能源是現(xiàn)代社會賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)?；茉吹拇罅块_采和利用帶來了資源枯竭、環(huán)境污染、氣候變化等一系列問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)2019年全球石油、天然氣和煤炭消耗量分別達(dá)到了98. 3億噸、40. 3億噸和81. 7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。化石能源燃燒導(dǎo)致大量溫室氣體排放，2020年全球二氧化碳排放量達(dá)到314億噸，比工業(yè)化前水平高出48%，大氣中CO2濃度已升至419 mg/L的歷史高位。為應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)，發(fā)展清潔低碳的可再生能源已成為全球共識。在眾多新能源材料中，鈣鈦礦憑借優(yōu)異的光電性能和低成本優(yōu)勢脫穎而出，成為業(yè)界廣泛關(guān)注的材料，在太陽能電池、發(fā)光二極管等新能源技術(shù)領(lǐng)域展現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景。

1 鈣鈦礦材料概述

鈣鈦礦材料是一類具有ABX3晶體結(jié)構(gòu)的化合物半導(dǎo)體材料，其中A為有機(jī)或無機(jī)陽離子（如甲胺、銫），B為金屬陽離子（如鉛、錫），X為鹵素陰離子（如碘、溴）。ABX3型鈣鈦礦材料具有立方八面體結(jié)構(gòu)，B位原子位于八面體中心，A位原子位于八面體間隙，X位原子位于八面體角上。這種獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)賦予了鈣鈦礦材料優(yōu)異的光電性能，如高吸光系數(shù)、長載流子壽命、高載流子遷移率等。以甲胺鉛碘（CH3NH3PbI3）鈣鈦礦為例，其吸光系數(shù)高達(dá)105 cm-1數(shù)量級，遠(yuǎn)超晶硅等無機(jī)半導(dǎo)體材料；載流子擴(kuò)散距離可達(dá)200～900 nm，是有機(jī)半導(dǎo)體材料的20～90倍；遷移率高達(dá)200～900 cm2（/ V·s），接近單晶硅水平。除光電特性外，鈣鈦礦材料還具有合成簡單、可低溫溶液法制備、帶隙可調(diào)、缺陷容忍度高等優(yōu)點(diǎn)。通過改變A、B、X位元素種類和配比，可對鈣鈦礦材料的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，帶隙可在1. 2～3. 0 eV范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，基本覆蓋可見光至近紅外光譜區(qū)域，為不同波段光電器件的設(shè)計(jì)提供了充分自由度。同時，鈣鈦礦材料中普遍存在自摻雜效應(yīng)，材料本身同時具有p型和n型導(dǎo)電特性，大部分缺陷態(tài)為淺能級，不會成為載流子復(fù)合中心，這種高缺陷容忍度有利于采用液相法等低成本制備工藝，大幅降低器件生產(chǎn)成本。

2 鈣鈦礦材料在新能源發(fā)展中的應(yīng)用分析

2. 1 鈣鈦礦太陽能電池

鈣鈦礦太陽能電池是一種利用鈣鈦礦材料獨(dú)特的光電性能實(shí)現(xiàn)高效光電轉(zhuǎn)換的新型光伏器件。鈣鈦礦材料是一類結(jié)構(gòu)類似于鈣鈦礦礦物CaTiO3的有機(jī)-無機(jī)雜化鹵化物化合物，通常由有機(jī)陽離子（如甲胺CH3NH3+）、金屬陽離子（如鉛Pb2+）和鹵素陰離子（如碘I?、溴Br?、氯Cl?）組成，呈現(xiàn)出ABX3型晶體結(jié)構(gòu)。這種特殊的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)賦予了鈣鈦礦材料優(yōu)異的光電性能，如高吸收系數(shù)（104～105 cm-1）、長激子擴(kuò)散長度（20～300 nm）、可調(diào)帶隙（1. 0～3. 1 eV）、無耗散載流子復(fù)合、雙極性離子遷移等，理論上其光伏效率可達(dá)33%，是當(dāng)前最有希望突破效率瓶頸的新型光伏材料。

鈣鈦礦太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)類似于固態(tài)染料敏化電池或鈣鈦礦發(fā)光二極管，采用夾心式平面或梯度結(jié)構(gòu)，將鈣鈦礦光活性層夾在電子傳輸層和空穴傳輸層之間。在太陽光照射下，鈣鈦礦層吸收光子產(chǎn)生電子－空穴對，電子被傳輸?shù)诫娮觽鬏攲永^而被收集，空穴被傳輸?shù)娇昭▊鬏攲邮占?，從而?shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。自2009年利用液態(tài)電解質(zhì)的鈣鈦礦敏化電池實(shí)現(xiàn)3. 8%效率之后，鈣鈦礦電池效率通過材料優(yōu)化、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備工藝改進(jìn)不斷提高，到2020年已攀升至25. 5%，超過了最佳多晶硅電池。特別是2019年首次實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦/硅雙層疊加電池效率達(dá)28%，為進(jìn)一步提高效率指明了新方向。

