

Wu等[16]結合溶液加工制備工藝的特點，在鈣鈦礦前驅體溶液中加入常溫下為固體的羥基乙酸(GA)來調節(jié)鈣鈦礦薄膜的結晶度。與PbI2?DMSO的配位能力相比，經(jīng)高溫(100～150℃)升華后，GA和Pb2+之間形成更強的配位作用，制備得到的鈣鈦礦太陽電池的實驗室光電轉換效率最終達到21.32%。鈣鈦礦太陽電池的I-V特性，以及基于第一性原理計算的PbI2?DMSO、PbI2?TGA-1、PbI2?GA-1的分子結構優(yōu)化如圖5[16]所示。圖中：“Control”代表采用常規(guī)鈣鈦礦前驅體溶液；“w TGA”代表采用含有TGA的鈣鈦礦前驅體溶液；“w GA”代表采用含有GA的鈣鈦礦前驅體溶液；“Fitting line”代表擬合線；VTFL為陷阱填充極限的起始電壓。

圖5 鈣鈦礦太陽電池的I-V特性，以及基于第一性原理計算的PbI2?DMSO、PbI2?TGA-1、PbI2?GA-1的分子結構優(yōu)化[16]Fig.5 I-V characteristics of perovskite solar cells and optimized molecular structures based on DFT calculations for PbI2?DMSO，PbI2?TGA-1，and PbI2?GA-1[16]

Zhou等[17]提出了溶劑萃取理念，首先在導電玻璃基底上涂覆鈣鈦礦前驅體溶液，在室溫條件下，將涂覆后的導電玻璃基底立即浸入另一種溶劑中，進而實現(xiàn)高效提取前驅體溶液并誘導快速結晶，這種方法非常適用于制備大面積鈣鈦礦薄膜。

3.2 提升穩(wěn)定性

鈣鈦礦材料常使用在潮濕、高溫、光照、紫外線等因素的環(huán)境下，在此類環(huán)境中，材料穩(wěn)定性較差，容易發(fā)生分解，導致材料內部結構發(fā)生變化，最終使鈣鈦礦太陽電池的光電轉換效率不斷下降[8]。因此，如何提高鈣鈦礦太陽電池的穩(wěn)定性是業(yè)界研究主要關注的問題之一。

以常見的鈣鈦礦材料CH3NH3PbI3(MAPbI3)為例，其穩(wěn)定性取決于晶體內各原子及原子基團之間的相關作用力，離子晶體MAPbI3在高溫、潮濕及光照下易發(fā)生分解，進而導致鈣鈦礦材料的晶體結構發(fā)生變化。MAPbI3在光和氧氣作用下降解，氧化過程中產(chǎn)生的水與內部MAPbI3水合，導致鈣鈦礦材料降解，如圖6[18]所示。圖中：hv為光子能量。目前研究人員為提高鈣鈦礦太陽電池的穩(wěn)定性，主要有兩種思路[8]：一種思路是提高鈣鈦礦材料的本征穩(wěn)定性；另一種思路是通過尋找合適的傳輸層材料或封裝材料防止鈣鈦礦太陽電池與外部環(huán)境直接接觸。

圖6 MAPbI3表面光和氧誘導的分解過程示意圖[18]Fig.6 Schematic diagram of decomposition process induced by light and oxygen of MAPbI3 surface[18]

Wang等[19]將Eu3+/Eu2+的氧化還原離子對引入鈣鈦礦光吸收層中，引入的離子對不僅起到消除Pb0和I0缺陷的作用，同時在鈣鈦礦太陽電池使用壽命期內可以循環(huán)發(fā)揮作用，顯著提升了鈣鈦礦太陽電池的穩(wěn)定性?；诓煌饘匐x子對摻入的鈣鈦礦太陽電池光電轉換效率的變化如圖7[19]所示。圖中：“Ref”為原始參考值。該方式制備得到的鈣鈦礦太陽電池的最高實驗室光電轉換效率達到21.52%，同時無明顯的遲滯現(xiàn)象；在太陽連續(xù)光照或85 ℃加熱1000 h實驗后，該太陽電池的光電轉換效率仍可分別保持原始值的91%和89%[20]。

