鈣鈦礦疊層電池：光伏技術的明日之星

工商業分布式光伏建筑一體化

鈣鈦礦疊層組件量產成本遠低于硅基產品，

疊加效率提升帶來的發電量優勢，

其度電成本較硅基電池降低超三成。

從屋頂的深藍色硅基太陽能板到柔性可彎曲的“光能量薄膜”，光伏技術正在經歷一場前所未有的變革。鈣鈦礦疊層電池作為其中的核心力量，正從實驗室快速走向產業化，重新定義著人類利用太陽能的邊界。這場技術革命不僅關乎能源效率的提升，更將深刻影響全球能源結構、環境保護與日常生活。

產業化加速推進

光伏技術的發展史，是一部人類不斷突破能源利用極限的探索史。在硅基電池主導市場數十年后，鈣鈦礦疊層電池以驚人的速度完成了從科學發現到商業落地的跨越，成為新能源領域最耀眼的“新星”。

2009年，日本科學家宮坂力的團隊在實驗中偶然發現：一種具有鈣鈦礦晶體結構的材料能高效吸收陽光并轉化為電能。當時這一發現的能量轉換效率僅為3.8%，遠低于同期硅基電池20%左右的效率。看似只是一次普通的科研突破，但鈣鈦礦材料的神奇之處在于其優異的光吸收能力和可調節性，與硅基材料需要高純度提煉不同，鈣鈦礦的晶體結構可通過化學配比調整，從而優化對不同波長陽光的吸收。2012年，鈣鈦礦電池效率突破10%，2016年達到22.1%，2020年超過25%——短短11年，效率提升近7倍，這樣的增速在光伏史上前所未有。

單結鈣鈦礦電池的局限很快顯現：它僅能吸收陽光中特定波長的光線（主要是藍光和綠光），對紅光和紅外光的利用率較低。科學家們由此提出“疊層設計”的創新思路，將鈣鈦礦與其他材料疊加，讓每層材料“各司其職”吸收不同波長的陽光。

目前最成熟的組合是“鈣鈦礦+晶硅”疊層——晶硅擅長吸收紅光和紅外光，鈣鈦礦專注藍光和綠光，兩者結合形成“全波長光吸收戰隊”，效率自然大幅提升。2023年，德國亥姆霍茲研究所的鈣鈦礦-硅疊層電池效率突破33.7%，我國寶馨科技的實驗室數據達到30.91%；2025年，武漢大學團隊研究的小面積全鈣鈦礦疊層（兩層不同鈣鈦礦材料疊加）電池的光電轉換效率也達到28.71%。

今年4月，經美國國家可再生能源實驗室（NREL）認證，隆基綠能自主研發的晶硅-鈣鈦礦兩端疊層太陽電池轉換效率達到34.85%，再次刷新晶硅-鈣鈦礦疊層電池效率世界紀錄。這些數字意味著相同面積的太陽能板，鈣鈦礦疊層電池能比傳統硅基電池多發電15～20%，這在能源緊張的今天，無疑具有革命性意義。

太陽能電池

2024年是鈣鈦礦疊層電池產業化的“破冰之年”。2024年9月，英國牛津光伏（Oxford PV）生產的硅基鈣鈦礦太陽能電池板在全球范圍內的首次商業部署成功。該事件標志著全球歷時15年研發的這種兼具輕量化與多功能特性的新材料取得階段性成果，其性能潛力有望超越傳統硅基太陽能電池。同年年底，我國浙江“光伏新勢力”纖納光電生產的鈣鈦礦α疊層組件成功出貨三峽能源50MW光伏示范項目，成為全球首次實現四端子鈣鈦礦-晶硅疊層組件商業化應用。這一項目的成功運行，標志著我國鈣鈦礦疊層電池產業化進入實操階段。

2025年3月，天合光能光伏科學與技術全國重點實驗室宣布，成功制備出全球首款210標準工業尺寸、峰值功率達808W的鈣鈦礦/晶體硅疊層電池組件。這一創新成果經過TüV南德意志集團測試實驗室認證，不僅創造了行業新標桿，也標志著光伏產業正式邁入高效疊層時代。

在這場全球競賽中，中國、美國、歐洲形成“三足鼎立”格局，各自憑借優勢加速技術落地。中國的優勢在于產業化速度與規模，全國已有超過50家企業和科研機構涉足鈣鈦礦技術，纖納光電、協鑫光電、寶馨科技等企業建成10～100MW中試線，2025年鈣鈦礦疊層組件出貨量預計占全球60%以上。歐洲則深耕基礎研究，英國牛津光伏、德國亥姆霍茲研究所長期保持效率紀錄，荷蘭代爾夫特理工大學在穩定性研究上獨樹一幟。美國側重應用場景創新，Tandem PV專注鈣鈦礦涂層技術，First Solar探索薄膜疊層技術，力求在細分領域搶占先機。這種全球競爭帶來的技術迭代速度令人驚嘆，業內預測其成為市場主流可能只需10年，光伏技術的加速時代已然到來。

