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（觀察者網(wǎng)訊）《華爾街日?qǐng)?bào)》中文版12日刊登文章“中國(guó)在太陽(yáng)能市場(chǎng)的霸主地位面臨新對(duì)手：一種超薄膜電池”，表示日本正在通過(guò)補(bǔ)貼和其他支持來(lái)推動(dòng)鈣鈦礦超薄膜電池的研究和產(chǎn)業(yè)化，試圖憑借此項(xiàng)技術(shù)顛覆中國(guó)在光伏領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。

文中提到，現(xiàn)在中國(guó)企業(yè)控制著全球硅太陽(yáng)能電池板供應(yīng)鏈的80%以上，而在作為電池板核心材料的多晶硅市場(chǎng)上，中國(guó)所占份額更高。國(guó)際能源署（IEA）發(fā)表報(bào)告顯示：“到2025年，全球太陽(yáng)能電池板生產(chǎn)的關(guān)鍵構(gòu)件幾乎將完全依賴中國(guó)供應(yīng)?！?

日本EneCoat首席技術(shù)官Tamotsu Horiuchi展示該公司開(kāi)發(fā)的太陽(yáng)能薄片 圖片來(lái)源：《華爾街日?qǐng)?bào)》

為了重塑相關(guān)供應(yīng)鏈，美國(guó)日本等國(guó)都在推進(jìn)太陽(yáng)能電池板供應(yīng)鏈的本土替代，并將未來(lái)的賭注放在了不使用任何硅的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池上。

為什么美日打算押注鈣鈦礦？

美日押注鈣鈦礦的核心原因就是它的上限遙遙領(lǐng)先于現(xiàn)在的硅光伏電池。

鈣鈦礦材料起源于鈣鈦氧化物（CaTiO3），該化合物由德國(guó)化學(xué)家Gustav于19世紀(jì)發(fā)現(xiàn)，之后被俄羅斯礦物學(xué)家Lev A. Perovski表征，鈣鈦礦（perovskite）從而得名。2012年，牛津大學(xué)的Henry Snaith發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦可以用作太陽(yáng)能電池的主要成分。此后關(guān)于鈣鈦礦光伏效應(yīng)的相關(guān)研究就在這十多年來(lái)突飛猛進(jìn)。

鈣鈦礦電池工作原理同硅基太陽(yáng)能電池類(lèi)似，都是光生伏特效應(yīng)。但是不同的是，鈣鈦礦電池有以下三個(gè)特點(diǎn)：1、高吸光系數(shù)，可以捕獲更大范圍的光子能量。2、帶隙可調(diào)：晶硅電池帶隙固定，約1.1eV；而鈣鈦礦電池可以通過(guò)調(diào)節(jié)鈣鈦礦組分，其帶隙可在1.4~2.3eV之間變化；所以可設(shè)計(jì)不同帶隙的鈣鈦礦電池與晶硅電池疊加，從而達(dá)到更高的光電轉(zhuǎn)化效率。（注：帶隙是導(dǎo)帶的最低點(diǎn)和價(jià)帶的最高點(diǎn)的能量之差，也稱(chēng)能隙。帶隙越大，電導(dǎo)率也就越低）3、溫度系數(shù)低：晶硅電池溫度系數(shù)為-0.3左右，即溫度上升1℃功率會(huì)下降0.3%，因此實(shí)際工作中其發(fā)電效率受溫度影響很小。

根據(jù)相關(guān)研究，鈣鈦礦單結(jié)電池理論功率轉(zhuǎn)換效率可達(dá)33%，鈣鈦礦-晶硅疊層電池理論功率轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到43%，鈣鈦礦-鈣鈦礦疊層理論功率轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到45%。而與之相對(duì)的是，傳統(tǒng)商用硅電池板的功率轉(zhuǎn)換效率在大約18%至22%之間。對(duì)于光伏產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，光伏功率轉(zhuǎn)換效率每提高1%，對(duì)應(yīng)度電成本下降5%到7%。這1%背后可能需要耗費(fèi)行業(yè)最頂尖人才3-5年的時(shí)間和天量的研發(fā)投資。