圖7 基于不同金屬離子對摻入的鈣鈦礦太陽電池光電轉換效率的變化[19]Fig.7 Changes in photoelectric coversion efficiency of perovskite solar cells doped with different metal ion pairs[19]

Wei等[21]利用聚合物輔助成膜，有效提高了無機鈣鈦礦CsPbI2Br薄膜的均勻性和穩(wěn)定性，制備的鈣鈦礦太陽電池在大氣環(huán)境下進行4個月的老化測試后，光電轉換效率仍可保持初始光電轉換效率的90%。

Hwang等[22]利用聚四氟乙烯疏水材料覆蓋在鈣鈦礦材料表面，制備得到的鈣鈦礦太陽電池表現(xiàn)出良好的抗水性。

Ma等[23]在鈣鈦礦薄膜表面涂覆了1層親水材料，通過親水材料與鈣鈦礦薄膜表面零價鉛和碘缺陷的結合，降低了鈣鈦礦晶粒的界面缺陷，抑制了碘離子的遷移，從而提高了鈣鈦礦太陽電池的光電轉換效率；同時，親水層將水截留在上表面，從而保護了下面的鈣鈦礦層，提高了鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性。

3.3 開發(fā)無鉛化材料

鈣鈦礦太陽電池所使用的鈣鈦礦材料大都含Pb，而由于Pb元素的毒性存在于太陽電池的全生命周期內，尤其是太陽電池退役后還會對環(huán)境有潛在的影響，因此，如何防止鈣鈦礦材料中的Pb元素影響環(huán)境，尤其是開發(fā)不含Pb的鈣鈦礦材料是未來的研究方向之一。

Li等[24]利用綠色機械化學合成法制備了銅基鈣鈦礦材料的粉末，并借助熱旋涂的工藝制備出均勻致密的鈣鈦礦薄膜，成功在大面積(>20 cm2)的導電玻璃和柔性基底上制備了高品質的鈣鈦礦薄膜。

Yin等[25]設計并制備了一系列基于不同銦離子(In3+)摻雜的全新無鉛鈣鈦礦單晶材料Cs2AgFeCl6，隨著In3+離子含量增加，晶體的缺陷態(tài)密度降低，且遷移率和發(fā)光效率提高。

目前已有Sn、Sb、Bi、Cu、Ge、In和Ag等元素被用于無鉛鈣鈦礦材料的研究中[26]。

4 鈣鈦礦太陽電池的產(chǎn)業(yè)化趨勢與面臨的挑戰(zhàn)

鈣鈦礦太陽電池因成本低、柔性好及光電轉換效率提升潛力大等優(yōu)點，成為目前光伏發(fā)電領域中最受關注的新興技術之一。國內外高校、科研院所及創(chuàng)新企業(yè)已經(jīng)開始進行鈣鈦礦太陽電池的產(chǎn)業(yè)化探索，主要集中在解決大面積制備、實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等問題。下文從高校成果轉化研究、企業(yè)的產(chǎn)業(yè)化探索、產(chǎn)業(yè)化面臨的挑戰(zhàn)3個方面分別進行闡述。

4.1 高校成果轉化研究

近年來，越來越多的高校、科研院所對鈣鈦礦太陽電池進行成果轉化研究，主要集中在提高光電轉換效率及改進制備方法等方面，目的是為后續(xù)的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)進行工藝探索及理論指導。

Hu等[27]利用水平氣刀方法實現(xiàn)了高質量鈣鈦礦薄膜的制備，通過干燥速率調控鈣鈦礦晶體的成核與生長，在常溫下印刷制備出了高質量鈣鈦礦薄膜，光電轉換效率達20.26%。

深圳大學萬學娟團隊聯(lián)合香港理工大學李剛團隊，通過控制長鏈離子包覆過程中的二次離子反應，使用氟化聚三芳胺作為空穴傳輸層，制備出了實驗室光電轉換效率高于22%的鈣鈦礦太陽電池，同時鈣鈦礦太陽電池的穩(wěn)定性也得到了改善[28]。

Lin等[14]研制的全鈣鈦礦疊層太陽電池的光電轉換效率不斷取得突破。2022年，該研究團隊在大面積全鈣鈦礦疊層太陽電池方面取得重要進展，通過采用類產(chǎn)業(yè)化的制備技術，研制出認證光電轉換效率達到21.7%的大面積全鈣鈦礦疊層太陽電池。

