在當(dāng)今追求清潔能源的時(shí)代，鈣鈦礦光伏作為一種極具潛力的技術(shù)，正逐漸走入人們的視野，并展現(xiàn)出令人矚目的發(fā)展前景。鈣鈦礦電池以其良好的光電轉(zhuǎn)化效果、簡(jiǎn)單的制備工藝和原材料的充足性，被譽(yù)為是下一代光伏電池的主流技術(shù)之一。

同時(shí)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池有望為汽車太陽(yáng)能車頂提供動(dòng)力。此時(shí)，鈣鈦礦電池具備高效率的優(yōu)勢(shì)，若配合車頂光伏發(fā)電，光能轉(zhuǎn)化為電能的轉(zhuǎn)化率會(huì)更高，即充電時(shí)間縮短，續(xù)航時(shí)間增加；且鈣鈦礦太陽(yáng)能電池材料用量小、材料純度要求低，所以生產(chǎn)過(guò)程能耗低。

目前，主流太陽(yáng)能電池板都由硅制成，其轉(zhuǎn)化效率為25%左右，如果將鈣鈦礦電池堆疊在傳統(tǒng)的硅電池頂部，制成串聯(lián)電池，并在鈣鈦礦層中添加一些新型材料，可以將太陽(yáng)能電池板的效率提高50%以上。這讓人們對(duì)鈣鈦礦電池的前景充滿了想象。

鈣鈦礦最早是指發(fā)現(xiàn)于鈣鈦礦石中的鈦酸鈣（CaTiO3）化合物，這也是鈣鈦礦名稱的由來(lái)?，F(xiàn)如今，廣義鈣鈦礦指的是結(jié)構(gòu)為ABX3的晶體，這種有機(jī)鹵化物鈣鈦礦結(jié)構(gòu)容錯(cuò)率高：八面體網(wǎng)絡(luò)之間的空隙比較大，允許較大尺寸離子填入， 即使產(chǎn)生大量晶體缺陷，相較其它離子晶體也更穩(wěn)定。此外鈣鈦礦晶體每個(gè)位置都可以用不同的元素替代，而使用不同的元素會(huì)讓鈣鈦礦晶體的性質(zhì)發(fā)生變化。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）則是利用鈣鈦礦型的有機(jī)金屬鹵化半導(dǎo)體作為吸光材料的太陽(yáng)能電池，屬于第三代太陽(yáng)能電池。鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，以反型平面鈣鈦礦電池為例，自下而上依次為：玻璃、透明電極（FTO或ITO）、電子傳輸層、鈣鈦礦層、空穴傳輸層、金屬電極。

按照結(jié)構(gòu)劃分，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池可以分為介孔型和平面型。在介孔結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦電池內(nèi)，鈣鈦礦材料作為光敏化劑覆蓋在多孔TiO?上，并采用正置異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。而在平面結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦電池中，鈣鈦礦既是光吸收層，也是電子和空穴傳輸層，與介孔型結(jié)構(gòu)相比，平面結(jié)構(gòu)不需要多孔金屬氧化物骨架，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了制備工藝。平面型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池又可進(jìn)一步分為正式和反式

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池基本原理就是光生伏特效應(yīng)，工作機(jī)制總體可以分為五個(gè)過(guò)程，即光子吸收過(guò)程、激子擴(kuò)散過(guò)程、激子解離過(guò)程、載流子傳輸過(guò)程和電荷收集過(guò)程，經(jīng)過(guò)五個(gè)過(guò)程后，自由電子通過(guò)電子傳輸層后被陰極層收集，自由空穴通過(guò)空穴傳輸層后被陽(yáng)極收集，兩極形成電勢(shì)差，電池與外加負(fù)載構(gòu)成閉合回路，回路中形成電流。

鈣鈦礦電池極限轉(zhuǎn)換效率優(yōu)勢(shì)突出。對(duì)于晶硅太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，其理論極限轉(zhuǎn)換效率為29.4%，普通單晶硅電池在理想狀態(tài)下轉(zhuǎn)換效率極限為24.5%，HJT電池理論極限轉(zhuǎn)換效率為27.5%。但相比之下，鈣鈦礦單層電池理論效率極限可達(dá)31%，晶硅/鈣鈦礦雙節(jié)疊層效率可達(dá)35%，三節(jié)層電池理論極限則可躍升至45%，且如果在鈣鈦礦中摻雜新型材料，其轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)50%。鈣鈦礦轉(zhuǎn)換效率更高的原因是作為吸收層的鈣鈦礦禁帶寬度為1.5eV左右，吸收波長(zhǎng)范圍更窄，但吸收系數(shù)很大。

