撰文 / 周 洲
編輯 / 黃大路
設計 / 師 超
未來，你的手機、背包、汽車車頂，都有可能成為小小發電站。
理論上，它只需要在這些終端上塗上一層薄薄的膜。這層薄薄的膜，被稱為鈣鈦礦。
這種鈣鈦礦既不含鈣，也不含鈦。它是一種比頭發絲還要薄100多倍的晶體結構化合物，通式為ABX3，名稱源自於同名礦物鈣鈦礦（CaTiO3，perovskite）。
它其實是一種太陽能薄膜技術，是太陽能電池的一種新技術，能夠實作比現在的矽片太陽能電池更高的光電轉換效率，從而提高太陽能利用率，減少對占地面積巨大的太陽能發電場的需求。
自 2009
在9月27日-29日舉辦的2024世界新能源汽車大會上，史丹福大學教授朱棣文稱，「新材料鈣鈦礦的發展令人振奮。鈣鈦礦電池與矽電池疊層或自身的層狀結構都取得了顯著的進展，有望將太陽能電池的效率提升至30%以上。更令人欣慰的是，鈣鈦礦電池的耐用性在加速壽命測試中已經超過15年。如果能達到25至30年的標準，它將取代矽電池。」
其實，豐田、長城等中外車企以及電池霸主寧德時代早就瞄上了鈣鈦礦。電動汽車是未來鈣鈦礦電池最有前景的套用載體之一，因為在電動汽車上貼一層太陽能薄膜，可以產生足夠的電能驅動車輛。
雖然現在這個遠景還未實作商業化，但這些有實力的巨頭們在任何一個有可能成為未來趨勢的技術高點，都會提前動作。
提前入局
鈣鈦礦又熱絡起來，是最近寧德時代洽購太陽能光伏元件企業一道新能源事宜。
一道新能源前不久
TOPCon技術全稱為穿隧氧化層鈍化接觸太陽能電池技術（Tunnel Oxide Passivated Contact solar cell），是一種先進的光伏晶矽電池技術。它基於選擇性載流子原理，透過在N型矽襯底電池的背面制備一層超薄的氧化矽層，再在其上沈積一層摻雜矽薄層，形成鈍化接觸結構，有效降低表面復合和金屬接觸復合，從而提高太陽能電池的光電轉換效率。
光伏行業普遍認為，突破晶矽電池極限的下一代光伏技術是疊層電池。相比於XBC（交叉指式背接觸電池，是N型高效光伏電池技術的一種），TOPCon更適合作為疊層電池的底電池，且更具性價比。
正在從實驗室向商用轉化的鈣鈦礦電池，需要與矽基底電池形成疊層的串聯太陽能電池，以實作設想中的30%的光電轉換效率。也因此，寧德時代洽購一道新能源被視為加速布局鈣鈦礦電池。
不過，寧德時代董事長曾毓群9月27日稱，並未考慮收購包括一道新能源在內的光伏企業。
電池一哥早就提前入局鈣鈦礦電池。
2020年，寧德時代透過控股子公司瑞庭投資參投協鑫光電。
協鑫光電的鈣鈦礦電池▼
2022年5月份，寧德時代董事長曾毓群在業績說明會上表示，公司鈣鈦礦光伏電池研究進展順利，正在搭建中試線。2023年5月份，寧德時代在SNEC光伏大會暨（上海）展覽會釋出了全球首個零輔源光儲融合解決方案。今年3月，寧德時代公布了「鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法與用電裝置」專利。
有實力的車企也在這個賽道上鋪開投資。
2023年11月上旬，比亞迪官宣布局下一代光伏技術——鈣鈦礦，並組建了一支專業化的光伏技術研發團隊，重心放在能量轉換效率的突破上。
幾乎同時，長城汽車旗下的光伏企業極電光能有限公司（下稱極電光能）宣布，經權威機構認證，公司研發的810.1平方厘米的大尺寸鈣鈦礦元件穩態效率達到19.7％，今年5月，這個數碼變為20.7％，再次重新整理紀錄。
2023年6月，源自京都大學的日本太陽能初創企業Enecoat Technologies和豐田宣布，將共同研發被視為新一代光伏電池首選的「鈣鈦礦型光伏電池」，力爭到2030年搭載於純電動汽車（EV）的車頂等。今年7月19日，EneCoat Technologies宣布完成55億日元C輪融資，由豐田成長基金WovenCapital領投，INPEX和三菱HCCapital參投。
無論是國內還是海外，主流車企及產業鏈鏈主開始密集地和光伏的最新技術發生「化學反應」。
效率高，但壽命短
第一代光伏電池是晶矽材料，第二代是薄膜，鈣鈦礦被視作第三代新材料。
目前，除了美國的光伏巨頭First Solar還在堅持薄膜技術路線，全球95%以上的市場份額都是晶矽電池。
鈣鈦礦電池企業Swift Solar CEO 喬·讓（Joel Jean）今年8月稱，這是因為矽片價格便宜，多年前人們還在問矽片價格能不能降到1美元/瓦，沒人會想到很快就降到了20美分。
