瞻觀前沿

目前，高效率鈣鈦礦光伏器件以鉛基鈣鈦礦半導(dǎo)體為主，這種材料所含的重金屬鉛對(duì)環(huán)境和健康構(gòu)成的潛在威脅，促使科學(xué)家們不斷尋求更為環(huán)保的替代品。非鉛錫基鈣鈦礦半導(dǎo)體因其較高的理論效率和較低的毒性，成為了一個(gè)極具吸引力的選擇。

然而，非鉛錫基鈣鈦礦半導(dǎo)體在實(shí)際應(yīng)用中面臨著一系列挑戰(zhàn)。其結(jié)晶速率快、p型自摻雜嚴(yán)重以及與傳輸層能級(jí)匹配不佳等問(wèn)題，導(dǎo)致光伏器件在載流子提取和光電轉(zhuǎn)換效率上表現(xiàn)出明顯的不足。這一困境成為了制約非鉛錫基鈣鈦礦光伏器件發(fā)展的主要瓶頸。

最近，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院特任研究員胡芹課題組在解決這一問(wèn)題上取得了重大突破。據(jù)科技日?qǐng)?bào)報(bào)道，該課題組成功構(gòu)建了一種鈣鈦礦同質(zhì)結(jié)，有效解決了非鉛錫基鈣鈦礦半導(dǎo)體存在的自摻雜嚴(yán)重、缺陷密度高、非輻射復(fù)合損失大等問(wèn)題。這一成果不僅展示了同質(zhì)結(jié)構(gòu)筑策略在錫基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的巨大潛力，也為非鉛光伏器件的發(fā)展開(kāi)辟了新的道路。

胡芹課題組通過(guò)對(duì)錫基鈣鈦礦半導(dǎo)體材料進(jìn)行摻雜設(shè)計(jì)，成功引入了鍺離子，并在活性層中實(shí)現(xiàn)了鍺離子的梯度摻雜和同質(zhì)結(jié)構(gòu)筑。這種梯度摻雜的設(shè)計(jì)使得鈣鈦礦半導(dǎo)體吸收層的能級(jí)發(fā)生變化，進(jìn)而增強(qiáng)了內(nèi)建電場(chǎng)，有效促進(jìn)了光生載流子的分離和提取。

通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)表征和理論計(jì)算，研究團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了鍺離子梯度摻雜的效果，并揭示了構(gòu)建同質(zhì)結(jié)的內(nèi)在機(jī)制。進(jìn)一步的器件工藝優(yōu)化后，同質(zhì)結(jié)光伏器件的暗電流降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，缺陷密度降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，功率轉(zhuǎn)換效率也從11.2%提升至13.2%。該器件在最大功率點(diǎn)連續(xù)運(yùn)行250分鐘后，仍能保持初始效率的95%以上，展現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性。

(圖片來(lái)源：攝圖網(wǎng))

技術(shù)價(jià)值觀察

鈣鈦礦電池屬于第三代新型太陽(yáng)能電池，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)原理和硅基電池差異較大，需全新的工藝流程和產(chǎn)線設(shè)備，因此產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)差異較大。

鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)鏈上游包括TCO玻璃、靶材、POE膠膜、丁基膠等輔材以及鍍膜設(shè)備、涂布設(shè)備、激光設(shè)備、封裝設(shè)備等設(shè)備，其中以鍍膜設(shè)備(PVD、RPD)、涂布機(jī)、激光設(shè)備為核心;中游為鈣鈦礦電池及組件制造;下游為鈣鈦礦電池應(yīng)用，包括BIPV(光伏建筑一體化)、車(chē)載光伏、室內(nèi)光伏等。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院特任研究員胡芹課題組通過(guò)對(duì)錫基鈣鈦礦半導(dǎo)體材料進(jìn)行摻雜設(shè)計(jì)，成功引入了鍺離子，并在活性層中實(shí)現(xiàn)了鍺離子的梯度摻雜和同質(zhì)結(jié)構(gòu)筑，使無(wú)鉛鈣鈦礦太陽(yáng)能電池功率轉(zhuǎn)換效率也從11.2%提升至13.2%。，該技術(shù)處于鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)鏈中游環(huán)節(jié)。

