3月17日，科技部高技術研究發展中心（基礎研究管理中心）發布2022年度中國科學十大進展。南京大學譚海仁團隊憑借高效率的全鈣鈦礦疊層太陽能電池和組件方面的成果，入選此次十大進展。

中科創星在2022年8月，投資了譚海仁教授的創業項目——仁爍光能的Pre-A輪，對于鈣鈦礦太陽能電池相關技術，中科創星也一直堅定地看好。

譚海仁是南京大學現代工程與應用科學學院教授、博士生導師，入選中組部“海外高層次人才引進計劃”、江蘇省“雙創人才”及“雙創團隊”領軍人才，國家重點研發計劃課題負責人。譚海仁從事新型光伏材料與器件的研究工作，在Nature、Science、Nature Energy、Nat. Comm.、Adv. Mater.等學術期刊發表論文80余篇，引用9000 余次。

鈣鈦礦是一類結構式為AMX3的吸光材料，通常為有機-無機復合型。A位可能是有機陽離子甲胺基（CH3NH2+）、甲脒基[CH(NH2)2+]，或者無機的銫（Cs+），而M位的金屬一般為鉛（Pb2+）或錫（Sn2+），X位為鹵素離子碘（I-）、溴（Br-）等。M位的金屬陽離子和X位的鹵素陰離子構成了空間八面體結構，而A位的基團位于其中，撐起整個結構。

作為第三代太陽能電池的核心吸光材料，鈣鈦礦材料性能優異、發展迅猛，成為新能源領域投資難以繞過的技術之一。

2022年全年，國內至少有9起鈣鈦礦太陽能電池相關的投融資事件，相關企業估值合計已經超100億。即便進入2023年，鈣鈦礦太陽能電池的投資熱也一直不減。

作為一級市場炙手可熱的技術，再不投鈣鈦礦太陽能電池真就晚了。

PART 01

鈣鈦礦電池，商業化臨界點已至？

從硅基太陽能電池到化合物薄膜太陽能電池，再到新型太陽能電池，光伏技術已經發展到了第三代。作為第三代太陽能電池的代表技術之一，鈣鈦礦電池備受矚目。在2009年，其光電轉換效率還只有3.8%，到2021年已提高到25.7%，在其它類型的太陽能電池中前所未有。

因此，鈣鈦礦也被視為太陽能電池領域的“規則改變者”。

具體來說，鈣鈦礦電池較其它太陽能電池，共有如下8點技術優勢：

●綜合性能優良，能同時高效完成入射光的吸收、光生載流子的激發、輸運、分離等多個過程；

●消光系數高且帶隙寬度合適，能帶寬度較佳，具有極高的消光系數，是開發高效低成本太陽能電池的理想材料；

●優良的雙極性載流子輸運性質。能高效傳輸電子和空穴，載流子壽命遠長于其它太陽能電池；

●開路電壓較高。在全日光照射下的能量損耗很低，轉換效率還有大幅提高的空間；

●結構簡單。由透明電極、電子傳輸層、鈣鈦礦吸光層、空穴傳輸層、金屬電極五部分構成，可做成p-i-n型平面結構，有利于規模生產；

●低成本溫和條件制備。電池核心材料可通過溫和條件制備，如涂布法、氣相沉積法等。工藝簡單，制造成本低，能耗低，環境友好；

●可制備高效柔性器件。可以采用卷對卷大面積制備工藝將電池制在塑料、織物等柔性基底上，作為可穿戴、移動式柔性電源；

●鈣鈦礦材料組成元素多樣，帶隙可調性高，可通過改變各組分比例實現鈣鈦礦帶隙的調節，影響太陽能電池開路電壓、找到最優帶隙實現其效率最大化。

注：

帶隙是導帶的最低點和價帶的最高點的能量之差，在鈣鈦礦電池中，它可以在一定程度上代表該體系對光子能量的利用程度，下圖為常見太陽能電池的帶隙范圍。

在大力推進風光電發展、努力推動實現碳達峰碳中和目標的當下，鈣鈦礦電池基于自身種種優勢，將為光伏產業打開存量和增量市場，未來市場容量相當樂觀。

東嵐集團發布的《中國鈣鈦礦產業鏈發展現狀與趨勢分析》顯示，鈣鈦礦太陽能電池市場空間在2023年還只有18.09億元人民幣，到2027年可達1045.2億元，年復合增長率為175.7%。到2030年，鈣鈦礦太陽能電池產業將持續增長，市場空間將達到7115.4億元。

