鈣鈦礦疊層電池：光伏技術(shù)的明日之星

工商業(yè)分布式光伏建筑一體化

鈣鈦礦疊層組件量產(chǎn)成本遠(yuǎn)低于硅基產(chǎn)品，

疊加效率提升帶來的發(fā)電量優(yōu)勢，

其度電成本較硅基電池降低超三成。

從屋頂?shù)纳钏{(lán)色硅基太陽能板到柔性可彎曲的“光能量薄膜”，光伏技術(shù)正在經(jīng)歷一場前所未有的變革。鈣鈦礦疊層電池作為其中的核心力量，正從實(shí)驗(yàn)室快速走向產(chǎn)業(yè)化，重新定義著人類利用太陽能的邊界。這場技術(shù)革命不僅關(guān)乎能源效率的提升，更將深刻影響全球能源結(jié)構(gòu)、環(huán)境保護(hù)與日常生活。

產(chǎn)業(yè)化加速推進(jìn)

光伏技術(shù)的發(fā)展史，是一部人類不斷突破能源利用極限的探索史。在硅基電池主導(dǎo)市場數(shù)十年后，鈣鈦礦疊層電池以驚人的速度完成了從科學(xué)發(fā)現(xiàn)到商業(yè)落地的跨越，成為新能源領(lǐng)域最耀眼的“新星”。

2009年，日本科學(xué)家宮坂力的團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn)：一種具有鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的材料能高效吸收陽光并轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)時(shí)這一發(fā)現(xiàn)的能量轉(zhuǎn)換效率僅為3.8%，遠(yuǎn)低于同期硅基電池20%左右的效率。看似只是一次普通的科研突破，但鈣鈦礦材料的神奇之處在于其優(yōu)異的光吸收能力和可調(diào)節(jié)性，與硅基材料需要高純度提煉不同，鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)可通過化學(xué)配比調(diào)整，從而優(yōu)化對(duì)不同波長陽光的吸收。2012年，鈣鈦礦電池效率突破10%，2016年達(dá)到22.1%，2020年超過25%——短短11年，效率提升近7倍，這樣的增速在光伏史上前所未有。

單結(jié)鈣鈦礦電池的局限很快顯現(xiàn)：它僅能吸收陽光中特定波長的光線（主要是藍(lán)光和綠光），對(duì)紅光和紅外光的利用率較低。科學(xué)家們由此提出“疊層設(shè)計(jì)”的創(chuàng)新思路，將鈣鈦礦與其他材料疊加，讓每層材料“各司其職”吸收不同波長的陽光。

目前最成熟的組合是“鈣鈦礦+晶硅”疊層——晶硅擅長吸收紅光和紅外光，鈣鈦礦專注藍(lán)光和綠光，兩者結(jié)合形成“全波長光吸收戰(zhàn)隊(duì)”，效率自然大幅提升。2023年，德國亥姆霍茲研究所的鈣鈦礦-硅疊層電池效率突破33.7%，我國寶馨科技的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)達(dá)到30.91%；2025年，武漢大學(xué)團(tuán)隊(duì)研究的小面積全鈣鈦礦疊層（兩層不同鈣鈦礦材料疊加）電池的光電轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到28.71%。

今年4月，經(jīng)美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）認(rèn)證，隆基綠能自主研發(fā)的晶硅-鈣鈦礦兩端疊層太陽電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到34.85%，再次刷新晶硅-鈣鈦礦疊層電池效率世界紀(jì)錄。這些數(shù)字意味著相同面積的太陽能板，鈣鈦礦疊層電池能比傳統(tǒng)硅基電池多發(fā)電15～20%，這在能源緊張的今天，無疑具有革命性意義。

太陽能電池

2024年是鈣鈦礦疊層電池產(chǎn)業(yè)化的“破冰之年”。2024年9月，英國牛津光伏（Oxford PV）生產(chǎn)的硅基鈣鈦礦太陽能電池板在全球范圍內(nèi)的首次商業(yè)部署成功。該事件標(biāo)志著全球歷時(shí)15年研發(fā)的這種兼具輕量化與多功能特性的新材料取得階段性成果，其性能潛力有望超越傳統(tǒng)硅基太陽能電池。同年年底，我國浙江“光伏新勢力”纖納光電生產(chǎn)的鈣鈦礦α疊層組件成功出貨三峽能源50MW光伏示范項(xiàng)目，成為全球首次實(shí)現(xiàn)四端子鈣鈦礦-晶硅疊層組件商業(yè)化應(yīng)用。這一項(xiàng)目的成功運(yùn)行，標(biāo)志著我國鈣鈦礦疊層電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)入實(shí)操階段。

