日本推動鈣钛礦電池，能颠覆中國光伏優勢？
（觀察者網訊）《華爾街日報》中文版12日刊登文章“中國在太陽能市場的霸主地位面臨新對手：一種超薄膜電池”，表示日本正在通過補貼和其他支援來推動鈣钛礦超薄膜電池的研究和産業化，試圖憑借此項技術颠覆中國在光伏領域的優勢。
文中提到，現在中國企業控制着全球矽太陽能電池闆供應鍊的80%以上，而在作為電池闆核心材料的多晶矽市場上，中國所占份額更高。國際能源署（IEA）發表報告顯示：“到2025年，全球太陽能電池闆生産的關鍵構件幾乎将完全依賴中國供應。”
日本EneCoat首席技術官Tamotsu Horiuchi展示該公司開發的太陽能薄片 圖檔來源：《華爾街日報》
為了重塑相關供應鍊，美國日本等國都在推進太陽能電池闆供應鍊的本土替代，并将未來的賭注放在了不使用任何矽的鈣钛礦太陽能電池上。
為什麼美日打算押注鈣钛礦？
美日押注鈣钛礦的核心原因就是它的上限遙遙領先于現在的矽光伏電池。
鈣钛礦材料起源于鈣钛氧化物（CaTiO3），該化合物由德國化學家Gustav于19世紀發現，之後被俄羅斯礦物學家Lev A. Perovski表征，鈣钛礦（perovskite）進而得名。2012年，牛津大學的Henry Snaith發現鈣钛礦可以用作太陽能電池的主要成分。此後關于鈣钛礦光伏效應的相關研究就在這十多年來突飛猛進。
鈣钛礦電池工作原理同矽基太陽能電池類似，都是光生伏特效應。但是不同的是，鈣钛礦電池有以下三個特點：1、高吸光系數，可以捕獲更大範圍的光子能量。2、帶隙可調：晶矽電池帶隙固定，約1.1eV；而鈣钛礦電池可以通過調節鈣钛礦組分，其帶隙可在1.4~2.3eV之間變化；是以可設計不同帶隙的鈣钛礦電池與晶矽電池疊加，進而達到更高的光電轉化效率。（注：帶隙是導帶的最低點和價帶的最高點的能量之差，也稱能隙。帶隙越大，電導率也就越低）3、溫度系數低：晶矽電池溫度系數為-0.3左右，即溫度上升1℃功率會下降0.3%，是以實際工作中其發電效率受溫度影響很小。
根據相關研究，鈣钛礦單結電池理論功率轉換效率可達33%，鈣钛礦-晶矽疊層電池理論功率轉換效率可達到43%，鈣钛礦-鈣钛礦疊層理論功率轉換效率可達到45%。而與之相對的是，傳統商用矽電池闆的功率轉換效率在大約18%至22%之間。對于光伏産業來說，光伏功率轉換效率每提高1%，對應度電成本下降5%到7%。這1%背後可能需要耗費行業最頂尖人才3-5年的時間和天量的研發投資。
鈣钛礦對于光伏行業的颠覆似乎就在路上。
2023年7月，加拿大多倫多大學工程學院團隊在《Nature》上發表文章，宣布制備了開路電壓為3.21伏和功率轉換效率為24.3%（準穩态功率轉換效率為23.3%）的全鈣钛礦三結太陽能電池。該電池在最大功率點工作420小時以後，依然能夠保持80%的初始效率。
團隊合照 圖檔來源：多倫多大學工程學院
11月，美國西北大學團隊在《Science》上釋出文章，宣布該團隊成功制備了倒置鈣钛礦太陽能電池。該電池準穩态功率轉換效率達到了25.1%，在環境空氣中在65°C下可穩定運作超過2000小時。他們還宣稱制造了功率轉換效率為28.1%的單片全鈣钛礦串聯太陽能電池。
更高的轉化效率和颠覆性的材料，意味着未來電池設計将更加輕便和靈活。根據《華爾街日報》報道，日本現在重點攻克的鈣钛礦電池裡的鈣钛礦層隻有1微米厚。所制作電池的重量隻有目前太陽能電池的十分之一，厚度隻有二十分之一。是以鈣钛礦電池可以安裝在牆壁或曲面上，在較弱的陽光下發電，甚至在室内也能發電。
由于鈣钛礦電池具有上述特點，是以國際巨頭們都下巨資推進相關研究，美國、日本、南韓等國都更是将其視作規則颠覆者。
