去年9月，英國太陽能制造商牛津光伏（OxfordPV）完成首批鈣鈦礦-硅疊層太陽能電池的商業(yè)訂單交付，此舉被業(yè)界譽為一次重大突破。該事件標志著全球歷時15年研發(fā)的這種兼具輕量化與多功能特性的新材料取得階段性成果，其性能潛力有望超越傳統(tǒng)硅基太陽能電池。但此后遲遲未見后續(xù)出貨的情況表明，該技術尚未完全具備大規(guī)模商業(yè)化條件。
核心問題在于：鈣鈦礦技術遲遲未能實現(xiàn)規(guī)?；袌鰬?，導致其成本競爭力始終不及成熟的硅基太陽能電池。從2009年首篇鈣鈦礦太陽能電池論文發(fā)表，到2024年實現(xiàn)首次商業(yè)出貨，硅基太陽能電池的制造成本已從每瓦2.11美元大幅下降至0.2美元。這一價格下跌主要得益于東南亞地區(qū)產(chǎn)能的大幅提升。
當前，美國對東南亞國家硅基太陽能電池組件征收的高額關稅，或?qū)殁}鈦礦制造商創(chuàng)造競爭優(yōu)勢。美國商務部4月21日作出最終裁決，對馬來西亞、柬埔寨、泰國和越南的太陽能企業(yè)征收最高達3400%的懲罰性關稅。此項裁決源于一項長期反補貼反傾銷調(diào)查，調(diào)查發(fā)現(xiàn)中國企業(yè)為規(guī)避既有關稅，將產(chǎn)能轉(zhuǎn)移至上述四國。如果今年6月再獲美國另一機構(gòu)最終確認，該關稅將在現(xiàn)有對東南亞太陽能組件進口稅基礎上疊加征收。
然而，此類反傾銷關稅并不適用于鈣鈦礦等薄膜光伏產(chǎn)品。這對太陽能開發(fā)商而言或許是利好消息，但他們必須迅速采取行動——鈣鈦礦產(chǎn)品上市周期越長，市場格局變數(shù)越大。然而，該領域部分研究人員仍執(zhí)著于突破功率轉(zhuǎn)換效率紀錄，某些鈣鈦礦電池的轉(zhuǎn)換效率已達27%。這些成果或許能助推論文登上高影響力期刊，卻對鈣鈦礦技術的商業(yè)化落地助益甚微。
許多研究人員指出，當前不應再追求效率的漸進式提升，而應將重點轉(zhuǎn)向擴大生產(chǎn)規(guī)模并延長電池壽命。這意味著需要開發(fā)新的制造工藝，在保證器件高質(zhì)量的同時實現(xiàn)低成本生產(chǎn)。
這一目標的實現(xiàn)絕非易事。要在降低加工成本的同時延長電池壽命并保持較高的轉(zhuǎn)換效率，需要投入大量研發(fā)工作。如果學術界與產(chǎn)業(yè)界的研究人員通力合作，這一制造難題的解決速度或?qū)⒊鋈藗兊念A期。
鈣鈦礦太陽能電池是由有機離子、金屬和鹵素組成，這些成分形成的特殊晶體結(jié)構(gòu)具備很強的可塑性。通過優(yōu)化材料配比，鈣鈦礦在光電轉(zhuǎn)換效率方面有望超越硅基材料：其理論效率極限可達34%，而硅基電池僅為32%。更值得注意的是，鈣鈦礦僅需極薄的材料層即可實現(xiàn)這一性能，這使得柔性太陽能電池、曲面光伏組件、室內(nèi)光伏裝置及太陽能窗戶等創(chuàng)新應用成為可能。
鈣鈦礦材料還可堆疊在硅基光伏電池的上邊，以提升性能。目前鈣鈦礦-硅疊層太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率紀錄已達34.6%，較最優(yōu)性能的硅基電池顯著提升7個百分點，這一突破令人矚目。
