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钙钛矿,下一代光伏技术方向?

作者:张维佳 来源:中国电子报 发布时间:2022-09-26 浏览:

中国储能网讯:“那是一个理想的世界,人们通过简单布涂钙钛矿材料就可以轻松获取和转化太阳能量,世界清洁明亮,切片太阳能电池已成为久远的往事。”国内一位光伏科学家曾这样描绘光伏电池的未来。

钙钛矿太阳能电池,这个名字在今年的光伏行业声名鹊起。高效率、低成本、易制备,它以十年的时间走完晶硅太阳能电池近半个世纪的发展之路,成为第三代光伏技术的焦点。协鑫光电董事长范斌表示,钙钛矿技术不仅可以打破晶硅电池技术转换效率的理论“天花板”,还可以降低光伏产业度电成本,是唯一具有商业化应用前景的新兴光伏技术。

晶硅太阳能电池的“颠覆者”?

钙钛矿太阳能电池是以钙钛矿型(ABX3型)晶体作为吸光层材料的电池。它的结构类似于“三明治”。两个电极像三明治的两片面包分别位于最外层,由外向内挨着电极的是空穴传输层和电子传输层,而钙钛矿层则居于最中间。

作为新一代太阳能电池,钙钛矿电池的工作原理与传统太阳能电池相似。当阳光照在电池上,光子能量高于带隙时,钙钛矿层就会吸收光子并产生“电子-空穴对”。电子传输层将分离出来的电子传输到负极上;空穴传输层则将与电子分离的空穴传输到正极上,在外电路形成电荷定向移动,从而产生电流,实现光能向电能的转换。

中国光伏行业协会相关负责人告诉《中国电子报》记者,和晶硅太阳能电池相比,钙钛矿太阳能电池有三大优势。一是成本低。钙钛矿太阳能电池原材料丰富,不受稀有金属元素的储量限制,光吸收系数高,1微米的厚度即可吸收超过90%的太阳光,原材料成本是传统晶硅的1/20。二是效率高。目前,钙钛矿钙电池的实验室效率为25.8%,与晶硅电池的26.5%相差无几。但其理论极限为33%,高于晶体硅电池的29.4%,并且可以叠加在各种电池材料表面制成更高效的叠层电池。三是易制备。钙钛矿组件制备仅需单一工厂,生产耗时短、能耗低,生产成本仅为晶硅的50%,彻底颠覆了晶硅冗长、复杂的生产工艺。

来源:极电光能

南京大学现代工程与应用科学学院教授谭海仁指出:“目前,传统的晶硅单结太阳能电池遭遇了两个发展瓶颈,一是现有的工业生产能力已经逼近晶硅单结太阳能电池光电转化效率的极限;二是成本高、能耗大,将石英砂提炼为工业硅,制成单晶硅的过程,需要超过1000℃的高温,而钙钛矿太阳能电池的制备只需要大约100℃。在这种情况下,生产成本更低、更节能的钙钛矿电池,被视为近年来光伏产业发展的新机遇。”

“钙钛矿技术不仅可以打破晶硅电池技术转换效率的理论‘天花板’,还可以降低光伏产业度电成本,是唯一具有商业化应用前景的新兴光伏技术。”范斌说,“钙钛矿太阳能电池大规模进入市场之后,凭借更高的光电转化效率和显著下降的成本,有机会在较短时间内成为市场主流。”

因“天赋异禀”,钙钛矿太阳能电池获得了国家“点名”认可。今年以来,国家层面出台不少政策积极推进钙钛矿太阳能电池发展。

《“十四五”能源领域科技创新规划》指出,要开展高效钙钛矿电池制备与产业化生产技术的示范试验,具体包括:研制基于溶液法与物理法的钙钛矿电池量产工艺制程设备,开发高可靠性组件级联与封装技术,研发大面积、高效率、高稳定性、环境友好型的钙钛矿电池;开展晶体硅/钙钛矿、钙钛矿/钙钛矿等高效叠层电池制备及产业化生产技术研究。

《科技支撑碳达峰碳中和实施方案(2022—2030年)》提出,研发高效硅基光伏电池、高效稳定钙钛矿电池等技术。近日发布的《关于推动能源电子产业发展的指导意见(征求意见稿)》中也要求,加快智能光伏创新突破,支持钙钛矿及叠层电池等先进技术的研发应用,提升规模化量产能力。

“目前,中国钙钛矿电池在全球处于领先水平,组件量产进度最快,尺寸最大,效率最高。”范斌说。

2022年是钙钛矿产业化元年?

基于钙钛矿太阳能电池具备的诸多优点,新能源产业链企业纷纷进行相关布局。据记者不完全统计,目前已有近二十家上市公司表现了对钙钛矿太阳能电池的兴趣。

隆基绿能目前拥有钙钛矿相关专利20项。

通威股份在今年半年报中提到,公司已全面展开了对钙钛矿/硅叠层电池等前沿技术的研究与开发。

中来股份在回复投资者时表示,公司的钙钛矿叠层电池正在研发中,现阶段重点在进行与钙钛矿电池相匹配的底层电池的研发。

宁德时代董事长曾毓群在今年5月份召开的业绩说明会上表示,公司钙钛矿光伏电池研究进展顺利,正在搭建中试线。

此外,晶科能源、东方日升等光伏行业的一体化龙头企业也表示对钙钛矿技术的关注和研发储备,聆达股份、拓日新能、京山轻机开始布局该技术的产业化能力。新能源装备厂商捷佳伟创的钙钛矿整线设备也进入研发阶段。

