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（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持來推動鈣鈦礦超薄膜電池的研究和產業化，試圖憑借此項技術顛覆中國在光伏領域的優勢。

文中提到，現在中國企業控制著全球硅太陽能電池板供應鏈的80%以上，而在作為電池板核心材料的多晶硅市場上，中國所占份額更高。國際能源署（IEA）發表報告顯示：“到2025年，全球太陽能電池板生產的關鍵構件幾乎將完全依賴中國供應。”

日本EneCoat首席技術官Tamotsu Horiuchi展示該公司開發的太陽能薄片 圖片來源：《華爾街日報》

為了重塑相關供應鏈，美國日本等國都在推進太陽能電池板供應鏈的本土替代，并將未來的賭注放在了不使用任何硅的鈣鈦礦太陽能電池上。

為什么美日打算押注鈣鈦礦？

美日押注鈣鈦礦的核心原因就是它的上限遙遙領先于現在的硅光伏電池。

鈣鈦礦材料起源于鈣鈦氧化物（CaTiO3），該化合物由德國化學家Gustav于19世紀發現，之后被俄羅斯礦物學家Lev A. Perovski表征，鈣鈦礦（perovskite）從而得名。2012年，牛津大學的Henry Snaith發現鈣鈦礦可以用作太陽能電池的主要成分。此后關于鈣鈦礦光伏效應的相關研究就在這十多年來突飛猛進。

鈣鈦礦電池工作原理同硅基太陽能電池類似，都是光生伏特效應。但是不同的是，鈣鈦礦電池有以下三個特點：1、高吸光系數，可以捕獲更大范圍的光子能量。2、帶隙可調：晶硅電池帶隙固定，約1.1eV；而鈣鈦礦電池可以通過調節鈣鈦礦組分，其帶隙可在1.4~2.3eV之間變化；所以可設計不同帶隙的鈣鈦礦電池與晶硅電池疊加，從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：晶硅電池溫度系數為-0.3左右，即溫度上升1℃功率會下降0.3%，因此實際工作中其發電效率受溫度影響很小。

根據相關研究，鈣鈦礦單結電池理論功率轉換效率可達33%，鈣鈦礦-晶硅疊層電池理論功率轉換效率可達到43%，鈣鈦礦-鈣鈦礦疊層理論功率轉換效率可達到45%。而與之相對的是，傳統商用硅電池板的功率轉換效率在大約18%至22%之間。對于光伏產業來說，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%背后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。

鈣鈦礦對于光伏行業的顛覆似乎就在路上。

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%（準穩態功率轉換效率為23.3%）的全鈣鈦礦三結太陽能電池。該電池在最大功率點工作420小時以后，依然能夠保持80%的初始效率。

團隊合照 圖片來源：多倫多大學工程學院

11月，美國西北大學團隊在《Science》上發布文章，宣布該團隊成功制備了倒置鈣鈦礦太陽能電池。該電池準穩態功率轉換效率達到了25.1%，在環境空氣中在65°C下可穩定運行超過2000小時。他們還宣稱制造了功率轉換效率為28.1%的單片全鈣鈦礦串聯太陽能電池。

更高的轉化效率和顛覆性的材料，意味著未來電池設計將更加輕便和靈活。根據《華爾街日報》報道，日本現在重點攻克的鈣鈦礦電池里的鈣鈦礦層只有1微米厚。所制作電池的重量只有目前太陽能電池的十分之一，厚度只有二十分之一。所以鈣鈦礦電池可以安裝在墻壁或曲面上，在較弱的陽光下發電，甚至在室內也能發電。

由于鈣鈦礦電池具有上述特點，所以國際巨頭們都下巨資推進相關研究，美國、日本、韓國等國都更是將其視作規則顛覆者。

早在2020年9月，韓國貿易工業和能源部就更新了太陽能組件行業的新路線圖，表示之后五年將投入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，將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，日本和美國也先后發布相關政策，開發下一代太陽能電池技術、將鈣鈦礦光伏技術推向商業化。

串聯光伏鈣鈦礦 圖片來源：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將于2025年開始量產鈣鈦礦電池。而日本政府也已撥出4億多美元預算，幫助企業大規模生產鈣鈦礦電池。日本政府在去年4月還放出豪言，計劃將在2030年普及以鈣鈦礦電池為核心的柔性太陽能電池板，并且將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鈦礦電池發展：1、電池易受潮，相比于單晶硅和多晶硅，鈣鈦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，由于鈣鈦礦并不是一種晶體，所以電池越寬就越難形成薄而均勻的鈣鈦礦層，這導致大面積尺寸電池的功率轉換效率低于20%，并且電池內部短路等問題會導致光電轉換效率下降。3、GW級規模化生產鈣鈦礦電池依舊有難度。

針對以美日為首的試圖利用鈣鈦礦電池改變現有光伏格局的嘗試。我國產業也在加快鈣鈦礦電池相關研究的軍備競賽。