△圖片來源：《中國鈣鈦礦產業鏈發展現狀與趨勢分析》

在政策方面，各國政府對鈣鈦礦太陽能電池相當友好，紛紛推出規劃、政策，為其產業化發展鋪路設橋。

早在2020年9月，韓國貿易工業和能源部便發布了太陽能組件行業的新路線圖，提出基于硅和鈣鈦礦的串聯太陽能電池技術將成為下一代光伏產品最有希望的候選者。未來五年將投入1900億韓元(約合1.597億美元) 用于串聯光伏技術的研究，并最終在2030年，將太陽能電池的光電轉換效率提升至35%。

2021年5月和2022年7月，日本和美國也先后發布相關政策，開發下一代太陽能電池技術、將鈣鈦礦光伏技術推向商業化。

國內方面，自2022年4月起發布大量文件，推動以鈣鈦礦為代表的光伏產業的技術進步、產業升級、標準制定等。

即便鈣鈦礦材料擁有種種優勢，政策和產業也看好它的發展前景，但鈣鈦礦類別眾多，并非每一條技術路線都有繼續研發的價值。

PART 02

技術路線很寬，投資卻要走“窄”

鈣鈦礦電池是一個復雜的光伏發電系統，按照不同的分類依據，它可以分為各種類別。

前文已經提到，鈣鈦礦是一種AMX3結構的材料，不同的離子或基團組成會給鈣鈦礦材料帶來不同的帶隙寬度，我們可以據此將其分為寬帶隙鈣鈦礦和窄帶隙鈣鈦礦。

在結構上，鈣鈦礦電池一般由透明電極（Glass/FTO或Glass/ITO）、空穴傳輸層（HTL）、鈣鈦礦吸光層、電子傳輸層（ETL）和金屬電極5個部分構成。

▌電池結構：n-i-p型還是p-i-n型？

根據傳輸層與鈣鈦礦層的搭配方式不同，我們可以把鈣鈦礦太陽能電池分為正式結構（n-i-p）鈣鈦礦太陽能電池和反式結構（p-i-n）鈣鈦礦太陽能電池。

△左：平面n-i-p結構；右：平面p-i-n結構

不過n-i-p結構鈣鈦礦太陽能電池的遲滯效應比較嚴重，而p-i-n結構鈣鈦礦太陽能電池制備工藝簡單、遲滯效應弱，是目前鈣鈦礦電池的主流結構，只是在器件效率方面還需要進一步提高。

注：

遲滯效應是困擾鈣鈦礦電池的重要關鍵問題之一，它指的是當光出現時，太陽能電池無法立刻全功率輸出，以及光消失時，太陽能電池仍會短暫持續供電的現象。這會導致太陽能電池在測試過程中出現電流密度和電壓曲線不完全重合的現象，影響測試的準確性，降低鈣鈦礦太陽能電池的實際性能。

▌電池材料：誰是當下主流？

在材料選擇方面，鈣鈦礦太陽能電池核心結構中的每一層，都有多種材料可供選擇。我們可以通過不同的材料組合，創造當下性能相對更優的鈣鈦礦電池。

◎電子傳輸層

作為鈣鈦礦太陽能電池中的重要組分之一，電子傳輸層在提取和傳輸光生電子、充當空穴阻擋層起重要作用。

一個高效的電子傳輸材料，其能級應當與鈣鈦礦活性層相匹配。這樣才有利于電子提取的高電子遷移率，不僅能最大化光電轉換效率，還有利于提升電池的長期穩定性。

可以說，能級匹配是除了材料本身特性之外，鈣鈦礦電池器件成功的另一關鍵。

電子傳輸層的材料有兩類，金屬氧化物和有機材料。

前者方面，TiO2能級匹配性高，制造工藝相對簡單，但該材料電子遷移率低、電子陷阱態密度相對較高，會影響相應器件在紫外光照下的穩定性。目前，電子遷移率更高、光學性能和穩定性更好SnO2正不斷取代TiO2，成為主流選擇。

