鈣鈦礦太陽能電池是指使用鈣鈦復合氧化物晶體結構的化合物作為吸光半導體材料的太陽能電池，其具有理想的禁帶寬度、極高的吸光系數、很低的電子-空穴對結合能、均衡的載流子遷移率和較長的載流子壽命等光學和電學特征。
太陽能電池發展的兩條主線是轉換效率和成本，晶硅電池在這兩方面的發展已接近天花板，而鈣鈦礦電池作為一種新興電池，在效率提升和降本方面的潛力都很大，且應用范圍廣。
在電池轉換效率方面，2021年12月德國海姆霍茲柏林材料所(HZB)的鈣鈦礦/硅疊層電池最高轉換效率達到了29.8%，鈣鈦礦/銅銦鎵硒疊層電池最高轉換效率達到24.2%，韓國蔚山科學技術大學(UNIST)的單結鈣鈦礦電池最高轉換效率達到25.7%。
可以看出，不論是單結還是疊層電池，轉換效率都較高，尤屬鈣鈦礦/硅疊層電池的轉換效率最高。
在組件轉換效率方面，鈣鈦礦組件尚不及晶硅組件。目前全球鈣鈦礦小組件實驗室最高轉換效率為18.6%，組件面積只有29.539cm2；日本松下公司達到了大組件實驗室最高轉換效率，在804cm2的面積上實現17.9%±0.5%的轉換效率。
表1按照實驗室和商業化兩個階段，對比了鈣鈦礦與晶硅組件在面積和轉換效率上的區別。
可以看出，目前鈣鈦礦組件的效率相比晶硅組件仍有明顯差距，組件面積也小得多。尤為重要的是，只有大面積組件才具有商業性價值。
鈣鈦礦電池作為新興電池，具有獨特的優勢：
2009年，鈣鈦礦太陽能電池實驗室轉化效率為3.8%，短短11年，實驗室小面積器件轉化效率已經可以達到29.5%，效率提升速度驚人。
理論上，單結鈣鈦礦電池轉換效率可達33%，雙結的理論轉換效率可達40%以上，表明未來轉換效率還有很大提升潛力。
鈣鈦礦材料吸光系數大，厚度僅需微米級就能實現對太陽光的有效利用，可采用輕薄、柔性基底，不僅降低了電池質量，柔性特點還可以應用于多種場景，這是目前晶硅電池難以匹敵的。
鈣鈦礦電池的不足也不容忽視。首先是尺寸小，轉換效率較高的鈣鈦礦電池其尺寸均為實驗室級別，未達到商業化尺寸。目前較難生產薄且均勻的大面積鈣鈦礦層，一旦電池尺寸增大，光電轉換效率隨之下降，這是技術上亟需解決的首要問題。其次，穩定性差導致電池壽命較短。
鈣鈦礦電池對潮濕環境敏感，暴露在潮濕空氣中會很快分解，晝夜溫差造成的水蒸氣也將對其造成傷害，因此對防水封裝的要求十分嚴苛。此外，氧氣氧化、光輻照、紫外線等都會對其穩定性產生顯著影響。
目前，鈣鈦礦電池持續光照實驗最長達到10000h，若按照全天平均日照時長4h計算，理論壽命也只有6.8年。再考慮到每天實際日照時間會多于4h，以及其他日常損耗，正常壽命將會小于6.8年，這與目前晶硅電池的理論壽命25年相比，有很大差距。
為了扭轉鈣鈦礦電池的劣勢，業界正在探索從技術和工藝多方面來提升轉換效率和穩定性。例如，鈣鈦礦電池與晶硅異質結電池串聯疊層，利用鈣鈦礦的可調節性，使其吸收光譜中不能被晶硅電池利用的部分，未被吸收的光可以穿過被晶硅吸收，從而達到最大限度吸收能量的效果。制備工藝采用噴墨方法或者改進卷對卷涂布工藝等。
目前，進行鈣鈦礦電池研發的研究機構和團隊眾多，研發成果層出不窮(見表2)，部分成果已獲得商業支持，正在進行初步產業轉化(見表3)。
除此以外，還有不少企業也有過相關研究或表達過前期技術布局意向。