值得注意的是，除產業化加速外，我國在鈣鈦礦疊層電池基礎研究方面也取得重要突破。2024年10月，南京大學譚海仁團隊與國防科技創新研究院常超團隊在《自然》雜志發表論文，首次利用太赫茲光譜實現全鈣鈦礦疊層電池內部載流子輸運的精準、無損探測。研究提出“偶極鈍化層”設計，有效改善界面載流子損耗，使光電轉換效率提升至30.1%，創下全鈣鈦礦疊層電池新紀錄。這一成果被國際《太陽能電池效率表》收錄，顯示我國在基礎科研與器件優化領域正逐步引領全球。

核心競爭力

在光伏技術的“賽道”上，鈣鈦礦疊層電池能后來居上，關鍵在于它突破了傳統硅基電池的固有局限，在效率、成本、應用場景等方面展現出無可替代的優勢。這些優勢不僅讓它成為科學家眼中的“潛力股”，更讓產業界看到了能源革命的新可能。

效率是光伏電池的“生命線”，直接決定相同面積、相同光照條件下的發電量。經過數十年發展，傳統硅基電池的效率已接近瓶頸，實際量產效率約26%，理論極限僅29.4%，每提升0.1個百分點都需巨大投入。而鈣鈦礦疊層電池通過創新設計，輕松打破了這一“天花板”。其核心秘密在于疊層設計的“陽光分揀系統”，當陽光照射到電池表面時，第一層鈣鈦礦材料優先吸收能量較高的藍光和綠光（波長400～600nm），第二層材料（晶硅或另一層鈣鈦礦）則專注吸收能量較低的紅光和紅外光（波長600～1200nm）。這種分工合作讓陽光利用率大幅提升。

目前，鈣鈦礦 -晶硅疊層電池的實驗室效率已達34.85%，理論極限更是高達43%。這意味著，在100平方米的屋頂上安裝鈣鈦礦疊層電池每年可多發電500度，足夠一個家庭用兩個月。對于大型光伏電站，相同面積下年發電量可增加15～20%，相當于每100MW電站年多賺上千萬元電費。在土地資源緊張的今天，這種“提質不增地”的優勢尤為珍貴。

除了效率優勢，鈣鈦礦疊層電池在全鏈條成本優化上的突破同樣令人矚目。原材料端，硅基電池依賴極高純度的硅材料，提煉過程能耗高、工藝復雜，原料成本占組件比例較大；而鈣鈦礦采用常見金屬元素，無需高純度處理，原料成本大幅降低且性能可靈活調控。生產環節，硅基電池需經歷高溫作業，能耗高、周期長；鈣鈦礦則通過溶液印刷工藝在常溫或低溫下成型，能耗顯著降低，生產效率大幅提升。此外，鈣鈦礦疊層組件量產成本遠低于硅基產品，疊加效率提升帶來的發電量優勢，其度電成本較硅基電池降低超三成。以同等規模光伏電站為例，初期投資大幅減少，年發電收益顯著增加，投資回收周期明顯縮短。這種從原料到終端的全鏈條成本優勢，正重塑光伏產業的經濟性邏輯。

傳統硅基電池板因厚重堅硬受限，一塊較大面積組件重約20千克，需堅固支架支撐，既增加屋頂承重，也限制了應用場景。而鈣鈦礦疊層電池憑借輕薄靈活的特性，突破了光伏技術的邊界。其物理特性優勢顯著，采用塑料或金屬箔基底時，厚度可做到極薄（相當于幾張紙），重量僅為硅基電池的十分之一，甚至能像紙一樣彎曲折疊，輕松適應復雜表面，實現“哪里有陽光，哪里就能發電”。

鈣鈦礦疊層電池的兼容特性大幅降低了產業化門檻。其“四端子疊層”技術通過分開生產鈣鈦礦與硅基電池，再簡單疊加組件，無需改造現有硅基產線。硅基巨頭僅需在原有產線增加涂層工序，即可將組件效率從25%提升至30%以上，投入成本僅為新建產線的五分之一。設備兼容性同樣突出，現有印刷、涂布設備經改造即可用于鈣鈦礦生產。這種“低成本升級”模式，讓傳統企業更易擁抱新技術，加速推動光伏產業快速轉型。

規模化障礙

盡管鈣鈦礦疊層電池前景廣闊，但從實驗室走向大規模商用，仍需跨越穩定性、環保性、成本控制等多重技術難關。這些“成長的煩惱”是技術成熟的必經之路，也是決定其能否真正替代硅基電池的關鍵。光伏組件壽命需達20年以上，而鈣鈦礦材料的“先天脆弱性”成為主要瓶頸。其離子晶體結構易受環境影響，如，潮濕環境中水分子滲透會導致分解，溫度超60℃易熱分解，紫外線照射則引發氧化，實驗室加速老化測試顯示組件保持80%效率僅約1000小時，遠低于實際需求。