至于后者，富勒烯及其衍生物是平面鈣鈦礦太陽能電池最常用的有機電子傳輸材料，但此類材料不易進行化學結構和相關能級的調整，且成膜性和穩定性較差。因此，能否設計和開發出高效的非富勒烯有機小分子或聚合物，是決定有機材料是否具備發展價值的關鍵。

◎空穴傳輸層

空穴傳輸層是用來阻擋電子，防止鈣鈦礦活性層與電極直接接觸，保護其免受氧氣和水汽的侵蝕的結構。一個好的空穴傳輸層，對鈣鈦礦太陽能電池的轉換效率和穩定性至關重要。

PTAA和PEDOT:PSS等有機聚合物，是目前空穴傳輸層主要采用的材料。但因其價格高昂、制備復雜，并且穩定性方面也存在一定問題，限制了有機空穴傳輸材料在鈣鈦礦太陽能電池領域的大規模商業化使用。

中科創星認為，開發穩定、低成本的無機空穴傳輸層取代有機材料，對鈣鈦礦太陽能電池的商業化應用更有意義。

這是因為，在反式鈣鈦礦太陽能電池中，無機p型半導體的研究相對導電聚合物更為廣泛，而且穩定性更好。此外，NiOx材料已經在研究中表現出了優良的性能，包括可見光區吸收少、化學穩定性高、易于摻雜改性、制備方法多樣等。

NiOx材料也存在本征電導率較低、能級不夠匹配、與鈣鈦礦層接觸性差，以及在其上生長的鈣鈦礦薄膜結晶性不夠好等劣勢，不過在中科創星看來，這些問題可以通過持續研發，對該材料進行后續修飾改性逐步解決。

◎透明電極

透明電極又稱透明襯底，目前研究較多材料包括透明導電氧化物、銀納米線、超薄金屬與碳基透明導電薄膜。其中，透明導電氧化物是主流選擇，而超薄金屬更適合于柔性電池，中科創星認為二者進展情況均值得關注。

在中科創星看來，雖然鈣鈦礦電池的類別復雜，但有發展前景和投資潛力的技術路線已有跡可循。

結構上，p-i-n型已是疊層電池選擇的主流結構，而在材料上，中科創星建議進一步關注其它部分的發展，提升和鈣鈦礦材料的匹配度，獲得太陽能電池器件轉換效率的整體提升。新的材料突破將帶來轉化效率更高、性能更加穩定、生產成本更低的鈣鈦礦太陽能電池，并進一步主力行業的大規模商業化落地。

不過，技術路線是否足夠有前景，還取決于上游生產。

PART 03

鈣鈦礦雖好，關鍵在上游

跟晶硅相比，鈣鈦礦電池的生產工藝更簡潔、產業鏈更短，產能投資只有晶硅的一半左右。

以1GW產能的投資為例，晶硅在硅料、硅片、電池、組件等環節共需要投資約9.6億元，而在達到一定成熟度后，鈣鈦礦電池只要投資5億元左右，便能實現1GW產能，是晶硅的1/2左右。

即便如此，鈣鈦礦太陽能電池的生產流程也依然有如下14步。

最重要的環節是如何在緩沖層上涂布鈣鈦礦薄膜，也就是鈣鈦礦太陽能電池的薄膜工藝。目前已有的工藝包括旋涂法、噴涂法、刮刀涂布法、熱氣相沉積法和狹縫式涂布法。

其中，狹縫式涂布是一種先進的預計量涂布技術，利用該技術不僅能獲得較高精度的涂層，而且供應給涂布頭的墨水可以連續、幾乎無損失地涂布，理論上能夠形成無限長的薄膜，并且涂覆不同材料組成的多層膜。

