新型光伏技術焦點：鈣鈦礦太陽能電池面臨的挑戰與展望

近年來，減少化石能源依賴并推動經濟可持續發展已成為全人類的共同課題。在諸多可再生能源技術中，太陽能因其資源豐富、分布廣泛和環境友好等優勢，被視為21世紀最具發展潛力的主導能源之一。

鈣鈦礦太陽能電池的正式結構和反式結構的示意圖

鈣鈦礦太陽能電池作為新興的光伏電池，自2009 年被首次報道以來，憑借其高能量轉換效率、低成本、構型簡單、易加工等優點引起了光伏研究領域的廣泛關注。與傳統硅基太陽能電池相比，鈣鈦礦材料具有制備工藝簡單、材料來源豐富以及可溶液加工的特點，使其在降低成本和實現高性能光伏器件方面具有顯著優勢，在短短十余年間實現了從實驗室探索到產業化試點的跨越。

柔性鈣鈦礦太陽能電池的應用場景示例

2009～2025 年，鈣鈦礦太陽能電池的能量轉換效率從最初的3.8%迅速提升至27%以上，與傳統晶硅太陽能電池接近，顯示出巨大的應用潛力。同時，鈣鈦礦太陽能電池在柔性器件、半透明電池以及光電一體化系統中表現出獨特優勢。鈣鈦礦太陽能電池作為當前最具潛力的新型光伏技術，其產業化之路正從“技術突破”邁向“系統整合”，涵蓋從材料、工藝、封裝、回收，到產品設計、跨界融合等多個維度。

鈣鈦礦太陽能電池

面臨的挑戰與展望

目前，盡管鈣鈦礦太陽能電池取得了顯著進展，但是其大規模商業化應用仍面臨諸多挑戰，包括材料穩定性問題、大面積制備難題、光電轉換機制尚不清晰、環境與健康風險等。在國內外能源結構轉型升級和“雙碳”目標的大趨勢下，鈣鈦礦太陽能電池的發展將迎來歷史性機遇。為了更好地實現其商業化，針對鈣鈦礦太陽能電池面臨的挑戰，未來的發展應重點關注以下幾個方面。

▋1. 進一步提升大面積鈣鈦礦太陽能電池的能量轉換效率

鈣鈦礦單結太陽能電池理論效率約33%，鈣鈦礦雙結疊層電池理論效率超過40%，鈣鈦礦太陽能電池的效率仍有較大的提升空間。盡管鈣鈦礦太陽能電池在實驗室條件下能量轉換效率超過27%，但是其大面積平米級組件的能量轉換效率不足20%。未來通過界面工程、添加劑工程、器件結構優化、大面積薄膜均勻制備技術等策略，縮小實驗室和產業化之間的效率差距，推進鈣鈦礦太陽能電池的商業化進程。

大面積鈣鈦礦太陽能電池組件的制備步驟示意圖

▋2.進一步提升鈣鈦礦太陽能電池的穩定性

鈣鈦礦太陽能電池暴露在大氣環境下能量轉換效率存在嚴重的衰減，紫外光照和溫度等也會影響到鈣鈦礦太陽能電池的穩定性。因而，開發穩定性較高的鈣鈦礦材料和電子/空穴傳輸材料，尋找有效的器件封裝技術，是鈣鈦礦太陽能電池穩定性提升的必要手段；另外，完善鈣鈦礦太陽能電池性能和壽命的評測標準，建設穩定性測試平臺，為鈣鈦礦太陽能電池的產業化提供可靠的技術評估，是未來鈣鈦礦太陽能電池產業化推進迫切的需求。

▋3.加強理論研究

鈣鈦礦太陽能電池源于染料敏化太陽能電池，在短時間內取得的飛速發展和優異成績，使得研究人員將更多的精力放在了如何改進薄膜的制備方法、提高材料的性能和器件的能量轉換效率上面，對鈣鈦礦太陽能電池微觀物理機理、材料的基本性質、工作機理的深層認識還非常欠缺。增強鈣鈦礦太陽能電池的理論研究，不僅可以進一步提高性能，而且也可以為尋找更簡單、高效的新型結構提供思路。