然而，低成本制造高質(zhì)量鈣鈦礦材料的工藝仍面臨重大挑戰(zhàn)。加工過程中暴露于空氣和潮濕環(huán)境會損害其初始性能，并導致材料隨時間推移而退化。這一技術瓶頸迫使研究人員必須在高度受控的環(huán)境中完成組裝工序。
在受控環(huán)境中，鈣鈦礦太陽能電池的制備主要有兩種工藝。成本較高的氣相沉積法需在真空條件下使鈣鈦礦材料蒸發(fā)或汽化，隨后沉積成薄膜。這種工藝制備的薄膜質(zhì)量優(yōu)異，缺陷率低且轉(zhuǎn)換效率穩(wěn)定。但此方法設備投入成本高昂，且需要嚴格的維護措施和極高的環(huán)境控制要求。
另一種工藝則采用更為簡便且成本低廉的噴墨打印或噴涂沉積技術。這類溶液法工藝先將鈣鈦礦材料溶解于前驅(qū)體溶液（或稱“墨水”）中，然后直接涂覆于目標基板表面。過去十年間，正是憑借該工藝的簡易性，研究人員得以快速提升鈣鈦礦性能。然而，此類技術也同時面臨著可能造成大量污染和產(chǎn)品缺陷等問題。
無論采用哪種工藝路線，要制備高性能鈣鈦礦電池，通常都需在實驗室手套箱等受控環(huán)境中完成制造流程。該設備通過抽除氧氣和水分并充入氮氣等惰性氣體來營造適宜的生產(chǎn)環(huán)境。然而，環(huán)境控制要求的提升將直接導致生產(chǎn)成本攀升。
部分手套箱可將內(nèi)部氧氣和水分含量控制在百萬分之一（1ppm）以下。但這類系統(tǒng)的安裝和維護成本高昂——需要配置復雜的過濾循環(huán)系統(tǒng)和鼓風系統(tǒng)來抽排廢氣，經(jīng)凈化后再循環(huán)輸入系統(tǒng)。這些過濾器和控制系統(tǒng)需定期維護更換，進一步推高維護成本。僅ppm傳感器的價格就高達數(shù)千美元。
此類維護成本必然隨生產(chǎn)規(guī)模擴大而遞增。受控環(huán)境空間越大，需過濾的空氣量就越多，維持嚴格環(huán)境控制的難度也隨之提升。這就要求配置功率更大的風機、尺寸更大的過濾器。若系統(tǒng)暴露于空氣中，重新恢復運行狀態(tài)將耗費更多時間和資金成本。
面對這些挑戰(zhàn)，太陽能開發(fā)商正嘗試不同的鈣鈦礦器件制備方法，特別是在大規(guī)模生產(chǎn)方面。例如，英國達勒姆的PowerRoll公司正在開發(fā)柔性太陽能組件，目前采用溶液法進行制備，同時也在評估其他技術方案。該公司高級科學家內(nèi)森·希爾表示：“我們一直在與產(chǎn)業(yè)界和學術界的合作伙伴保持協(xié)作，以確保始終掌握最前沿的制備技術。這使我們能夠同時擁有真空工藝和溶液工藝兩種技術路線?！?/span>
總部位于英國牛津的牛津光伏公司（OxfordPV）尚未披露其首批商業(yè)化出貨的鈣鈦礦-硅疊層組件所采用的制備工藝。在2018年的一次采訪中，公司聯(lián)合創(chuàng)始人亨利·斯尼思曾暗示，可能采用氣相沉積路線，他表示：“氣相沉積電池的研發(fā)進度將快于溶液法制備的電池?！?/span>
多家制造商表示，完全惰性環(huán)境（ppm值極低）的生產(chǎn)工藝并不適合大規(guī)模制造。為此，業(yè)界正探索創(chuàng)新方法來簡化制備流程。PowerRoll公司的希爾指出：”雖然我們認同惰性環(huán)境對實驗室規(guī)模生產(chǎn)有益，但通過與合作伙伴的共同實踐發(fā)現(xiàn)，控制溫度和濕度才是調(diào)控鈣鈦礦晶粒生長的關鍵因素。我們已在非惰性環(huán)境下取得了顯著成果?！睋?jù)加州圣何塞的鈣鈦礦創(chuàng)新企業(yè)TandemPV公司發(fā)言人透露，該公司同樣在非惰性環(huán)境下采用溶液法制備鈣鈦礦層。