Wang等[29]在大面積有機/無機雜化鈣鈦礦太陽電池的研究上取得突破，經(jīng)過國家光伏產(chǎn)業(yè)計量測試中心的測試認證，其制備的鈣鈦礦太陽電池的實驗室光電轉換效率達到21.37%，孔徑面積達到12.84 cm2，穩(wěn)態(tài)輸出功率下的光電轉換效率達到20.56%。

Kim等[30]選擇環(huán)保型抗溶劑叔丁醇和乙酸乙酯，制得了具有寬加工窗口的高度結晶且均勻的鈣鈦礦薄膜，通過凹版印刷、抗溶劑浴和隨后的退火工藝，在中試規(guī)模上實現(xiàn)了卷對卷(R2R)制備柔性鈣鈦礦太陽電池。

4.2 企業(yè)的產(chǎn)業(yè)化探索

隨著鈣鈦礦太陽電池技術的不斷迭代，鈣鈦礦太陽電池的光電轉換效率和穩(wěn)定性在持續(xù)提升和優(yōu)化，其也日益成為產(chǎn)業(yè)界的關注熱點。新能源產(chǎn)業(yè)企業(yè)、創(chuàng)新科技企業(yè)、資本等紛紛入局鈣鈦礦太陽電池領域，進行產(chǎn)業(yè)化的探索，多元主體的參與大幅加速了鈣鈦礦太陽電池的產(chǎn)業(yè)化進展，目前已有鈣鈦礦太陽電池中試線和100 MW級的生產(chǎn)線投產(chǎn)運行。自2013年以來，國內關于鈣鈦礦太陽電池的專利申請數(shù)量出現(xiàn)明顯增長，且保持著較高的年均增量，截至2021年底，相關專利數(shù)量已累計超過4000件[31]。

對幾個主要企業(yè)在鈣鈦礦太陽電池產(chǎn)業(yè)化方面的進展進行介紹。

1)蘇州協(xié)鑫納米科技有限公司[32](下文簡稱為“協(xié)鑫納米”)：協(xié)鑫納米成立于2016年，已布局的專利涉及鈣鈦礦薄膜制備、工藝設計等；其基于10 MW中試線所制備的鈣鈦礦太陽電池的量產(chǎn)光電轉換效率達到15.3%，尺寸可達45 cm×65 cm，如圖8所示。協(xié)鑫納米在2020年已完成100 MW鈣鈦礦太陽電池量產(chǎn)生產(chǎn)線的建設，制備的鈣鈦礦太陽電池尺寸擴大至1 m×2 m，光電轉換效率提高至18%以上。在已有工藝條件下，100 MW量產(chǎn)生產(chǎn)線的鈣鈦礦太陽電池的成本預計將低于1元/W，量產(chǎn)鈣鈦礦太陽電池的工作壽命可達到25年以上。

圖8 尺寸為45 cm×65 cm的鈣鈦礦太陽電池Fig.8 Perovskite solar cell with size is 45 cm×65 cm

2)杭州纖納光電科技有限公司[33](下文簡稱為“纖納光電”)：纖納光電成立于2015年，在光伏發(fā)電領域已申請專利超過100件，主要涉及鈣鈦礦太陽電池制備摻雜工藝、生產(chǎn)監(jiān)控、封裝工藝、疊層設計及工藝、應用實例等領域。纖納光電在大面積鈣鈦礦太陽電池制備領域取得一定進展，已制備出面積為19.32 cm2的鈣鈦礦太陽電池，穩(wěn)態(tài)輸出功率下的實驗室光電轉換效率達21.4%。在疊層太陽電池領域，該公司已制備出面積為20 cm2、實驗室光電轉換效率達26.63%的鈣鈦礦-晶硅四端子疊層太陽電池。纖納光電規(guī)劃的100 MW鈣鈦礦太陽電池量產(chǎn)生產(chǎn)線也即將建成。

