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鈣鈦礦：吸引力？提效空間較高，應用場景豐富，成長初期
鈣鈦礦行業處於 0->1 的成長初期：2022 上半年以來，國內頻出鈣鈦礦產業的積極訊號，寧德、騰訊等汽車及網際網路行業的頭部機構入股鈣鈦礦專案，鈣鈦礦-晶矽疊層效率也突破了 31%，證實其疊層效率遠超晶矽電池的優勢。在 TOPCon、HJT、XBC 等電池技術爭相擴大產能的產業環境下，多個鈣鈦礦的大尺寸中試線專案落地，見證其從 2009 年提出概念，到 13 年後廠商躍躍欲試的快速發展階段，同時 2022/7 纖納光電出貨全球首款鈣鈦礦商用元件，也標誌著鈣鈦礦元件商業化探路的開端。
特點一：轉換效率領先優勢獲實驗室證實，鈣鈦礦吸光層為提效的核心
鈣鈦礦型材料特點 1：易於合成，穩定的鈣鈦礦相決定電池穩定性。鈣鈦礦型材料為與礦物鈣鈦氧化物 ABX3 化學結構類似的離子晶體的統稱，易於實驗室合成，可避免材料的稀缺性漲價。據 X 陰離子劃分，ABO3 無機氧化物鈣鈦礦在可見光下的光電效應較差；而主流的 ABX3 為鹵化物鈣鈦礦，其中 A 為有機陽離子(如甲胺、甲脒等)或無機陽離子(如銫)；B 為二價金屬陽離子(如鉛或鍺)；X 為鹵素陰離子。根據八面體籠的旋轉形態，分為立方、四方、正交等鈣鈦礦相，而穩定的鈣鈦礦相對於電池穩定性至關重要，立方相為理想形態。同時可改變不同的 A 位陽離子，透過離子半徑算出的容忍因子α，如 APbI3 鈣鈦礦的α在 0.8-1 時，形成穩定的鈣鈦礦相，提升穩定性、轉換效率。
鈣鈦礦型材料的特點 2：光電特性優秀，帶隙可調決定吸收更寬的光譜。由於鈣鈦礦的成分選擇具有靈活性，A、B 和 X 位離子可以被多種元素取代，提供了較寬的帶隙可調性。根據 Schockely-Queisser 極限曲線，單結太陽能電池光吸收材料的最佳帶隙為 1.4 eV。鈣鈦礦作為直接帶隙材料（例如CH3NH3PbI3，帶隙 1.5 eV)，在可見光全波段範圍內具備全光譜吸收能力，且Nano Energy 提到鈣鈦礦材料在 300–800 nm 波長範圍的可見光譜上，具有約 1× 105cm-1 量級的高吸收係數，比傳統單晶矽大一個數量級，因此 100 奈米厚的鈣鈦礦薄膜，就可以吸收矽薄膜微米厚度才能吸收的光。
鈣鈦礦元件由多個功能層堆疊而成，吸光層是提效的核心。晶矽電池和鈣鈦礦元件的本質工作原理都是透過空穴和電子的擴散形成內電場，不同點在於：A. 晶矽電池是直接形成 P-N 結：P-N 結的勢壘電容與 P 型/N 型半導體的摻雜濃度和溫度有關，且勢壘厚度較薄，容易發生雪崩擊穿，從而承受的反向電壓有限，且感光靈敏度較小；B. 鈣鈦礦元件是 P-i-N 結：P-i-N 結因為有 i 層-本徵半導體（即鈣鈦礦層）的存在，勢壘厚度很大， 能承受很大的反向電壓，且能吸收大量的光子並轉換為載流子。同時，i 層選用的鈣鈦礦材料充分吸收不同波長的太陽光，對藍/綠光的吸收強於晶矽電池，其高結晶度極大減小載流子複合。
鈣鈦礦單結元件的研發效率已接近 26%，平均每年至少提升 0.5%，極限為 31%。自 2009 年提出技術至今，鈣鈦礦單結電池的實驗室效率從 3.8%提升到 25.8%，13 年間平均每年提升 1.69%，而 2018-2022 年則平均每年提升 0.5%。相比 PERC、TOPCon、IBC 等技術在 90 年代已經實現 20%以上的實驗室轉 換效率，鈣鈦礦發展速度極快。據德國 ISHF 實驗室資料，PERC 電池理想條件下極限效率為 24.5%，單面 TOPCon 工藝的理論效率在 24.9%-27%之間，雙面 TOPCon 工藝達 28.7%，HJT 工藝的理論機械轉換效率是 27.5%，晶矽電池理論極限效率為 29.43%，而作為薄膜電池的鈣鈦礦光伏元件的單結理論效率為 31%，遠超晶矽電池，是未來鈣鈦礦-晶矽疊層電池轉換效率達到 50%以上的重要推力。
特點二：一體化工廠降低生產成本，鈣鈦礦材料具備成本優勢