隨著制造商持續(xù)開展工藝試驗，研究人員也應重新審視鈣鈦礦太陽能電池的研發(fā)目標。一般而言，環(huán)境惰性程度越高，電池性能表現(xiàn)越優(yōu)異。但實際生產(chǎn)中，這些電池究竟需要達到多高的性能？這些環(huán)境又需要保持多高的惰性程度？是否存在一種折中方案，即在環(huán)境部分受控的條件下，也能制備出性能達標的鈣鈦礦材料？
我與Ossila（英國科研儀器公司）的同事們已經(jīng)驗證過，三陽離子混合鹵化鈣鈦礦材料具備相對較強的穩(wěn)定性，可在僅維持濕度為15ppm、氧含量為0.5%（即5000ppm）的手套箱環(huán)境中穩(wěn)定制備。這種條件下制備的鈣鈦礦太陽能電池，其光電轉(zhuǎn)換效率可達到與高端手套箱中制備的器件相當?shù)乃剑謩e為19.2%和19.7%。效率接近19%的鈣鈦礦電池已經(jīng)具備與主流硅基太陽能技術競爭的潛力（目前硅基太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率大致在13%至23%之間，具體取決于電池類型）。由于鈣鈦礦材料最適用于硅基材料無法勝任的應用場景，或作為硅基器件的補充，我們認為這一研究成果具有重要意義。
我們還發(fā)現(xiàn)，即使在環(huán)境空氣條件下采用溶液法工藝制備相同的三陽離子混合鹵化鈣鈦礦材料，所制備的器件仍具備良好的性能。實驗中表現(xiàn)最佳的器件，其光電轉(zhuǎn)換效率達到17.6%，這一結(jié)果表明，采用空氣環(huán)境下工藝制備高性能鈣鈦礦太陽能電池仍具有可行性與發(fā)展?jié)摿Α?/span>
許多學術研究人員也在嘗試在非手套箱環(huán)境下制備鈣鈦礦太陽能電池。近期發(fā)表在《自然-通訊》（NatureCommunications）上的一項研究，介紹了一種完全在常壓環(huán)境條件下，通過溶液法實現(xiàn)的卷對卷鈣鈦礦電池制備工藝。（注：卷對卷工藝是一種高速制造技術，可將溶液連續(xù)沉積在柔性基材的移動卷軸上，其原理類似于報紙印刷，但應用于太陽能電池的生產(chǎn)。）
所制得的器件，其單個電池的光電轉(zhuǎn)換效率可達15.5%，小型太陽能組件的效率則為11%。此外，預計其生產(chǎn)成本可低至每瓦0.70美元，且未來仍具備進一步降本的空間。
要推動該領域?qū)崿F(xiàn)全面商業(yè)化，關鍵在于將注意力更多轉(zhuǎn)向可擴展的制備工藝，而不是一味追求更高的轉(zhuǎn)換效率。學術界與產(chǎn)業(yè)界必須在提升器件穩(wěn)定性和規(guī)?；a(chǎn)能力方面達成一致目標。
鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化應用已指日可待。不斷變化的國際貿(mào)易形勢更可能為其帶來競爭優(yōu)勢。但要實現(xiàn)這一目標，關鍵在于識別并剔除生產(chǎn)流程中的非必要環(huán)節(jié)。憑借低成本、全球適應性生產(chǎn)體系及柔性制造優(yōu)勢，鈣鈦礦器件有望為全球光伏制造業(yè)開辟新路徑，從而增強光伏產(chǎn)業(yè)的整體供應鏈韌性。