即便該方法尚需進一步優化前體的組成和結晶過程，以提升涂布質量，但這并不影響該技術成為目前最適用于大面積制備太陽能電池的工藝之一。

PART 04

鈣鈦礦電池，會“疊”很重要

鈣鈦礦材料在光伏產業的應用主要有兩個技術方向：單結和疊層。

雖然單結和疊層技術目前呈并行發展態勢，但中科創星認為，疊層技術更具有研發和投資前景，能夠代表鈣鈦礦未來的發展方向。

理由在于，當光子能量超過材料的帶隙時，多余的能量會因熱化而丟失，這限制了單結、二結甚至三結太陽能電池轉化效率的理論極限。而疊層（多結）太陽能電池可以利用多個半導體材料帶隙的不同吸光層，減少由于載流子熱化而帶來的能量損失。

有研究結果顯示，帶隙處于1.1eV到1.4eV之間的單結太陽能電池效率的理論極限在34%左右，帶隙匹配的二結太陽能電池的理論極限效率為46%，三結太陽能電池極限效率為52%，當結數不受限的時候，疊層（多結）太陽能電池的理論效率可達68%。

因此，疊層技術是提高太陽能電池效率的有效方法，可突破當前光伏市場效率極限。

至于該怎么“疊”呢？主流的研究方向是兩端疊層的方式，即子電池通過互聯界面串聯，這種方式僅需一個透明電極、成本較低，不僅在工藝方面具備發展前景，目前疊層太陽能電池的世界記錄也大多由兩端疊層結構的電池創造。

△圖片來源：仁爍光能官網

前文已經提到，鈣鈦礦材料具有帶隙可調性，業界一般通過成分調控，使鈣鈦礦材料的帶隙在1.4～2.2 eV 之間變化，作為上層的寬帶隙“頂電池”使用；而另一子電池則使用窄帶隙的電池，依據該子電池的不同，我們可以將鈣鈦礦疊層電池分為鈣鈦礦-晶硅疊層電池、全鈣鈦礦疊層電池、鈣鈦礦-CIGS（銅銦鎵硒）疊層電池和鈣鈦礦-有機疊層電池等四類。其中，前兩者具有更高的光電轉換效率，是研發的重點。

▌鈣鈦礦-晶硅疊層電池

鈣鈦礦-晶硅疊層電池是目前效率最高，也是最主流的鈣鈦礦疊層電池。在實驗室環境下，鈣鈦礦-晶硅疊層電池的轉化效率已突破30%，達到32.5%。

另外，該技術路線還具有開路電壓高、壽命長、市場龐大且產業鏈成熟等優點。

但鈣鈦礦-晶硅疊層電池的劣勢也十分明顯——晶硅電池片有的問題它都有，如晶硅電池片效率觸及天花板、晶硅能耗高、硅片屢漲難降、建筑和車頂場景應用受限、頂部鈣鈦礦層難以高質量沉積于絨面結構的晶硅底電池上等等。

即使存在一定劣勢，但因其極佳的光電轉換效率，仍具有較高的市場前景。中科創星認為，未來對于晶硅絨面結構的利用，將成為推動鈣鈦礦-晶硅疊層電池效率進一步提升的方向。

▌全鈣鈦礦疊層電池

2021年2月，仁爍光能（南京大學譚海仁團隊）創造了全鈣鈦礦疊層里程碑式世界紀錄——26.4%的轉換效率，首次超越25.7%的單結鈣鈦礦電池。另外，該團隊還一直保持著小尺寸電池效率29.0%的世界紀錄。

△圖片來源：仁爍光能官網

雖然距離鈣鈦礦-晶硅疊層電池的32.5%尚有一定差距，但優勢更加獨特、突出：

●全鈣鈦礦疊層電池具有高的理論光電轉換效率；

●全鈣鈦礦疊層電池有望取得比鈣鈦礦-晶硅疊層電池以及晶硅電池更低的度電成本；

●經測算，鈣鈦礦組件的制造成本可達到單晶硅組件成本的50%，更具成本優勢；

●在建筑光伏、車頂光伏與消費品光伏方面比鈣鈦礦-晶硅疊層更具應用前景；

●制備溫度遠低于晶硅，全生命周期的能耗更低。

不過，該疊層電池還存在良品率與鈣鈦礦層的大尺寸效率，穩定、連續生產還不能滿足，產業鏈不成熟等不足。這相當依賴產業端的技術優化，比如仁爍光能自研的全溶液法印刷技術，能夠高效、高質量的制備疊層電池。