在此背景下,钙钛矿电池的产业化前景也越来越清晰。不少企业更是先行一步,率先推进钙钛矿电池量产。

协鑫光电生产的尺寸为1m × 2m的全球最大尺寸钙钛矿组件已经下线,投建的全球首条100兆瓦量产线已在昆山完成厂房和主要硬件建设,计划2023年投入量产。

图为协鑫光电钙钛矿太阳能电池生产线

极电光能全球规模最大的150兆瓦钙钛矿光伏组件试制线设备已经入场安装调试,今年第四季度将全面投产;其全球首条吉瓦级生产线也将于2023年启动建设,计划在2024年正式投产,至2026年建成10吉瓦的产能。

杭萧钢构在互动平台上称,其子公司合特光电计划2022年底投产首条晶硅薄膜+钙钛矿叠层电池中试线,目标转化效率为28%以上。

纤纳光电在浙江衢州举行了首批α组件的发货仪式,发货数量为5000片,用于省内工商业分布式钙钛矿电站。

极电光能联合创始人、总裁于振瑞将2022年视作钙钛矿产业化元年。他告诉《中国电子报》记者,今年,极电光能钙钛矿太阳能电池正式走上中试线阶段。这标志着钙钛矿技术正式从实验室走向工厂。在中试线上,量产工艺及量产设备、自动化连续生产等都会得到验证。他透露,目前,极光电能钙钛矿太阳能电池组件在10x10c㎡的尺寸上效率超过20%,20cm ×20c㎡的效率达到19.01%,30cm ×30c㎡的效率达到18.93%。计划用两年左右的时间,将试制线组件的效率做到20%以上。依托于该试制线,未来两年极电光能将向市场上供应各类BIPV发电建材产品,以及用于地面及工业屋顶分布式光伏电站的标准组件产品。

图为极电光能不同尺寸的钙钛矿组件的效率

范斌表示,协鑫光电100兆瓦生产线产品整体尺寸为1m×2m,效率预计在2023年达到18%,2024年达到20%。该生产线产品主要给客户试用,同时还将用于建设示范电站,让客户和市场接受钙钛矿。“现在最关键是把100兆瓦线跑通,而这也是最艰难的一步,100兆瓦如果打通了,后面扩充到1吉瓦、10吉瓦就会容易很多。”范斌说。

钙钛矿光伏技术未来可期 

尽管在理论上有诸多优点,但作为一种全新的光伏技术,钙钛矿电池在商业化过程中仍然面临诸多挑战。

中国科学院电工研究所太阳电池技术研究部主任王文静表示,从产业化角度来看,钙钛矿电池有两个显著缺点,一是稳定性较差,二是在大面积应用时效率损失问题。他解释,钙钛矿电池具有易氧化、不耐高温等特点,稳定性较差、寿命较短。目前已报道的钙钛矿电池最长工作寿命往往只能达到几千小时,远低于晶硅电池。此外,目前实验室里制造的钙钛矿电池面积较小,与市场需要的太阳能电池在尺寸上相距甚远。“如何从实验室的小面积,扩展到实际应用场景中的大面积,是其商业化需要面临的一个严峻挑战。”王文静说。

范斌坦言:“目前整个钙钛矿技术的发展正处于从无到有的阶段,设备全新,供应链全新,工艺技术全新。这其中,最大的难度在于产品的良率。”据了解,钙钛矿材料本身的结晶时间短,生产中的工艺窗口时间只有几秒,造成了生产上的困难。除此以外,在制备钙钛矿电池的过程中,一个坏点、一个灰尘都有可能影响整个电池面板的效率,影响了其大面积应用时的效率。因此,如何让钙钛矿的薄膜更加致密平整,以及如何保证环境清洁、避免灰尘等因素干扰,成为眼下亟须解决的问题。

尽管如此,业内对钙钛矿电池的未来仍持乐观态度。

“有观点认为钙钛矿电池稳定性差、寿命短,这其实是一种误解。”范斌告诉《中国电子报》记者,“实验证明,晶硅电池在连续工作1000~2000小时左右就会有衰减,而钙钛矿电池连续工作1.2万小时都不会有衰减。它的稳定性和寿命实际上是优于晶硅电池的。”此外,光伏组件的产品维度单一,每年能带来多少收益,是可以准确计算出来的,度电成本是唯一的指标。“钙钛矿太阳能电池实际效率和晶硅太阳能电池差距不大,但组件成本仅为晶硅电池的一半,能为客户提供更好的投资回报率,将具有极大的市场空间。”范斌说。

于振瑞认为,未来两年是钙钛矿太阳能电池“培育市场”的关键时期。随着几条百兆瓦级试制线的投产,各种不同场景下的示范应用会逐渐展开。这些应用项目将积累足够的实证数据,让客户看到钙钛矿组件在各种不同的实际应用场景下的发电能力和稳定性。他预计,到2025年,钙钛矿技术将迈过与晶硅技术正面竞争的阈值门槛,占据度电成本的优势地位,进一步加速放量。

于振瑞表示,未来光伏市场上将是多种技术并存的局面。在大型地面光伏电站和工业屋顶分布式光伏电站上,发电成本是首要考虑的因素,而钙钛矿光伏组件由于具有成本优势而竞争力强;在一些土地资源稀缺、单位面积内需要安装更多光伏装机的情况下,例如户用屋顶光伏电站,晶硅与钙钛矿的叠层电池由于具备高效率的优势而竞争力强;此外,钙钛矿由于外观漂亮,能与建材更好地集成,因而在光伏建筑一体化(BIPV)市场上占据竞争优势。

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