2. 2 鈣鈦礦發(fā)光二極管

鈣鈦礦發(fā)光二極管（LED）是利用鈣鈦礦材料獨(dú)特的光致發(fā)光特性實(shí)現(xiàn)高效電致發(fā)光的新型顯示和照明器件。與有機(jī)LED相比，鈣鈦礦LED具有發(fā)光效率高、色域廣、響應(yīng)速度快、柔性好等優(yōu)勢。鈣鈦礦材料本身具有較寬的直接帶隙范圍和高的雙重激子結(jié)合能力，因此其LED器件最高外量子效率可達(dá)20%以上，顯色指數(shù)高達(dá)93以上，色飽和度極佳；開關(guān)比可達(dá)百萬量級，響應(yīng)速度極快；并且可以在柔性基底上制備，實(shí)現(xiàn)大面積柔性化顯示。

鈣鈦礦LED的基本結(jié)構(gòu)為夾心式，將鈣鈦礦發(fā)光層夾在電子注入層和空穴注入層之間，在施加電壓驅(qū)動下，注入的電子和空穴在發(fā)光層復(fù)合輻射出所需波長的光子。鈣鈦礦LED的關(guān)鍵是提高載流子注入效率和激子輻射復(fù)合效率。在材料和器件設(shè)計(jì)方面，研究人員通過表面/界面修飾、摻雜改性等策略提高材料穩(wěn)定性，降低缺陷態(tài)密度；采用低維鈣鈦礦量子點(diǎn)、鈣鈦礦納米片等新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高量子效率；在器件中采用空穴－電子平衡結(jié)構(gòu)、多層復(fù)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化載流子注入和傳輸；通過界面修飾、空間限域等方式抑制激子猝滅，延長激子壽命。在制備工藝方面，溶液法、噴墨打印等低成本技術(shù)為鈣鈦礦LED的大面積、柔性化制備提供了途徑。

2. 3 鈣鈦礦光催化劑

鈣鈦礦光催化劑是利用鈣鈦礦材料獨(dú)特的光電轉(zhuǎn)換特性和表面反應(yīng)活性，在太陽光照射下驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)的新型催化材料。鈣鈦礦材料具有帶隙窄、吸光范圍寬、載流子壽命長、表面反應(yīng)位點(diǎn)多等優(yōu)異光電化學(xué)性能，使其在太陽燃料制備、二氧化碳還原和污染物降解等光催化領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。以光解水制氫為例，鈣鈦礦CsPbBr3量子點(diǎn)光催化劑的產(chǎn)氫速率高達(dá)9. 6 mmol/（h·g），是典型光催化劑TiO2的近百倍。

鈣鈦礦光催化劑的高效性主要源于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)特征，能夠有效促進(jìn)光生電荷分離傳輸和表面催化反應(yīng)。為進(jìn)一步提高鈣鈦礦光催化劑的性能，研究人員采取了多種策略：在催化劑設(shè)計(jì)方面，通過形貌調(diào)控、表面修飾、助催化劑耦合等方式優(yōu)化光生載流子分離傳輸，抑制電荷復(fù)合；通過能帶工程、界面工程、光譜敏化等策略拓寬光響應(yīng)范圍，提高太陽能轉(zhuǎn)化效率。在反應(yīng)體系優(yōu)化方面，通過pH調(diào)控、添加劑優(yōu)選、溫度控制等措施提高析氫動力學(xué)，抑制催化劑光腐蝕，延長使用壽命。在工藝開發(fā)方面，通過光電耦合、光熱耦合、光生物耦合等新型多功能集成體系，充分利用太陽能多種屬性，極大提升了太陽燃料制備效率。