綜上，中科創星認為，全鈣鈦礦疊層電池仍具備較好的發展與應用潛力，是值得關注的方向。未來若有公司能夠解決良品率和連續生產的問題，將在鈣鈦礦產業獲得巨大優勢。

總之，鈣鈦礦-晶硅疊層與全鈣鈦礦疊層太陽能電池因具有更高的光電轉換效率，是目前研發的重點。

在鈣鈦礦-晶硅疊層電池領域，德國柏林亥姆霍茲中心（HZB）和英國牛津光伏公司（Oxford PV）掌握技術優勢，前者創造了該技術路線32.5%的世界效率記錄，而后者則是目前大面積（274c㎡）疊層電池轉換效率紀錄的保持者。

全鈣鈦礦疊層電池方面，南京大學譚海仁教授創立的仁爍光能一騎絕塵。2022年12月，該公司創造了全鈣鈦礦疊層電池新的效率記錄——29.0%，再次打破了團隊在6月創造的28.0%的世界紀錄，技術領先行業。

2023年2月，仁爍光能建設的全球首條全鈣鈦礦疊層光伏組件研發線正式投產，組件尺寸30*40c㎡，目前10MW研發中試線已全線跑通。該公司150MW中試線預計在今年第三季度投產，并于明年實現量產，進而建設GW線。

△仁爍光能10MW研發中試產線

另外，國內方面還有協鑫光電等公司在從事單結鈣鈦礦電池方面的研發工作。協鑫光電是全球鈣鈦礦太陽能電池商業化的開拓者，范斌博士團隊的研究成果對該領域具有開創性的貢獻，大大提高了鈣鈦礦太陽能電池的商業化發展速度。

那么，行業的未來到底是鈣鈦礦-晶硅疊層還是全鈣鈦礦疊層呢？

中科創星認為，從目前的發展情況看，鈣鈦礦-晶硅疊層電池的轉化效率高于全鈣鈦礦疊層電池，作為晶硅產品生命周期的延續，暫時處于優勢地位。

仁爍光能創始人兼董事長譚海仁對中科創星表示，全鈣鈦礦疊層理論效率同樣很高，其效率也有望做到與晶硅疊層相當；另一方面，全鈣鈦礦疊層電池未來有望實現更低成本與生產時低能耗的特點。

△圖片來源：仁爍光能官網

“鈣鐵礦集合了光伏太陽能電池所有優點，并且對比晶硅具有極其明顯的技術及成本優勢。”譚海仁告訴中科創星，隨著晶硅走到效率與成本的天花板，鈣鈦礦技術仍會不斷進步，其性價比優勢會隨效率的提升與技術的發展不斷顯現，全鈣鈦礦疊層電池也會成為未來發展的重要方向。

不僅如此，太陽能電池在測試中的高效不代表實際應用中同樣高效。鈣鈦礦材料溫度系數低，弱光性好，鈣鈦礦電池的實際發電量比晶硅電池高出約10%，效率18%的鈣鈦礦組件，實際發電能力相當于效率20%的晶硅組件。

基于上述理由，中科創星認為鈣鈦礦材料相較晶硅將具有更強的長期優勢。

PART 05

鈣鈦礦，離商業化還有多遠？

在中科創星看來，鈣鈦礦的技術優勢已毋庸置疑，但若想實現商業化，還要解決如下問題：

首先是生產。

無論何種疊層，鈣鈦礦層都是影響結果的關鍵組分。但是，鈣鈦礦層仍存在缺陷密度多、成膜質量低、大面積組件效率下降明顯與良品率的問題，所以鈣鈦礦層的高質量、穩定、連續生產是其核心問題。