鈣鈦礦電池的弱光性能優(yōu)勢(shì)突出。理論研究表明，光伏電池在弱光下的發(fā)電效率與能帶間隙有關(guān)，在接近2eV帶隙時(shí)，光伏電池在弱光下的發(fā)電效率高達(dá)52%，而鈣鈦礦材料帶隙可調(diào)、光吸收系數(shù)較高，且對(duì)雜質(zhì)不敏感，其在弱光下仍具有突出的光電轉(zhuǎn)換效率。鈣鈦礦優(yōu)異的弱光性能，意味著其有望將室內(nèi)照明的弱光和室外的弱光利用起來(lái)進(jìn)行發(fā)電，這也是鈣鈦礦光伏與傳統(tǒng)硅基光伏一個(gè)顯著區(qū)別。

鈣鈦礦電池憑借高轉(zhuǎn)換率和較低成本的優(yōu)勢(shì)在商業(yè)化應(yīng)用方面被寄予厚望，但依然有部分因素阻礙其發(fā)展，制約整體產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度，只有逐步突破制約因素，鈣鈦礦電池才能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的發(fā)展。

穩(wěn)定性是制約鈣鈦礦電池發(fā)展的主要問(wèn)題之一。鈣鈦礦電池在效率和成本上都領(lǐng)先晶硅電池發(fā)展，但目前鈣鈦礦的穩(wěn)定性差，即壽命短，現(xiàn)階段鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的T80壽命約為4,000小時(shí)，而晶硅電池則有25年以上的壽命，二者差距較大，壽命短使得鈣鈦礦電池難以進(jìn)一步發(fā)展。鈣鈦礦電池不穩(wěn)定的原因主要包括吸濕性、熱不穩(wěn)定性、離子遷移、紫外線、器件測(cè)試過(guò)程中的光照等。

并且，鈣鈦礦電池面臨著大面積制備較難的困境。盡管鈣鈦礦電池在實(shí)驗(yàn)室中獲得了較高的光電轉(zhuǎn)換效率，但實(shí)際生產(chǎn)工藝中難以達(dá)到實(shí)驗(yàn)中的標(biāo)準(zhǔn)，因此會(huì)受到更多因素的影響，且實(shí)驗(yàn)室中制備的鈣鈦礦電池器件面積都比較小，市場(chǎng)應(yīng)用則需要面積更大的器件。而大面積器件薄膜的覆蓋率、均勻性難以把控，且電阻也會(huì)增加，進(jìn)而增加電池的串聯(lián)電阻，導(dǎo)致性能下降。

雖然鈣鈦礦電池尚未實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，但整體產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度正在加快，相關(guān)國(guó)產(chǎn)設(shè)備將率先受益，根據(jù)協(xié)鑫光電的數(shù)據(jù)，協(xié)鑫納米鈣鈦礦的第一條100MW的設(shè)備產(chǎn)線投資在1億元左右，1GW產(chǎn)能投資額僅為5億元。其他國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)，如寧德時(shí)代、華納集團(tuán)、比亞迪、京東方等也都在積極布局鈣鈦礦領(lǐng)域。預(yù)計(jì)到2026年，鈣鈦礦電池制造行業(yè)和設(shè)備行業(yè)的產(chǎn)值有望分別突破400億元和100億元

全球鈣鈦礦太陽(yáng)能電池市場(chǎng)規(guī)模在2022年為1億美元，2032年達(dá)到約24億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）為38.1%。

晶硅-鈣鈦礦疊層電池具有更高的轉(zhuǎn)換效率。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池可更有效地利用高能量的紫外和藍(lán)綠可見(jiàn)光，而晶硅太陽(yáng)能電池可有效地利用鈣鈦礦材料無(wú)法吸收的紅外光，因此，通過(guò)疊層的方式組合兩種單電池，可以突破傳統(tǒng)純硅光伏電池的理論效率極限，進(jìn)一步提升硅光伏電池的效率。

此外，晶硅-鈣鈦礦疊層電池將鈣鈦礦組件與硅電池按能隙從大到小的順序從外向里疊合起來(lái)，讓短波長(zhǎng)的光被最外側(cè)的寬帶隙鈣鈦礦太陽(yáng)能組件吸收，波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光能夠透射進(jìn)去讓窄帶隙的硅太陽(yáng)能電池吸收，可最大限度地將光能變成電能。

兩端疊層結(jié)構(gòu)是疊層鈣鈦礦電池的主流結(jié)構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，疊層鈣鈦礦組件可分為機(jī)械堆疊的四端疊層電池、光譜分離的四端疊層電池、反射結(jié)構(gòu)的四端疊層電池和兩端疊層電池。四端子結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)更高的實(shí)驗(yàn)室效率，但四端子疊層電池的光學(xué)耦合疊層需要使用光學(xué)分光鏡，成本過(guò)于昂貴，而機(jī)械堆疊式需要使用三層透明電極，會(huì)降低電池轉(zhuǎn)換效率。相比之下，兩端疊層電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備和工藝相對(duì)成熟，更加適合產(chǎn)業(yè)化，是現(xiàn)在及未來(lái)的主流結(jié)構(gòu)。