能量轉(zhuǎn)換效率（PCE，power conversion efficiency），是太陽能電池最基本也是最重要的一項(xiàng)參數(shù)，在光伏領(lǐng)域，如何從太陽能中榨取出更多的電能，是學(xué)界和業(yè)界一直孜孜以求的探索方向。
當(dāng)前，單晶硅是普遍使用的光伏發(fā)電材料，然而隨著晶硅電池的能量轉(zhuǎn)換效率逐漸觸達(dá)其理論上限，科學(xué)家們又把目光投向了各類非硅電池，其中便涌現(xiàn)出了光伏界的“當(dāng)紅炸子雞”——鈣鈦礦。
在過去相當(dāng)長一段時(shí)間里，晶硅光伏電池都是成本和效率極佳的統(tǒng)一體。相伴而生的，是天然礦物轉(zhuǎn)化太陽能效率的局限性。29.43%的理論極限值，成為晶硅材料“一眼到頭”的屏障。
與之形成鮮明對比，鈣鈦礦則走出了“最陡峭的成長曲線”。2009年，日本科學(xué)家首次用鈣鈦礦光伏電池發(fā)電，當(dāng)時(shí)其電能轉(zhuǎn)換效率僅有3.8%。
僅僅過去13年，今天鈣鈦礦電池的實(shí)驗(yàn)室效率就已基本追平了晶硅60多年發(fā)展才達(dá)到的結(jié)果，達(dá)到了25.7%。
而且，鈣鈦礦電池的單層理論效率達(dá)33%，雙層可達(dá)45%以上，具有比晶硅更高的提升空間。
可以毫不夸張地說，鈣鈦礦用了十年時(shí)間就走完了晶硅電池五十年的路，這種發(fā)展速度的背后，得益于鈣鈦礦材料遠(yuǎn)強(qiáng)于晶硅的吸光性能，能量轉(zhuǎn)換過程中的極低能量損失，也與其覆蓋光譜范圍寬的特征有關(guān)。
鈣鈦礦電池原材料均為基礎(chǔ)化工材料，由人工合成，且不含有稀有元素，相比于晶硅電池的硅料來說廉價(jià)易得。
除原材料不受限制外，鈣鈦礦電池制備工藝較短。從玻璃、膠膜、靶材、化工原料進(jìn)入到組件成型的全工程，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈可高度濃縮在一個(gè)百兆瓦的工廠里，時(shí)間控制在45分鐘之內(nèi)。
此外，鈣鈦礦材料對雜質(zhì)敏感度低，對原材料純度要求也低于晶硅，且可以在低溫狀態(tài)下制備。相比于晶硅1000度左右的高溫流程，鈣鈦礦生產(chǎn)工藝溫度不超150度，節(jié)省資源的同時(shí)，還可降低能耗。
在電站端，鈣鈦礦電池憑借弱光性以及顏色可定制的特點(diǎn)，滿足了長時(shí)間發(fā)電、透光度以及美觀性等市場需求，在BIPV和幕墻、陽光房等領(lǐng)域也擁有廣闊的市場空間。
沒有一種材料是完美的，鈣鈦礦也一樣。
盡管鈣鈦礦電池優(yōu)點(diǎn)頗多，但作為一種尚未脫離實(shí)驗(yàn)室階段的材料，其缺陷嚴(yán)重限制了投入工業(yè)生產(chǎn)的能力，自然也就不能對單晶硅電池實(shí)現(xiàn)有效替代。
由于鈣鈦礦材料屬于離子晶體，晶體穩(wěn)定性不如晶硅，容易導(dǎo)致鈣鈦礦電池比較脆弱，可能存在不耐高溫、不耐光照、易水解、易氧化等問題，最早期的鈣鈦礦電池甚至只能持續(xù)幾分鐘。如果一塊鈣鈦礦電池用了一兩年，效率就下降20%，那就毫無經(jīng)濟(jì)性可言了。
在鈣鈦礦的組成結(jié)構(gòu)中，目前來看鉛對于高性能鈣鈦礦是必要的，但這也成為其另一個(gè)為人所詬病的缺點(diǎn)，這可能會對人類健康產(chǎn)生不良影響。此外,鈣態(tài)礦還能夠溶于水,一旦析出到周圍環(huán)境中,無疑將會產(chǎn)生不小的污染。
雖然鈣鈦礦材料制備簡單、價(jià)格低廉，但目前的鈣鈦礦電池在大尺寸設(shè)備和批量生產(chǎn)的工藝上仍然存在問題。
一方面是是涂覆技術(shù)的不成熟，在實(shí)驗(yàn)室里制備的高效率鈣鈦礦電池，基本都是在1平方厘米以下的小面積薄膜，大多使用旋涂法制備，而在大面積生產(chǎn)中則使用的是狹縫涂布法，鈣鈦礦層沒法均勻涂抹在設(shè)備表面，對器件性能有明顯負(fù)面影響，需要開發(fā)更好的噴涂工藝。
另一方面，鈣鈦礦普遍使用TCO（透明導(dǎo)電氧化物）薄膜收集電流，而此類材料的一些物理性質(zhì)會造成光損失，且隨著面積的增大愈發(fā)明顯，這導(dǎo)致鈣鈦礦組件的效率會明顯低于單體電池。
簡而言之，受限于多方面原因，鈣鈦礦電池的轉(zhuǎn)換效率，往往隨面積增大而衰減嚴(yán)重。
鈣鈦礦材料自涉足太陽能電池領(lǐng)域之初，便將目光牢牢鎖定晶硅轉(zhuǎn)化效率的“天花板”，開啟一場“效率革命”。
雖然上述提到的三大問題目前制約著鈣鈦礦的發(fā)展，但也是產(chǎn)業(yè)界不斷突破的方向。今年以來，不斷有積極信號出現(xiàn)，多個(gè)鈣鈦礦大尺寸中試線項(xiàng)目落地，產(chǎn)業(yè)化在加速。
在“雙碳”政策的大背景下，未來光伏在一次能源消費(fèi)的占比將從不到1%提升到25%以上，光伏市場前景可期。
鈣鈦礦光伏作為一種新興的光伏技術(shù)，不僅在實(shí)驗(yàn)室效率上可以比肩晶硅光伏的效率，而且在成本和工藝上更具顯著優(yōu)勢。
來源：鈣鈦礦材料和器件
原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦光伏網(wǎng)）：鈣鈦礦究竟厲害在哪里？