在規模生產工藝上，狹縫涂布是鈣鈦礦電池當下采用的主流生產方式。需關注該技術如何與其它工藝過程配合、提升鈣鈦礦層質量。而在成膜工藝上，傳統加熱退火工藝制備方法容易導致鈣鈦礦薄膜表面粗糙、質量不高等。因此，研發更高效的高質量鈣鈦礦薄膜處理方法也很有必要。

其次是轉化效率。

鈣鈦礦核心層材料的進步，是提升其效率的關鍵之一。寬帶隙的鈣鈦礦層、窄帶隙的鈣鈦礦層、電子傳輸層、空穴傳輸層在效率、穩定性方面均有進步空間，材料之間的匹配性還需要進一步優化。而相關公司也會在行業發展的過程中，沉淀大量的數據與工藝，最終成為公司的技術“護城河”之一。

第三是穩定性。

封裝是提升鈣鈦礦穩定性的重要環節，也是保證鈣鈦礦電池壽命的關鍵。封裝材料方面，傳統EVA膠膜抗PID性能差，不適應鈣鈦礦太陽能電池的封裝，POE膠膜適合用于鈣鈦礦電池，但該技術主要被陶氏杜邦、埃克森美孚壟斷，國產替代大有可為。另外，封裝工藝也需要針對鈣鈦礦太陽能電池易分層、斷裂的現象，開發新的工藝。

最后是回收。

鉛污染是鈣鈦礦材料商業化應用環節中難以回避的問題。鈣鈦礦太陽能電池若要實現大規模商業化，必須建立完善的回收體系，回收電池體系中的鉛和基片，實現鈣鈦礦電池原材料的循環再利用。

但無論生產、效率還是穩定性，都可以通過技術優化，進行解決。中科創星認為，在資金和技術的加持下，鈣鈦礦太陽能電池行業也將快速發展，實現商業化，不僅緩解當下能源緊缺的現狀，還會助力世界各國實現碳達峰、碳中和。

作為中科創星作為“硬科技”理念的締造者和“硬科技”投資的先行者，始終相信硬科技改變世界。

基于這樣的投資理念，中科創星不僅成功投資了榮獲2022年度中國科學十大進展的仁爍光能，還有榮獲2020年中國科學十大進展西安交通大學徐卓教授團隊的技術成果轉化公司；以及北京大學教授劉開輝與中科院院士王恩哥團隊的“米級高指數晶面單晶銅箔庫制造”產業化公司—中科晶益，該技術榮獲2020年中國重大技術進展（十項）和2020年度中國半導體十大研究進展。

仁爍光能和中科晶益等公司之所以能獲得這樣的成績，與其長期的研究積累分不開。中科創星創始合伙人米磊表示，要做好硬科技創業公司，就要有“勇擔使命、敢為人先、啃硬骨頭、十年磨劍”的硬科技精神，硬科技投資也是一樣。

“做硬科技投資，需要經過更長時間的摸索學習，建立起來自己學習系統，對某些行業、某些公司擁有比別人更深的理解，這有才能夠對行業和公司的表現作出更加準確的判斷。”在米磊看來，硬科技創新所需的時間長、風險大，這要求投資機構對未來對技術的必然性有十足的把握。

中科創星之所以能夠在這些優秀的科學家獲獎之前，發掘并投資他們的創業項目，也與中科創星的投資邏輯分不開。米磊說，“無論是一家公司，還是一家投資機構，專注是最重要的。越專注，越專業。”

硬科技創新的投資者，就像肥料和水，一點一滴地澆灌，幫助這些種子長成參天大樹，而中科創星人就要有決心做這樣的“澆灌者”。

我們始終相信，未來的世界將成為由技術驅動的世界，而中科創星要做的，就是投國家和社會最需要的技術。通過硬科技解決當下和未來有可能出現的“卡脖子”問題，讓中國重返世界之巔，讓那些有望推動科技革命、改變世界未來規則的技術，掌握在我們自己的手里。

參考資料：

1.中科創星行研報告《鈣鈦礦疊層太陽能電池研究》

2.《中國鈣鈦礦產業鏈發展現狀與趨勢分析》https://mp.weixin.qq.com/s/107NoLNKI22YWErtJNF4_w

3.仁爍光能官網https://www.renshinesolar.com/page100?article_id=50