早在2020年9月，南韓貿易工業和能源部就更新了太陽能元件行業的新路線圖，表示之後五年将投入1900億韓元（約合1.597億美元）用于串聯光伏技術的研究，并最終在2030年，将太陽能電池的光電功率轉換效率提升至35%。2021年5月和2022年7月，日本和美國也先後釋出相關政策，開發下一代太陽能電池技術、将鈣钛礦光伏技術推向商業化。
串聯光伏鈣钛礦 圖檔來源：柏林亥姆霍茲中心材料與能源研究所
根據相關規劃，積水化學和東芝等公司預計最早将于2025年開始量産鈣钛礦電池。而日本政府也已撥出4億多美元預算，幫助企業大規模生産鈣钛礦電池。日本政府在去年4月還放出豪言，計劃将在2030年普及以鈣钛礦電池為核心的柔性太陽能電池闆，并且将太陽能電池的光電功率轉換效率提升至35%。
但是現在依舊有三大難題阻礙鈣钛礦電池發展：1、電池易受潮，相比于單晶矽和多晶矽，鈣钛礦材料是一種離子材料，更容易受潮或氧化降解，這對于需要持續工作10年以上乃至30年以上的電池來說是個巨大的考驗。2、電池難做寬，由于鈣钛礦并不是一種晶體，是以電池越寬就越難形成薄而均勻的鈣钛礦層，這導緻大面積尺寸電池的功率轉換效率低于20%，并且電池内部短路等問題會導緻光電轉換效率下降。3、GW級規模化生産鈣钛礦電池依舊有難度。
針對以美日為首的試圖利用鈣钛礦電池改變現有光伏格局的嘗試。大陸産業也在加快鈣钛礦電池相關研究的軍備競賽。
大陸鈣钛礦電池産業化正在加速
2023年5月，中國科學技術大學的徐集賢教授團隊将單結鈣钛礦太陽能電池的認證功率轉換效率提升到了26.1%，打破世界紀錄。該記錄在7月得到了國際認證。
2023年11月3日，大陸光伏巨頭隆基綠能表示，據美國國家可再生能源實驗室最新認證報告，隆基綠能自主研發的晶矽-鈣钛礦疊層電池功率轉換效率達到33.9%，重新整理全球晶矽-鈣钛礦疊層電池功率轉換效率最高紀錄。此前，該電池功率轉換效率的世界記錄是33.7%，由沙特國王科技大學于23年5月突破。
隆基綠能宣布重新整理晶矽-鈣钛礦疊層電池效率世界紀錄 圖檔來源：中國日報網
之後在12月5日，極電光能宣布，經國際權威檢測機構認證，極電光能研發的810.1cm²大尺寸鈣钛礦元件穩态功率轉換效率達到19.5%。這是該公司繼6月以18.6%穩态功率轉換效率打破日本松下保持3年之久的世界紀錄之後，再次重新整理最大尺寸鈣钛礦元件功率轉換效率紀錄。
而在我們的優勢領域，産業化方面，大陸似乎也已經隐隐領先于美日。
早在2022年8月，極電光能宣布與無錫錫山經濟技術開發區達成協定布局全球首條GW級鈣钛礦光伏元件及BIPV産品生産線。預計将在2024年下半年建成投産。
此後在2023年12月27日，總投資50億元的協鑫光電鈣钛礦GW級項目在昆山高新區奠基，該項目将建設全球首條大規格（1.2米×2.4米）2GW鈣钛礦生産線，此次奠基的協鑫光電2GW項目計劃分兩期建設，預計2024年下半年建成投産，2027年産值有望突破百億元。
今年1月11日，“光伏新勢力”仁爍光能在江蘇常熟舉行150MW鈣钛礦光伏元件項目竣工暨出片儀式，預計該産線将在2024年年中實作1.2米*0.6米鈣钛礦元件量産，量産元件的轉換功率轉換效率将達20%。
更值得注意的是，全球首個商業化運作的兆瓦級鈣钛礦地面光伏項目纖納光電的1兆瓦鈣钛礦地面光伏電站已于2023年11月29日成功并網。這是内蒙古鄂爾多斯市杭錦旗庫布其沙漠腹地的蒙西基地庫布其200萬千瓦光伏治沙項目的配套建設，采用了1.12萬片纖納光電自主研發和制造的鈣钛礦α元件。
沙漠裡的鈣钛礦元件 圖檔來源：纖納光電
對于大陸鈣钛礦電池的飛速發展，協鑫集團董事長朱共山之前曾表示，“從2023年開始，鈣钛礦電池技術将正式步入量産元年”。
相信随着大陸科研人員的不斷努力，美日将很難通過鈣钛礦電池颠覆大陸在光伏領域的優勢地位。
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