3 鈣鈦礦材料在新能源發(fā)展中的經(jīng)濟(jì)效益評估

2021 年，全球鈣鈦礦太陽能電池投融資規(guī)模已突破100 億元，包括英國Oxford PV、美國Swift Solar 和波蘭SauleTechnologies等一批鈣鈦礦光伏企業(yè)先后實(shí)現(xiàn)大額融資，國內(nèi)也涌現(xiàn)出睿納新材料、大灣區(qū)聯(lián)盟等一批鈣鈦礦光伏企業(yè)。與此同時，包括通用電氣、旭化成、樂金和TCL等全球領(lǐng)先企業(yè)也紛紛布局鈣鈦礦光伏，帶動產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)快速集聚。顯示照明領(lǐng)域，三星及LG等巨頭也加速在鈣鈦礦量子點(diǎn)領(lǐng)域的專利布局，提升新型顯示的技術(shù)門檻。從產(chǎn)業(yè)鏈來看，鈣鈦礦材料產(chǎn)業(yè)涉及上游原材料、中游器件制造、下游系統(tǒng)應(yīng)用等多個環(huán)節(jié)，為產(chǎn)業(yè)鏈各企業(yè)帶來廣闊的市場空間和盈利機(jī)會。上游原材料環(huán)節(jié)，鈣鈦礦原材料需求激增將帶動碘化鉛、碘化鋰和甲胺氣體等原料市場快速擴(kuò)張，為相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)創(chuàng)造可觀利潤。以碘化鉛為例，隨著鈣鈦礦電池產(chǎn)能擴(kuò)張，預(yù)計(jì)到2025年全球碘化鉛需求量將突破2000 噸，相應(yīng)的市場規(guī)模有望超過20億元人民幣。中游制造環(huán)節(jié)，鈣鈦礦材料性能優(yōu)異、工藝簡單，可大幅降低器件制造門檻，為中小企業(yè)提供了切入新能源領(lǐng)域的機(jī)會。據(jù)測算，兆瓦級鈣鈦礦電池產(chǎn)線投資成本僅為晶硅電池的1/3，且具備柔性、輕量化制造優(yōu)勢，有利于分布式光伏的推廣普及。此外，鈣鈦礦光伏組件可采用疊層、光譜拆分等方式與現(xiàn)有光伏電站融合，進(jìn)一步提升發(fā)電效率，為電站投資商和業(yè)主創(chuàng)造更多收益。下游應(yīng)用環(huán)節(jié)，憑借高效、柔性、透明、多彩等特性，鈣鈦礦光伏將催生建筑光伏幕墻、汽車車頂光伏、便攜式充電寶等一系列創(chuàng)新應(yīng)用，拓展傳統(tǒng)光伏市場邊界。如在建筑光伏一體化（BIPV）領(lǐng)域，鈣鈦礦組件發(fā)電效率可比普通光伏玻璃提高30%以上，且可賦予建筑更多的審美功能，市場規(guī)模有望達(dá)到千億元量級。

從宏觀經(jīng)濟(jì)角度分析，發(fā)展鈣鈦礦新能源產(chǎn)業(yè)對促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長、推動能源轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和具有重要意義。一方面，鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)體量大、鏈條長、附加值高，是重要的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。以光伏產(chǎn)業(yè)為例，據(jù)測算，當(dāng)前光伏制造業(yè)對GDP的拉動系數(shù)高達(dá)0. 14，是一般制造業(yè)的2倍。未來隨著鈣鈦礦光伏的崛起，有望再造一個萬億級產(chǎn)業(yè)集群，對拉動內(nèi)需、穩(wěn)定就業(yè)發(fā)揮積極作用。另一方面，以鈣鈦礦為代表的新能源技術(shù)有望大幅降低新能源發(fā)電成本，加速石化能源替代，為“30·60”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供有力支撐。目前光伏發(fā)電已具備平價(jià)上網(wǎng)條件，未來在鈣鈦礦等新材料推動下，有望進(jìn)一步降低至火電標(biāo)桿電價(jià)的50%以下，屆時將全面取代化石能源，成為電力供應(yīng)主體。與此同時，在“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)引領(lǐng)下，鈣鈦礦光伏、鈣鈦礦光催化等低碳技術(shù)路線有望獲得更多政策支持，在“雙碳”新賽道中占據(jù)重要地位。

從全球市場來看，鈣鈦礦新能源產(chǎn)業(yè)正成為各國爭奪的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。歐美日韓等發(fā)達(dá)國家紛紛加大研發(fā)投入，搶占鈣鈦礦技術(shù)先發(fā)優(yōu)勢。如英國牛津大學(xué)成立了專門的鈣鈦礦光伏研究中心，并孵化出Oxford PV 和Helio DisplayMaterials等一批鈣鈦礦材料初創(chuàng)企業(yè)。日本政府將鈣鈦礦太陽能電池列為國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，旭化成和三菱化學(xué)等日企積極布局鈣鈦礦領(lǐng)域。而發(fā)展中國家也將鈣鈦礦技術(shù)視為彎道超車的重要抓手。印度高級研究中心成立了專門的鈣鈦礦光伏實(shí)驗(yàn)室，力爭成為該領(lǐng)域的全球研究中心。沙特和阿聯(lián)酋等中東產(chǎn)油國也加大鈣鈦礦技術(shù)投資，謀求實(shí)現(xiàn)從“石油經(jīng)濟(jì)”向“陽光經(jīng)濟(jì)”的轉(zhuǎn)型。在全球市場爭奪中，中國具備完整的光伏產(chǎn)業(yè)鏈和充足的市場空間優(yōu)勢，在鈣鈦礦技術(shù)產(chǎn)業(yè)化方面已躋身第一梯隊(duì)。

張偉（ 鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院經(jīng)濟(jì)學(xué)院， 鄭州 450046）