3)極電光能有限公司[34](下文簡稱為“極電光能”)：極電光能成立于2020年，在專利布局方面主要涉及鈣鈦礦太陽電池大面積、大規(guī)模生產(chǎn)技術點，電子傳輸層、鈣鈦礦光吸收層開發(fā)等；其自主研發(fā)的大面積(64.8 cm2)鈣鈦礦太陽電池實現(xiàn)了20.01%的實驗室光電轉換效率。2021年第3季度，極電光能開始建設150 MW鈣鈦礦太陽電池量產(chǎn)生產(chǎn)線，同時計劃在2023年啟動6 GW鈣鈦礦太陽電池量產(chǎn)生產(chǎn)線的建設。

表3從生產(chǎn)線規(guī)劃、專利布局、產(chǎn)品尺寸/面積、產(chǎn)品的光電轉換效率等方面對國內外相關企業(yè)在鈣鈦礦太陽電池產(chǎn)業(yè)化方面的典型實踐情況進行了梳理及總結。

表3 國內外相關企業(yè)在鈣鈦礦太陽電池產(chǎn)業(yè)化方面的典型實踐情況Table 3 Typical practice of domestic and foreign related enterprises in the industrialization of perovskite solar cells

4.3 產(chǎn)業(yè)化面臨的挑戰(zhàn)

鈣鈦礦太陽電池要真正進入產(chǎn)業(yè)化應用，還需要解決以下幾個問題：

1)實現(xiàn)更大面積的鈣鈦礦薄膜的制備。目前所開發(fā)的鈣鈦礦太陽電池面積仍較小，而產(chǎn)業(yè)化應用需要大幅寬、連續(xù)長度的鈣鈦礦薄膜，工藝放大的過程中，如何在產(chǎn)業(yè)化條件下，穩(wěn)定、批量的獲得大面積、高質量的鈣鈦礦薄膜，仍有工藝及技術難題需要突破。

2)鈣鈦礦太陽電池的穩(wěn)定性還需要進一步提升。太陽電池常使用在潮濕、高溫、光照、紫外線等工況下，在此類環(huán)境中，鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性較差，容易發(fā)生分解，導致材料內部結構發(fā)生變化，使制備的鈣鈦礦太陽電池光電轉換效率下降，因此，如何提高實際工況下鈣鈦礦太陽電池的穩(wěn)定性需要進一步研究和攻關。

3)鈣鈦礦太陽電池成本還需進一步降低，尤其是材料成本。鈣鈦礦太陽電池中空穴傳輸層通常是小分子有機材料(比如Spiro-OMeTAD等)，這類材料價格昂貴，合成工藝復雜，對環(huán)境濕度等的要求嚴格。研發(fā)載流子遷移率高且制備工藝相對簡單、成本較低的無機空穴傳輸層是重要研究方向之一。

4)無鉛化、低毒性的鈣鈦礦材料的開發(fā)還待突破。目前鈣鈦礦太陽電池所使用的鈣鈦礦材料大多含Pb，在太陽電池全生命周期內對環(huán)境有潛在的影響，因此，研發(fā)不含Pb、低毒性、環(huán)境友好，又兼具較高的光電轉換效率和穩(wěn)定性的鈣鈦礦材料，是后續(xù)研究面臨的重要挑戰(zhàn)。

5 結論與展望

本文圍繞在光伏技術中極有潛力的新型鈣鈦礦光伏技術，綜合闡述了鈣鈦礦材料在光伏發(fā)電領域的應用，梳理了國內外鈣鈦礦光伏技術的最新研究進展，結合企業(yè)在鈣鈦礦太陽電池產(chǎn)業(yè)化方面的典型實踐情況分析了鈣鈦礦光伏技術的研究進展及未來發(fā)展趨勢，并歸納了鈣鈦礦太陽電池的產(chǎn)業(yè)化進展和面臨的挑戰(zhàn)。

在國家“雙碳”戰(zhàn)略下，中國進入能源結構轉型的戰(zhàn)略推進期，光伏技術的應用對于中國構建以新能源為主體能源的新型電力系統(tǒng)，順利實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標具有重要意義。希望本文可以作為參考和借鑒，對中國學術界和產(chǎn)業(yè)界的鈣鈦礦太陽電池的研究和產(chǎn)業(yè)化有所裨益，期待鈣鈦礦光伏技術在中國能源體系轉型的進程中發(fā)揮更大的價值。