從國別來看，目前美國處于鈣鈦礦電池技術領先地位，且正在投入大量資金用于研發。
目前有三家公司公布過其鈣鈦礦電池的生產成本。纖納光電：100MW生產線約0.15美元/W，擴大至GW級產線后約0.1美元/W；協鑫納米：GW級產線可低于0.1美元/W；牛津光伏：0.4美元/W，鈣鈦礦-硅異質結(HJT)疊層電池。
對比已經商業化的單晶硅組件來看，垂直一體化廠商的單晶硅組件最優內部生產成本目前約為0.21～0.22美元/W，按較低生產成本數據來比較，鈣鈦礦電池比單晶硅電池擁有成本優勢。
目前已經建成鈣鈦礦電池的示范電站，但尚未有大規模的成熟商業電站建成，精確衡量其實際項目經濟性存在一定難度。可以假設鈣鈦礦組件穩定性能夠滿足使用要求，壽命25年，將其與目前成熟的晶硅電池電站做經濟性方面的初步比較，假設邊界條件見表4。
考慮到鈣鈦礦電池轉換效率低，要達到與單晶硅相同的輸出功率，就需要更多數量的組件。按容配比1.27計算，鈣鈦礦組件的數量將是單晶硅組件數量的1.24倍，由此帶來占地面積、支架等投資成本相應增加，計算時也按增加24%考慮。據此，使用單晶硅和鈣鈦礦組件的工程投資估算見表5。
鈣鈦礦組件比單晶硅組件便宜，假設其商業化售價為1.5元/W。第一項的光伏發電設備及安裝費中，單晶硅光伏組件設備費用134013萬元(1.76元/W)，而替換為鈣鈦礦電池的設備及安裝費只有114216萬元，僅為單晶硅組件的85%。
為實現相同的輸出功率，使用鈣鈦礦組件需要更多的安裝面積和塊數(比單晶硅增加24%)，由此帶來支架用鋼、匯流及變配電設備及安裝、集電線路、接地、分系統調試、整套啟動調試以及建筑工程、建設用地費用(土地使用稅)均增加至1.24倍。
計算結果表明，若該項目由單晶硅組件改為鈣鈦礦組件，不含外送費用，單瓦靜態投資為3.22元/W，動態投資為3.27元/W，而單晶硅組件則分別為3.18元/W和3.22元/W，使用鈣鈦礦組件單瓦靜態投資和動態投資分別增加1.2%和1.4%。
目前，組件在投資成本中所占的比例越來越小(2020年約占39%)，節省組件費用對經濟性的影響越來越弱，而非組件成本，特別是土地使用費用在投資成本中所占比例越來越大。
所以，鈣鈦礦僅憑組件投資成本低，并不擁有決定性優勢，關鍵還是要提高轉換效率和穩定性。
根據前述假設計算，雖然鈣鈦礦電池制造成本低，但是由于其轉換效率較晶硅電池低，要達到與單晶硅相同的輸出功率就需要更多組件。
使用鈣鈦礦組件相比單晶硅組件，單瓦靜態投資和動態投資分別增加1.2%和1.4%，成本有所上漲，加之鈣鈦礦組件實際使用壽命尚不能達到商業壽命20年以上，因此項目經濟性并不理想。
而且目前尚無國際公認的鈣鈦礦測試標準，無可靠數據支持，投資商不敢貿然使用，大規模商業化項目的建設腳步緩慢。
鈣鈦礦電池技術的應用場景十分廣泛，不僅適用于大型電站，還因其輕薄、柔性和可定制的特性，將來可以廣泛適用于光伏建筑一體化、電子消費產品、傳感器、布料等多種場景。 一旦突破了關鍵技術問題，鈣鈦礦及其疊層電池有可能替代和補充晶硅產品，獲得可觀的市場份額。
來源：太陽能鈣鈦礦電池技術發展和經濟性分析
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原文始發于微信公眾號（光伏產業通）：太陽能鈣鈦礦電池技術發展和經濟性分析