2025年3月，天合光能光伏科學(xué)與技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室宣布，成功制備出全球首款210標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)尺寸、峰值功率達(dá)808W的鈣鈦礦/晶體硅疊層電池組件。這一創(chuàng)新成果經(jīng)過TüV南德意志集團(tuán)測試實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證，不僅創(chuàng)造了行業(yè)新標(biāo)桿，也標(biāo)志著光伏產(chǎn)業(yè)正式邁入高效疊層時(shí)代。

在這場全球競賽中，中國、美國、歐洲形成“三足鼎立”格局，各自憑借優(yōu)勢加速技術(shù)落地。中國的優(yōu)勢在于產(chǎn)業(yè)化速度與規(guī)模，全國已有超過50家企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)涉足鈣鈦礦技術(shù)，纖納光電、協(xié)鑫光電、寶馨科技等企業(yè)建成10～100MW中試線，2025年鈣鈦礦疊層組件出貨量預(yù)計(jì)占全球60%以上。歐洲則深耕基礎(chǔ)研究，英國牛津光伏、德國亥姆霍茲研究所長期保持效率紀(jì)錄，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)在穩(wěn)定性研究上獨(dú)樹一幟。美國側(cè)重應(yīng)用場景創(chuàng)新，Tandem PV專注鈣鈦礦涂層技術(shù)，F(xiàn)irst Solar探索薄膜疊層技術(shù)，力求在細(xì)分領(lǐng)域搶占先機(jī)。這種全球競爭帶來的技術(shù)迭代速度令人驚嘆，業(yè)內(nèi)預(yù)測其成為市場主流可能只需10年，光伏技術(shù)的加速時(shí)代已然到來。

值得注意的是，除產(chǎn)業(yè)化加速外，我國在鈣鈦礦疊層電池基礎(chǔ)研究方面也取得重要突破。2024年10月，南京大學(xué)譚海仁團(tuán)隊(duì)與國防科技創(chuàng)新研究院常超團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志發(fā)表論文，首次利用太赫茲光譜實(shí)現(xiàn)全鈣鈦礦疊層電池內(nèi)部載流子輸運(yùn)的精準(zhǔn)、無損探測。研究提出“偶極鈍化層”設(shè)計(jì)，有效改善界面載流子損耗，使光電轉(zhuǎn)換效率提升至30.1%，創(chuàng)下全鈣鈦礦疊層電池新紀(jì)錄。這一成果被國際《太陽能電池效率表》收錄，顯示我國在基礎(chǔ)科研與器件優(yōu)化領(lǐng)域正逐步引領(lǐng)全球。

核心競爭力

在光伏技術(shù)的“賽道”上，鈣鈦礦疊層電池能后來居上，關(guān)鍵在于它突破了傳統(tǒng)硅基電池的固有局限，在效率、成本、應(yīng)用場景等方面展現(xiàn)出無可替代的優(yōu)勢。這些優(yōu)勢不僅讓它成為科學(xué)家眼中的“潛力股”，更讓產(chǎn)業(yè)界看到了能源革命的新可能。

效率是光伏電池的“生命線”，直接決定相同面積、相同光照條件下的發(fā)電量。經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，傳統(tǒng)硅基電池的效率已接近瓶頸，實(shí)際量產(chǎn)效率約26%，理論極限僅29.4%，每提升0.1個(gè)百分點(diǎn)都需巨大投入。而鈣鈦礦疊層電池通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)，輕松打破了這一“天花板”。其核心秘密在于疊層設(shè)計(jì)的“陽光分揀系統(tǒng)”，當(dāng)陽光照射到電池表面時(shí)，第一層鈣鈦礦材料優(yōu)先吸收能量較高的藍(lán)光和綠光（波長400～600nm），第二層材料（晶硅或另一層鈣鈦礦）則專注吸收能量較低的紅光和紅外光（波長600～1200nm）。這種分工合作讓陽光利用率大幅提升。

目前，鈣鈦礦 -晶硅疊層電池的實(shí)驗(yàn)室效率已達(dá)34.85%，理論極限更是高達(dá)43%。這意味著，在100平方米的屋頂上安裝鈣鈦礦疊層電池每年可多發(fā)電500度，足夠一個(gè)家庭用兩個(gè)月。對(duì)于大型光伏電站，相同面積下年發(fā)電量可增加15～20%，相當(dāng)于每100MW電站年多賺上千萬元電費(fèi)。在土地資源緊張的今天，這種“提質(zhì)不增地”的優(yōu)勢尤為珍貴。