相比晶矽電池，鈣鈦礦工序大大縮短，單 GW 產能投資額更低。根據協鑫光電的資料，晶矽電池的製備，從矽料到元件至少經過 4 道工序，單位制程需要 3 天以上，同時還需要大量人力、運輸成本 等；而鈣鈦礦元件在單一工廠完成生產，原材料經過加工後直接成元件，沒有傳統的“電池片”工序，大大縮短製程耗時，單位制程耗時僅需約 45 分鐘。從單 GW 產能投資額來看，與晶矽電池相比，矽料+矽片+PERC電池+元件合計需要約 10 億元投資，而目前的鈣鈦礦 10MW 中試線投資額為 0.7-0.8 億元，達到量產成熟度之後，單GW 產能僅需 5 億元投資額，約晶矽電池單 GW 產能投資額的 1/2。
降本途徑分析 2-發電量：鈣鈦礦元件理論壽命可達 30 年，控制衰減率能做到更低的度電成本：據楊文侃《鈣鈦礦系列光伏元件的度電成本分析》測算，壽命25年的鈣鈦礦元件若線性衰減小於 0.6%，度電成本低於晶矽元件。
鈣鈦礦溫度係數絕對值比晶矽低 2 個數量級，不易受溫度影響：從溫度係數量化來看，晶矽元件約為-0.3，即溫度每上升 1 度，功率會下降 0.3%，例如在實際應用場景，出廠效率 20%，當溫度升到 75 度，效率大約就只剩16-17%。而鈣鈦礦的溫度係數為-0.001，非常接近於 0，因此它效 率幾乎不受溫度影響，實際發電效率顯著高於晶矽。
由於電路結構不同，鈣鈦礦元件比晶矽元件受遮擋的負面影響小，發電量平均高 5%：晶矽元件一般由 60 或 72 片獨立電池片串聯形成，當受到區域性遮擋或損壞時，會出現熱斑效應。而鈣鈦礦元件屬於薄膜電池，透過工藝在整個皮膚上實現電路結構，電路之間互相連線，在受到同樣遮擋時發電量影響比晶矽小很多，根據楊文侃《鈣鈦礦系列光伏元件的度電成本分析》測算，遮擋條件下鈣鈦礦元件比晶矽發電量高 4.05%-6.05%，度電成本降低 0.018-0.034 元/kWh。
特點三：輕薄且適應柔性基底，下游應用場景豐富
鈣鈦礦元件適應多元化的剛性/柔性基底。儘管晶矽電池可透過柔性材料封裝製成柔性元件，但晶矽電池片容易斷裂，對封裝技術和封裝材料效能要求非常高，因此薄膜電池更適合應用到柔性元件上。而由於 CIGS 等薄膜電池的製備溫度較高，平板柔性電池通常使用的 PET 或 PEN 基底承受溫度一般不超 150℃，疊加柔性元件的卷對卷印刷工藝與鈣鈦礦製備相容，因此鈣鈦礦元件更具備柔性應用空間。鑑於鈣鈦礦元件更輕薄、設計更友好的特點，廠家可按客需定製模組的形狀、顏色和尺寸，並安裝在屋頂、車頂、玻璃幕牆等任何空閒區域，疊加模組顏色可調，完美解決光伏在建材應用的美學問題。鈣鈦礦材料的柔性、輕薄、顏色可調、高電壓等特性使其具備廣泛應用各場景的潛力。
特點四：鈣鈦礦多結疊層效率可達晶矽電池的 2 倍，疊層技術取決於介面複合層
鈣鈦礦-晶矽疊層電池研發效率已突破 31.3%。鈣鈦礦帶隙寬度可調，可製備高效疊層電池，相比於單個 PN 結的鈣鈦礦太陽能元件，多結的 PSCs 光譜吸收效果更好、效率更高，但成本也更高。鈣鈦礦可製備 2 結、3 結及以上的疊層電池，鈣鈦礦 2 結疊層電池理論轉換效率達 35%，而 3 結疊層效率可達 45%以上，如果摻雜新型材料，甚至能達 50%，約為目前晶矽材料的 2 倍。
2 結疊層電池有鈣鈦礦-鈣鈦礦、鈣鈦礦-晶矽疊層電池兩種。鈣鈦礦-晶矽疊層電池即將鈣鈦礦 元件與矽電池按能隙從大到小的順序從外向裡疊合起來，讓短波長的光被最外側的寬頻隙鈣鈦 礦太陽能元件吸收，波長較長的光能夠透射進去讓窄帶隙的矽太陽能電池吸收，可最大限度地 將光能變成電能，目前獲得了最廣泛的研究，最新效率已突破 31.3%。
全鈣鈦礦（鈣鈦礦-鈣鈦礦）疊層具備潛力，一體式疊層為主流結構。根據結構不同，疊層鈣鈦礦元件分為一體式結構和分離式結構，依據輸出端子數量的不同，又可分為兩端子和四端子結構。四端子結構能實現較高的實驗室效率，但四端子疊層電池中的光學耦合疊層需要使用光學分光鏡，成本過於高昂，而機械堆疊式需要三層透明電極，會降低電池轉換效率。相比之下，一體式鈣鈦礦疊層結構簡單，裝置和工藝相對成熟，適合產業化。南京大學譚海仁團隊實現了 小面積全鈣鈦礦疊層電池 28%的實驗室效率，成立仁爍光能並開啟全鈣鈦礦疊層電池的產業化。
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