鈣鈦礦太陽能電池：材料創(chuàng)新與多結(jié)構(gòu)組合提升光伏效率

鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)近年來在光伏行業(yè)中引起了廣泛關(guān)注，憑借其迅速提升的光電轉(zhuǎn)換效率和顯著的技術(shù)優(yōu)勢，展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?。從最初?.8%到如今高達(dá)26.1%的單結(jié)認(rèn)證轉(zhuǎn)換效率，鈣鈦礦電池已經(jīng)證明了自身作為第三代光伏電池技術(shù)的領(lǐng)先地位。這種電池技術(shù)不僅帶來了更高的光子利用率和易于疊層的可能性，美能UVN2800分光光度計(jì)所進(jìn)行的精確測量，為鈣鈦礦材料的研發(fā)提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)，支持了材料創(chuàng)新和電池性能的優(yōu)化。本文將探討鈣鈦礦太陽能電池的關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢及其借助高級(jí)測量技術(shù)在光伏領(lǐng)域的未來應(yīng)用前景。

優(yōu)點(diǎn)1：帶隙可調(diào)帶來更高的理論轉(zhuǎn)化效率

鈣鈦礦疊晶硅組件(并聯(lián)結(jié)構(gòu))結(jié)構(gòu)圖示

鈣鈦礦材料帶隙可調(diào)節(jié)，理論效率高。鈣鈦礦是人工合成的材料，根據(jù)不同的材料配比，帶隙可以調(diào)節(jié)，并可以與晶硅做成疊層電池。帶隙是半導(dǎo)體可以吸收的最低能量，半導(dǎo)體無法吸收能量小于帶隙的光子，能從光子獲得的能量也不會(huì)超過帶隙能量。
鈣鈦礦材料帶隙可調(diào)節(jié)，與晶硅材料或者和經(jīng)過人工調(diào)整的鈣鈦礦材料疊層后，就可以覆蓋大范圍帶隙，因而能夠吸收不同波長的光。目前單結(jié)鈣鈦礦電池理論效率為 31%，與晶硅疊層理論效率超過 43%。

優(yōu)點(diǎn)2：原料易獲取、工序簡單帶來成本降低

相比晶硅電池，鈣鈦礦工序大大縮短，單 GW 產(chǎn)能投資額更低。同時(shí)也省去了晶硅電池前端的硅料提純、硅片切割等環(huán)節(jié)，整體生產(chǎn)成本上相較晶硅電池可大幅降低。
根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，晶硅電池的制備，從硅料到組件至少經(jīng)過 4 道工序，單位制程需要 3 天以上，同時(shí)還需要大量人力、運(yùn)輸成本等；而鈣鈦礦組件在單一工廠完成生產(chǎn)，原材料經(jīng)過加工后直接成組件，沒有傳統(tǒng)的“電池片”工序，大大縮短制程耗時(shí)。

鈣鈦礦電池之材料

鈣鈦礦電池所需的材料包括封裝材料和電極材料，其中TCO玻璃是最核心的封裝材料。從成本構(gòu)成來看，電極材料占比占比37%，其次是玻璃及其其他封裝材料占比32%。鈣鈦礦電池成本結(jié)構(gòu)

目前，鈣鈦礦材料體系尚未定型，不同膜層均有多種選擇。封裝材料中，產(chǎn)業(yè)上常用的TCO導(dǎo)電玻璃分為ITO、FTO和AZO玻璃三類，F(xiàn)TO的導(dǎo)電性能與ITO相比稍顯遜色，但具有成本低、膜層硬、光學(xué)性能適宜等優(yōu)點(diǎn)，目前是應(yīng)用于光伏玻璃領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。AZO的光電性能與ITO相近，且AZO原材料簡單易得，生產(chǎn)成本低，在未來產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程中具備重大潛力。

鈣鈦礦晶硅疊層電池

鈣鈦礦晶硅疊層電池結(jié)構(gòu)

純鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)：目前鈣鈦礦電池分為單結(jié)鈣鈦礦與疊層鈣鈦礦兩類。純鈣鈦礦電池可分為n-i-p和 p-i-n兩種器件結(jié)構(gòu)，其中 n-i-p 結(jié)構(gòu)是指電子傳輸層-鈣鈦礦層-空穴傳輸層的器件結(jié)構(gòu)，p-i-n結(jié)構(gòu)是指空穴傳輸層-鈣鈦礦層-電子傳輸層的器件結(jié)構(gòu)，其中n-i-p器件結(jié)構(gòu)較為常見。

疊層鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)：連續(xù)可調(diào)的帶隙寬度使得鈣鈦礦適合做疊層多結(jié)電池，優(yōu)勢在于其它類型太陽能電池集成以后可以捕捉和轉(zhuǎn)換更寬光譜范圍的太陽光，提升電池轉(zhuǎn)換效率。疊層的技術(shù)方向主要分為兩類，鈣鈦礦/晶硅疊層電池、鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層電池。

TOPCon鈣鈦礦疊層 與 HJT 鈣鈦礦疊層比較:

鈣鈦礦與TOPCon晶硅電池疊層

鈣鈦礦與HJT晶硅電池疊層

相比TOPCon電池，異質(zhì)結(jié)電池與鈣鈦礦電池進(jìn)行疊層更為理想。一是異質(zhì)結(jié)電池結(jié)構(gòu)相比 TOPCon 電池本身更適合疊層：因?yàn)殁}鈦礦電池與異質(zhì)結(jié)電池進(jìn)行疊層，異質(zhì)結(jié)電池表面本身就是 TCO，異質(zhì)結(jié)電池的產(chǎn)線無需做更改。
而 TOPCon 電池與鈣鈦礦電池進(jìn)行疊層，TOPCon 正面的氮化硅和氧化鋁由于是絕緣體不能導(dǎo)電，需要先把氧化鋁和氮化硅去掉，或加入進(jìn)一步摻雜和鈍化工 藝；
二是 TOPCon 電池與鈣鈦礦電池進(jìn)行疊層的話自身基于電流高的效率優(yōu)勢會(huì)被浪費(fèi)：從實(shí)際量產(chǎn)效率來看，TOPCon和異質(zhì)結(jié)相差不大，但效率的構(gòu)成參數(shù)不同，異質(zhì)結(jié)電池電壓高，電流低，TOPCon 電池開壓不高，但電流比較高，主要原因?yàn)楫愘|(zhì)結(jié)表面 TCO 的透光性不如 TOPCon 表面的氮化硅。
三是鈣鈦礦/HJT 疊層電池為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，輸出超高電壓提高轉(zhuǎn)換效率。鈣鈦礦與異質(zhì)結(jié)具有良好的疊層電池匹配度，可形成較單結(jié) PSCs 效率更高的疊層電池。
異質(zhì)結(jié)是指將 P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊硅基片上，在交界面形成的空間電荷區(qū)（PN 結(jié)），具有單向?qū)щ娦?。具有本征非晶層的硅異質(zhì)結(jié)電池片中同時(shí)存在晶體和非晶體級(jí)別的硅，非晶硅能更好地實(shí)現(xiàn)鈍化效果，提高開路電壓和轉(zhuǎn)換效率。

美能分光光度計(jì)

美能UVN2800分光光度計(jì)是一款用于測量物質(zhì)透過率、反射率以及吸光度的檢測儀器。采用獨(dú)特的雙光束光學(xué)設(shè)計(jì)，可以完美矯正不同ITO薄膜的吸光度變化，從而穩(wěn)定的進(jìn)行樣品測定。

● 采用雙光源雙檢測器設(shè)計(jì)

● 超大波長范圍190-2800nm

●雙光柵光學(xué)結(jié)構(gòu)、有效降低雜散光

● 積分球直徑可達(dá)100mm

●長期使用不發(fā)黃變性、光學(xué)性能穩(wěn)定

●可最大限定的降低檢測器切換導(dǎo)致的誤差

鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步和成本優(yōu)勢預(yù)示著其在光伏領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。隨著美能UVN2800分光光度計(jì)等高精度測量設(shè)備的支持，鈣鈦礦材料的研發(fā)和性能優(yōu)化將更加精準(zhǔn)，助力技術(shù)的進(jìn)一步商業(yè)化。展望未來，鈣鈦礦太陽能電池有望為全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型提供關(guān)鍵技術(shù)支持，推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。