宏觀市場(chǎng)觀察

鈣鈦礦電池轉(zhuǎn)換效率進(jìn)步快、理論極限高

鈣鈦礦電池的研究起步較晚，但其轉(zhuǎn)換效率進(jìn)步速度遠(yuǎn)快于晶硅電池。單結(jié)鈣鈦礦電池僅用十余年時(shí)間就將轉(zhuǎn)換效率從3.8%提升至26.1%，晶硅/鈣鈦礦疊層電池轉(zhuǎn)換效率更是迅速升至33.9%，而晶硅太陽(yáng)能電池達(dá)到26.1%的轉(zhuǎn)換效率用了近40年。

鈣鈦礦電池突飛猛進(jìn)的發(fā)展得益于其優(yōu)秀的光電性質(zhì)。相比晶硅材料，鈣鈦礦材料具有更高的光吸收系數(shù)，且其電子和空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度大于百微米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鈣鈦礦材料對(duì)光子的吸收深度，有利于自由電子和空穴的輸運(yùn)，可被陰陽(yáng)電極完全收集，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效的光電轉(zhuǎn)化效率。

鈣鈦礦電池主要結(jié)構(gòu)有三種

常見(jiàn)高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)是由透明導(dǎo)電氧化物(FTO或ITO)、電子傳輸層(ETL)、鈣鈦礦吸光層、空穴傳輸層(HTL)、金屬電極(背電極)組成的。根據(jù)電子傳輸層與空穴傳輸層位置不同，可分為正式結(jié)構(gòu)電池(n-i-p)與反式結(jié)構(gòu)電池(p-i-n);根據(jù)電荷傳輸層的形貌結(jié)構(gòu)，可分為介孔結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)。目前反式平面結(jié)構(gòu)為鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中較為主流的選擇，布局該類(lèi)電池的企業(yè)包括協(xié)鑫光電、極電光能等。

需求端應(yīng)用前景廣闊

鈣鈦礦電池在分布式光伏市場(chǎng)具備競(jìng)爭(zhēng)力，可廣泛應(yīng)用于BIPV幕墻，也是光伏車(chē)頂?shù)膬?yōu)良材料。鈣鈦礦電池下游應(yīng)用場(chǎng)景廣泛主要得益于鈣鈦礦材料吸光系數(shù)大，厚度較薄就能實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光的有效利用，同時(shí)鈣鈦礦材料特性決定了鈣鈦礦電池的制作可采用輕薄、柔性基底。

此外，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的帶隙可調(diào)性使其具有室內(nèi)光伏電池理想的寬帶隙，將鈣鈦礦電池的下游應(yīng)用范圍拓展至弱光及室內(nèi)光伏，進(jìn)而可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能家居和智能出行等領(lǐng)域。目前已有相關(guān)企業(yè)布局該應(yīng)用領(lǐng)域的研究，經(jīng)國(guó)家光伏產(chǎn)業(yè)計(jì)量測(cè)試中心認(rèn)證，廣東脈絡(luò)能源科技有限公司研發(fā)的鈣鈦礦室內(nèi)光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率在1000luxU30光源照射下達(dá)到44.72%。

中國(guó)鈣鈦礦電池技術(shù)賽道熱力圖

根據(jù)產(chǎn)業(yè)熱力圖顯示，目前鈣鈦礦電池關(guān)鍵技術(shù)強(qiáng)相關(guān)的城市集群主要集中在華東地區(qū)，尤其是揚(yáng)州市成為重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域。這些城市群已投入大量政策、資金、環(huán)境和人才資源用于鈣鈦礦電池研發(fā)，成為潛在的鈣鈦礦電池技術(shù)發(fā)展中心。根據(jù)熱力圖的分布華東地區(qū)有極大的可能性成為鈣鈦礦電池技術(shù)的先導(dǎo)區(qū)域。重點(diǎn)關(guān)注江蘇省揚(yáng)州市高郵市、江蘇省常州市天寧區(qū)、江蘇省常州市鐘樓區(qū)等地的相關(guān)企業(yè)，以及這些地方對(duì)鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的投資環(huán)境和潛力市場(chǎng)。

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標(biāo)簽： 鈦礦 電池 光伏 隨筆