喬·讓認為，成本會隨著規模生產降下來。理論上，鈣鈦礦光伏電池成本將達到0.6元/瓦，比1元/瓦的晶矽低了40%。
與現在大量套用的晶矽光伏電池相比，鈣鈦礦電池擁有較多優勢。
在光電轉化效率上，晶矽電池理論轉化極限效率為29.43％，鈣鈦礦電池理論上單層結構轉化效率可達33％，雙層結構可達44.3％。
此外，鈣鈦礦電池非常輕薄。每平方米的晶矽電池重量為10-15公斤，而鈣鈦礦電池厚度約為1微米，相當於一張A4紙厚度的1％，加上玻璃、封裝材料、鋼框架和其他部件後實際產品重量為晶矽電池的1/10，且透光性好，可以彎曲，將來除了電動汽車可以實作整車覆蓋，還能用於可穿戴器材上。
它的電池光電轉化效率提升的速度也非常快。
現在的晶矽光伏電池轉化效率由最初的3％提升到目前的26％左右，用了近80年時間，而鈣鈦礦電池轉化效率由最初的3.8％提升到目前的20％左右，只用了10多年時間。
衡量光伏電池效能最重要的指標之一，就是光電轉換效率。光伏電池的轉換效率每提高百分之零點一，都會在業內引起極大的震動。
由於光電轉換效率更高，鈣鈦礦電池對於材料濃度的要求較低，95%純度的鈣鈦礦就能生產出光電轉換效率在20%以上的光伏電池，而現有的晶矽電池則要求材料純度在99.999%以上，才能達到同樣效果。
而它的商業化量產是個難題。
喬·讓稱，鈣鈦礦比晶矽電池實際上使用的材料要少上100多倍，但它的器材成本還比較高，目前沒有一個非常成熟的供應鏈。
喬·讓認為，阻礙鈣鈦礦電池商業化最大的障礙是產品的穩定性。
合成鈣鈦礦電池是在低溫下形成的。ABX3含有四五種不同分子的材料，在高溫下它們會移動、分離，甚至與電池的其他部份發生反應。
在七八月的高溫天氣下，高溫與光相結合往往會降解鈣鈦礦。而對於太陽能電池板來說，高溫和光是兩個不可避免的因素。
因此，鈣鈦礦面板比晶矽面板退化得更快，電池的壽命要短得多，使用壽命只有5年，每年會損失8%的轉化效率。這已經是在過去5年中得到顯著改善的結果。
除了熱降解之外，還有濕氣侵入、可能發生的化學反應甚至機械斷裂、電池剝落等問題。這些都是在熱迴圈測試時出現的狀況。
喬·讓稱，在過去的六個月裏，自己的公司已經努力做到了鈣鈦礦電池在高溫下進行 3000小時的測試而不會退化。
不過這距離晶矽太陽能電池25-30年的壽命相比，還是太短。
單結&疊層？
歐美日中都在盯著鈣鈦礦，因為這是沒有明顯技術差距的賽道，被認為是打破當前光伏行業同質化競爭最有希望的技術方向。各方都想要在這個賽道中率先沖出來占據領先地位。
鈣鈦礦電池主要包括單結和疊層兩種電池結構，二者的極限光電轉換效率分別可以達到33%、45%。
公開訊息統計，目前國內有5家企業完成百MW級鈣鈦礦元件產線搭建，分別是協鑫光電、極電光能、仁爍光能、纖納光電、萬度光能，其中前4家均選擇了產業化行程發展較快的單結電池路線。
仁爍光能的GW產線▼
喬·讓認為，單結電池路線商業化量產速度確實更快，但是和現有的晶矽電池面板以及First Solar 的碲化鎘面板相比，沒有特別大的有利競爭，除非具有價格優勢，其轉換效率並不比這兩者中的任何一個好很多，甚至可能比不上最好的晶矽面板。好的晶矽面板可以達到接近25%的轉換效率。
碲化鎘面板▼
當鈣鈦礦電池的轉化效率達到27%—28%之間，才是它真正與晶矽相比具備顯著優勢的時候。
一位業內人士對汽車商業評論預判，未來3-5年，鈣鈦礦電池面板將實作商業化量產，五到七年內能達到30%的轉換效率。
喬·讓補充道，這不意味著晶矽被淘汰，晶矽由於成本便宜，將會繼續存在，只不過是作為矽基鈣鈦礦疊層面板的底電池。
從物理效能來說，他認為第一個基於鈣鈦礦的市場太陽能產品將是矽基鈣鈦礦疊層面板，預計第一款產品的效率將在25%以上。
矽和鈣鈦礦吸收光譜的不同部份。矽可以更廣地吸收光譜，但它不能有效地覆蓋整個光譜。因此，鈣鈦礦實際上吸收了較小子集的光譜，但效率更高。
矽基鈣鈦礦疊層面板就是在傳統的矽基晶圓太陽能電池板上添加一層鈣鈦礦。晶矽具有吸收和轉換低能量光的優勢。頂部的鈣鈦礦電池吸收高能量的光（可見光和紫外線），將低能量的光傳輸到底部電池，然後晶矽以更高的效率轉換該部份光譜，從而達到理想中30%的轉換效率。
至於哪個技術路線會成為主流，至少要5年之後了。