除了效率優(yōu)勢，鈣鈦礦疊層電池在全鏈條成本優(yōu)化上的突破同樣令人矚目。原材料端，硅基電池依賴極高純度的硅材料，提煉過程能耗高、工藝復(fù)雜，原料成本占組件比例較大；而鈣鈦礦采用常見金屬元素，無需高純度處理，原料成本大幅降低且性能可靈活調(diào)控。生產(chǎn)環(huán)節(jié)，硅基電池需經(jīng)歷高溫作業(yè)，能耗高、周期長；鈣鈦礦則通過溶液印刷工藝在常溫或低溫下成型，能耗顯著降低，生產(chǎn)效率大幅提升。此外，鈣鈦礦疊層組件量產(chǎn)成本遠(yuǎn)低于硅基產(chǎn)品，疊加效率提升帶來的發(fā)電量優(yōu)勢，其度電成本較硅基電池降低超三成。以同等規(guī)模光伏電站為例，初期投資大幅減少，年發(fā)電收益顯著增加，投資回收周期明顯縮短。這種從原料到終端的全鏈條成本優(yōu)勢，正重塑光伏產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)性邏輯。

傳統(tǒng)硅基電池板因厚重堅(jiān)硬受限，一塊較大面積組件重約20千克，需堅(jiān)固支架支撐，既增加屋頂承重，也限制了應(yīng)用場景。而鈣鈦礦疊層電池憑借輕薄靈活的特性，突破了光伏技術(shù)的邊界。其物理特性優(yōu)勢顯著，采用塑料或金屬箔基底時(shí)，厚度可做到極薄（相當(dāng)于幾張紙），重量僅為硅基電池的十分之一，甚至能像紙一樣彎曲折疊，輕松適應(yīng)復(fù)雜表面，實(shí)現(xiàn)“哪里有陽光，哪里就能發(fā)電”。

鈣鈦礦疊層電池的兼容特性大幅降低了產(chǎn)業(yè)化門檻。其“四端子疊層”技術(shù)通過分開生產(chǎn)鈣鈦礦與硅基電池，再簡單疊加組件，無需改造現(xiàn)有硅基產(chǎn)線。硅基巨頭僅需在原有產(chǎn)線增加涂層工序，即可將組件效率從25%提升至30%以上，投入成本僅為新建產(chǎn)線的五分之一。設(shè)備兼容性同樣突出，現(xiàn)有印刷、涂布設(shè)備經(jīng)改造即可用于鈣鈦礦生產(chǎn)。這種“低成本升級(jí)”模式，讓傳統(tǒng)企業(yè)更易擁抱新技術(shù)，加速推動(dòng)光伏產(chǎn)業(yè)快速轉(zhuǎn)型。

規(guī)模化障礙

盡管鈣鈦礦疊層電池前景廣闊，但從實(shí)驗(yàn)室走向大規(guī)模商用，仍需跨越穩(wěn)定性、環(huán)保性、成本控制等多重技術(shù)難關(guān)。這些“成長的煩惱”是技術(shù)成熟的必經(jīng)之路，也是決定其能否真正替代硅基電池的關(guān)鍵。光伏組件壽命需達(dá)20年以上，而鈣鈦礦材料的“先天脆弱性”成為主要瓶頸。其離子晶體結(jié)構(gòu)易受環(huán)境影響，如，潮濕環(huán)境中水分子滲透會(huì)導(dǎo)致分解，溫度超60℃易熱分解，紫外線照射則引發(fā)氧化，實(shí)驗(yàn)室加速老化測試顯示組件保持80%效率僅約1000小時(shí)，遠(yuǎn)低于實(shí)際需求。

科研團(tuán)隊(duì)正從三方面突破：材料摻雜銫、銣等元素增強(qiáng)穩(wěn)定性；封裝技術(shù)采用氟化物薄膜隔絕水氧；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過“雙界面防護(hù)”優(yōu)化界面性能（我國技術(shù)使潮濕環(huán)境壽命達(dá)5000小時(shí)，相當(dāng)于實(shí)際應(yīng)用10年以上）。但戶外長期測試數(shù)據(jù)仍不足，目前最長僅5年，25年壽命承諾缺乏實(shí)證，疊層結(jié)構(gòu)差異（如全鈣鈦礦壽命僅為鈣鈦礦-硅疊層的60%）也需進(jìn)一步優(yōu)化。

高效鈣鈦礦材料多含鉛，大規(guī)模應(yīng)用后若處理不當(dāng)，鉛泄漏可能污染土壤水源。歐盟已將其納入有害物質(zhì)限制清單，要求企業(yè)提供回收方案。無鉛替代材料（如錫、鉍、銅基）研發(fā)進(jìn)展緩慢，效率與穩(wěn)定性均未達(dá)實(shí)用水平（錫基效率約15%但易氧化，鉍基效率約20%）。回收體系尚未建立，硅基電池回收率超95%，而鈣鈦礦組件分離與鉛提取技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。