▋4. 降低環境污染

常用的鈣鈦礦太陽能電池的吸光層中含有可溶性重金屬鉛，器件老化或損壞時，鉛可能被釋放，對環境和健康產生潛在影響。另外，在器件制備過程中還可能用到有毒性的有機溶劑，易對環境造成污染。因此開發無鉛的鈣鈦礦太陽能電池和綠色溶劑的制備過程將成為未來研究的重點方向。

綜上所述，鈣鈦礦太陽能電池在高效率、低成本和柔性應用等方面具有顯著優勢，但仍面臨材料穩定性、環境安全、大面積制備和產業化等挑戰。未來，通過材料創新、界面工程、器件優化和智能光伏系統集成，鈣鈦礦太陽能電池有望在低成本、高效率光伏領域發揮核心作用，為全球可持續綠色能源的發展提供有力支撐。

中國科學院大連化學物理研究所楊棟研究員等最新力作《鈣鈦礦光伏技術 ：材料、器件與產業化》立足于鈣鈦礦太陽能電池的材料科學、器件物理和工程技術，系統梳理其發展脈絡與研究進展，并對核心科學問題與產業化挑戰進行深入剖析。

鈣鈦礦光伏技術 ：材料、器件與產業化

楊 棟 等 編著

ISBN 978-7-03-084144-5

北京: 科學出版社, 2025. 12

本書首先介紹了鈣鈦礦材料的組成與分類，探討陽離子、鹵素及其混合策略對晶體結構、帶隙調控和穩定性的影響。在薄膜制備方面，總結了溶液法和真空法相關的技術路徑。在器件結構與界面工程部分，論述了電子傳輸層與空穴傳輸層的材料特性、能帶匹配原則及界面缺陷鈍化策略。另外，本書系統總結了熱、濕和光照等因素對器件性能的影響機理，并介紹了國際標準（ISOS）的加速老化測試方法。在此基礎上，討論了封裝材料與工藝、界面保護層、多陽離子及低毒/無鉛材料等穩定性提升策略。針對柔性光伏與規模化制備需求，介紹了柔性基底、透明電極材料體系以及器件在機械應力下的性能演變機理，以及涂布、噴墨打印及卷對卷連續生產等工藝。最后，在產業化和未來發展方面，論述了全球大面積鈣鈦礦組件的最新進展和代表性企業的技術路線，展望了人工智能輔助材料篩選與器件預測以及鈣鈦礦在其他光電子領域的應用。

表 世界各國企業與機構技術路線以及產業布局

本書兼顧科學性與實用性，力求將復雜的理論機制與材料調控方法轉化為結構清晰、內容翔實且可操作的知識體系，并通過豐富的實例與數據支撐，幫助讀者建立從基礎研究到工程實踐的完整理解。無論是高等院校相關專業的研究生、從事光伏研究的科研人員，還是致力于鈣鈦礦太陽能電池研發與產業化的工程師，本書均可作為系統學習與技術參考的重要資料。我們期望本書的出版能夠為相關領域的研究提供理論和技術支撐，為全球能源的可持續發展貢獻力量。

本文摘編自《鈣鈦礦光伏技術 ：材料、器件與產業化》 （ 楊棟等編著. 北京: 科學出版社, 2025. 12）一書“第1 章 鈣鈦礦太陽能電池的發展概況”“前言”，有刪減修改，標題為編者所加。

ISBN 978-7-03-084144-5

責任編輯：李明楠 陳昭晴

本書概述了鈣鈦礦太陽能電池的工作原理和發展歷程，對鈣鈦礦吸光材料的組成和分類、鈣鈦礦太陽能電池的結構和各層材料及制備工藝進行了系統的介紹，并對鈣鈦礦太陽能電池產業化發展現狀進行了全面的總結。內容主要包括鈣鈦礦組分調控、鈣鈦礦薄膜的制備、器件結構和界面的設計、封裝技術的開發和大面積制備工藝的優化。本書還結合當前最新研究成果與產業化進展，重點討論了降解機制、環保問題及規?；瘧玫钠款i與突破路徑。

本書內容兼具科學性與實用性，適合高等院校、科研院所能源與新材料領域研究生及科研人員閱讀參考，可作為研究生專業教材、企業研發團隊技術培訓手冊或工程技術人員深入了解鈣鈦礦光伏前沿的參考讀物。

（本文編輯：劉四旦）

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