科研團隊正從三方面突破：材料摻雜銫、銣等元素增強穩定性；封裝技術采用氟化物薄膜隔絕水氧；結構設計通過“雙界面防護”優化界面性能（我國技術使潮濕環境壽命達5000小時，相當于實際應用10年以上）。但戶外長期測試數據仍不足，目前最長僅5年，25年壽命承諾缺乏實證，疊層結構差異（如全鈣鈦礦壽命僅為鈣鈦礦-硅疊層的60%）也需進一步優化。

高效鈣鈦礦材料多含鉛，大規模應用后若處理不當，鉛泄漏可能污染土壤水源。歐盟已將其納入有害物質限制清單，要求企業提供回收方案。無鉛替代材料（如錫、鉍、銅基）研發進展緩慢，效率與穩定性均未達實用水平（錫基效率約15%但易氧化，鉍基效率約20%）。回收體系尚未建立，硅基電池回收率超95%，而鈣鈦礦組件分離與鉛提取技術仍處于實驗室階段。

目前鈣鈦礦疊層組件量產成本約每瓦0.6元，雖低于硅基的0.8元，但距0.4元目標仍有差距。成本壓力主要來自三方面：材料一致性控制難，量產成品率較低；設備投資高（百兆瓦產線投資2～3億元，超硅基50%）；配套材料（如柔性基底、透明電極）因規模小價格高30～50%。企業正通過改進涂布設備、優化溶液配方提升成品率，并期待全球產能突破百吉瓦后攤薄設備成本，推動配套材料降價。

展望未來

從技術演進的軌跡、應用場景的拓展以及全球產業布局的動向來看，這項新興技術極有可能在未來10年內重塑光伏產業的整體格局，成為推動全球能源轉型的核心力量，但這一進程必然伴隨著漫長的探索與持續的投入，機遇與挑戰始終如影隨形。

未來10年，鈣鈦礦疊層電池的應用將從示范項目邁向規模化落地，在建筑、交通、農業、應急及消費電子等領域引發能源利用革新。建筑領域光伏一體化將成為早期增長點，交通領域“移動發電”模式逐步普及，農業與生態領域的應用潛力顯著，應急保障與消費電子領域則漸成剛需產品。其崛起將深刻改變傳統能源利用方式，推動全球能源結構向可再生能源加速轉型。它打破能源生產集中化模式，使建筑、車輛、設備等成為分布式“微型發電站”，推動能源體系向“分布式生產+智能調配”轉型，減少遠距離輸電依賴，提升能源系統靈活性與抗風險能力，未來城市有望形成“屋頂發電+儲能+微電網”的新型能源體系。

這一變革將重塑全球能源格局，降低各國能源進口依賴，助力更多國家實現能源自給，光照充足地區可借其低成本短周期優勢提升清潔能源占比。同時讓能源收益更廣泛地惠及普通家庭與中小企業，通過“自發自用、余電上網”模式帶來實際收益，加速綠色低碳生活方式的普及。

然而，鈣鈦礦疊層電池的產業化之路并非一帆風順，穩定性問題仍是制約其大規模應用的核心瓶頸。盡管實驗室效率不斷突破，但在長期光照、濕度變化、溫度波動等復雜環境下的性能衰減問題尚未完全解決，如何提升器件的使用壽命至20年以上，達到硅基電池的水平，仍是科研人員需要攻克的難關。

量產工藝的成熟度也面臨挑戰，當前鈣鈦礦組件的生產多處于小規模試驗階段，大面積制備過程中的均勻性控制、成本控制以及原材料毒性管控等問題，都需要產業鏈上下游協同突破。此外，標準體系的缺失也增加了產業化難度，從材料規格、生產流程到產品認證，尚未形成統一的行業標準，這在一定程度上影響了資本投入和市場推廣的進度。

從光生伏特效應被發現，到硅基電池誕生，再到鈣鈦礦疊層電池崛起，人類探索太陽能利用的腳步從未停止。這項技術憑借高轉換效率、低成本優勢，重新定義了光伏應用場景。未來，它將使更多物體成為發電載體，讓太陽能更普惠。

盡管鈣鈦礦疊層電池產業化面臨穩定性、量產工藝、標準體系等挑戰，但隨著技術突破，必將推動全球能源轉型，開啟清潔的能源新時代，而我們都將是這場變革的見證者與參與者。（作者單位：國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心）

（文章來源：《創意世界》2025年12月號）

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編校：苑寶平，審讀：郭麗

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