目前鈣鈦礦疊層組件量產(chǎn)成本約每瓦0.6元，雖低于硅基的0.8元，但距0.4元目標(biāo)仍有差距。成本壓力主要來自三方面：材料一致性控制難，量產(chǎn)成品率較低；設(shè)備投資高（百兆瓦產(chǎn)線投資2～3億元，超硅基50%）；配套材料（如柔性基底、透明電極）因規(guī)模小價(jià)格高30～50%。企業(yè)正通過改進(jìn)涂布設(shè)備、優(yōu)化溶液配方提升成品率，并期待全球產(chǎn)能突破百吉瓦后攤薄設(shè)備成本，推動(dòng)配套材料降價(jià)。

展望未來

從技術(shù)演進(jìn)的軌跡、應(yīng)用場景的拓展以及全球產(chǎn)業(yè)布局的動(dòng)向來看，這項(xiàng)新興技術(shù)極有可能在未來10年內(nèi)重塑光伏產(chǎn)業(yè)的整體格局，成為推動(dòng)全球能源轉(zhuǎn)型的核心力量，但這一進(jìn)程必然伴隨著漫長的探索與持續(xù)的投入，機(jī)遇與挑戰(zhàn)始終如影隨形。

未來10年，鈣鈦礦疊層電池的應(yīng)用將從示范項(xiàng)目邁向規(guī)模化落地，在建筑、交通、農(nóng)業(yè)、應(yīng)急及消費(fèi)電子等領(lǐng)域引發(fā)能源利用革新。建筑領(lǐng)域光伏一體化將成為早期增長點(diǎn)，交通領(lǐng)域“移動(dòng)發(fā)電”模式逐步普及，農(nóng)業(yè)與生態(tài)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力顯著，應(yīng)急保障與消費(fèi)電子領(lǐng)域則漸成剛需產(chǎn)品。其崛起將深刻改變傳統(tǒng)能源利用方式，推動(dòng)全球能源結(jié)構(gòu)向可再生能源加速轉(zhuǎn)型。它打破能源生產(chǎn)集中化模式，使建筑、車輛、設(shè)備等成為分布式“微型發(fā)電站”，推動(dòng)能源體系向“分布式生產(chǎn)+智能調(diào)配”轉(zhuǎn)型，減少遠(yuǎn)距離輸電依賴，提升能源系統(tǒng)靈活性與抗風(fēng)險(xiǎn)能力，未來城市有望形成“屋頂發(fā)電+儲(chǔ)能+微電網(wǎng)”的新型能源體系。

這一變革將重塑全球能源格局，降低各國能源進(jìn)口依賴，助力更多國家實(shí)現(xiàn)能源自給，光照充足地區(qū)可借其低成本短周期優(yōu)勢提升清潔能源占比。同時(shí)讓能源收益更廣泛地惠及普通家庭與中小企業(yè)，通過“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”模式帶來實(shí)際收益，加速綠色低碳生活方式的普及。

然而，鈣鈦礦疊層電池的產(chǎn)業(yè)化之路并非一帆風(fēng)順，穩(wěn)定性問題仍是制約其大規(guī)模應(yīng)用的核心瓶頸。盡管實(shí)驗(yàn)室效率不斷突破，但在長期光照、濕度變化、溫度波動(dòng)等復(fù)雜環(huán)境下的性能衰減問題尚未完全解決，如何提升器件的使用壽命至20年以上，達(dá)到硅基電池的水平，仍是科研人員需要攻克的難關(guān)。

量產(chǎn)工藝的成熟度也面臨挑戰(zhàn)，當(dāng)前鈣鈦礦組件的生產(chǎn)多處于小規(guī)模試驗(yàn)階段，大面積制備過程中的均勻性控制、成本控制以及原材料毒性管控等問題，都需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同突破。此外，標(biāo)準(zhǔn)體系的缺失也增加了產(chǎn)業(yè)化難度，從材料規(guī)格、生產(chǎn)流程到產(chǎn)品認(rèn)證，尚未形成統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這在一定程度上影響了資本投入和市場推廣的進(jìn)度。

從光生伏特效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)，到硅基電池誕生，再到鈣鈦礦疊層電池崛起，人類探索太陽能利用的腳步從未停止。這項(xiàng)技術(shù)憑借高轉(zhuǎn)換效率、低成本優(yōu)勢，重新定義了光伏應(yīng)用場景。未來，它將使更多物體成為發(fā)電載體，讓太陽能更普惠。

盡管鈣鈦礦疊層電池產(chǎn)業(yè)化面臨穩(wěn)定性、量產(chǎn)工藝、標(biāo)準(zhǔn)體系等挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)突破，必將推動(dòng)全球能源轉(zhuǎn)型，開啟清潔的能源新時(shí)代，而我們都將是這場變革的見證者與參與者。（作者單位：國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心）

（文章來源：《創(chuàng)意世界》2025年12月號(hào)）

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編校：苑寶平，審讀：郭麗

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