鈣鈦礦對(duì)于光伏行業(yè)的顛覆似乎就在路上。

2023年7月，加拿大多倫多大學(xué)工程學(xué)院團(tuán)隊(duì)在《Nature》上發(fā)表文章，宣布制備了開(kāi)路電壓為3.21伏和功率轉(zhuǎn)換效率為24.3%（準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)功率轉(zhuǎn)換效率為23.3%）的全鈣鈦礦三結(jié)太陽(yáng)能電池。該電池在最大功率點(diǎn)工作420小時(shí)以后，依然能夠保持80%的初始效率。

團(tuán)隊(duì)合照 圖片來(lái)源：多倫多大學(xué)工程學(xué)院

11月，美國(guó)西北大學(xué)團(tuán)隊(duì)在《Science》上發(fā)布文章，宣布該團(tuán)隊(duì)成功制備了倒置鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。該電池準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)功率轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了25.1%，在環(huán)境空氣中在65°C下可穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)2000小時(shí)。他們還宣稱(chēng)制造了功率轉(zhuǎn)換效率為28.1%的單片全鈣鈦礦串聯(lián)太陽(yáng)能電池。

更高的轉(zhuǎn)化效率和顛覆性的材料，意味著未來(lái)電池設(shè)計(jì)將更加輕便和靈活。根據(jù)《華爾街日?qǐng)?bào)》報(bào)道，日本現(xiàn)在重點(diǎn)攻克的鈣鈦礦電池里的鈣鈦礦層只有1微米厚。所制作電池的重量只有目前太陽(yáng)能電池的十分之一，厚度只有二十分之一。所以鈣鈦礦電池可以安裝在墻壁或曲面上，在較弱的陽(yáng)光下發(fā)電，甚至在室內(nèi)也能發(fā)電。

由于鈣鈦礦電池具有上述特點(diǎn)，所以國(guó)際巨頭們都下巨資推進(jìn)相關(guān)研究，美國(guó)、日本、韓國(guó)等國(guó)都更是將其視作規(guī)則顛覆者。

早在2020年9月，韓國(guó)貿(mào)易工業(yè)和能源部就更新了太陽(yáng)能組件行業(yè)的新路線圖，表示之后五年將投入1900億韓元（約合1.597億美元）用于串聯(lián)光伏技術(shù)的研究，并最終在2030年，將太陽(yáng)能電池的光電功率轉(zhuǎn)換效率提升至35%。2021年5月和2022年7月，日本和美國(guó)也先后發(fā)布相關(guān)政策，開(kāi)發(fā)下一代太陽(yáng)能電池技術(shù)、將鈣鈦礦光伏技術(shù)推向商業(yè)化。

串聯(lián)光伏鈣鈦礦 圖片來(lái)源：柏林亥姆霍茲中心材料與能源研究所

根據(jù)相關(guān)規(guī)劃，積水化學(xué)和東芝等公司預(yù)計(jì)最早將于2025年開(kāi)始量產(chǎn)鈣鈦礦電池。而日本政府也已撥出4億多美元預(yù)算，幫助企業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)鈣鈦礦電池。日本政府在去年4月還放出豪言，計(jì)劃將在2030年普及以鈣鈦礦電池為核心的柔性太陽(yáng)能電池板，并且將太陽(yáng)能電池的光電功率轉(zhuǎn)換效率提升至35%。

但是現(xiàn)在依舊有三大難題阻礙鈣鈦礦電池發(fā)展：1、電池易受潮，相比于單晶硅和多晶硅，鈣鈦礦材料是一種離子材料，更容易受潮或氧化降解，這對(duì)于需要持續(xù)工作10年以上乃至30年以上的電池來(lái)說(shuō)是個(gè)巨大的考驗(yàn)。2、電池難做寬，由于鈣鈦礦并不是一種晶體，所以電池越寬就越難形成薄而均勻的鈣鈦礦層，這導(dǎo)致大面積尺寸電池的功率轉(zhuǎn)換效率低于20%，并且電池內(nèi)部短路等問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率下降。3、GW級(jí)規(guī)?；a(chǎn)鈣鈦礦電池依舊有難度。

針對(duì)以美日為首的試圖利用鈣鈦礦電池改變現(xiàn)有光伏格局的嘗試。我國(guó)產(chǎn)業(yè)也在加快鈣鈦礦電池相關(guān)研究的軍備競(jìng)賽。