鈣鈦礦，下一代光伏技術(shù)方向？

中國電子報張維佳 · 2022-09-26 13:53:57

鈣鈦礦太陽能電池，這個名字在今年的光伏行業(yè)聲名鵲起。......

“那是一個理想的世界，人們通過簡單布涂鈣鈦礦材料就可以輕松獲取和轉(zhuǎn)化太陽能量，世界清潔明亮，切片太陽能電池已成為久遠(yuǎn)的往事?！眹鴥?nèi)一位光伏科學(xué)家曾這樣描繪光伏電池的未來。

鈣鈦礦太陽能電池，這個名字在今年的光伏行業(yè)聲名鵲起。高效率、低成本、易制備，它以十年的時間走完晶硅太陽能電池近半個世紀(jì)的發(fā)展之路，成為第三代光伏技術(shù)的焦點。協(xié)鑫光電董事長范斌表示，鈣鈦礦技術(shù)不僅可以打破晶硅電池技術(shù)轉(zhuǎn)換效率的理論“天花板”，還可以降低光伏產(chǎn)業(yè)度電成本，是唯一具有商業(yè)化應(yīng)用前景的新興光伏技術(shù)。

晶硅太陽能電池的“顛覆者”？

鈣鈦礦太陽能電池是以鈣鈦礦型（ABX3型）晶體作為吸光層材料的電池。它的結(jié)構(gòu)類似于“三明治”。兩個電極像三明治的兩片面包分別位于最外層，由外向內(nèi)挨著電極的是空穴傳輸層和電子傳輸層，而鈣鈦礦層則居于最中間。

圖為協(xié)鑫光電鈣鈦礦太陽能電池

作為新一代太陽能電池，鈣鈦礦電池的工作原理與傳統(tǒng)太陽能電池相似。當(dāng)陽光照在電池上，光子能量高于帶隙時，鈣鈦礦層就會吸收光子并產(chǎn)生“電子-空穴對”。電子傳輸層將分離出來的電子傳輸?shù)截?fù)極上；空穴傳輸層則將與電子分離的空穴傳輸?shù)秸龢O上，在外電路形成電荷定向移動，從而產(chǎn)生電流，實現(xiàn)光能向電能的轉(zhuǎn)換。

中國光伏行業(yè)協(xié)會相關(guān)負(fù)責(zé)人告訴《中國電子報》記者，和晶硅太陽能電池相比，鈣鈦礦太陽能電池有三大優(yōu)勢。一是成本低。鈣鈦礦太陽能電池原材料豐富，不受稀有金屬元素的儲量限制，光吸收系數(shù)高，1微米的厚度即可吸收超過90%的太陽光，原材料成本是傳統(tǒng)晶硅的1/20。二是效率高。目前，鈣鈦礦鈣電池的實驗室效率為25.8%，與晶硅電池的26.5%相差無幾。但其理論極限為33%，高于晶體硅電池的29.4%，并且可以疊加在各種電池材料表面制成更高效的疊層電池。三是易制備。鈣鈦礦組件制備僅需單一工廠，生產(chǎn)耗時短、能耗低，生產(chǎn)成本僅為晶硅的50%，徹底顛覆了晶硅冗長、復(fù)雜的生產(chǎn)工藝。

南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院教授譚海仁指出：“目前，傳統(tǒng)的晶硅單結(jié)太陽能電池遭遇了兩個發(fā)展瓶頸，一是現(xiàn)有的工業(yè)生產(chǎn)能力已經(jīng)逼近晶硅單結(jié)太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率的極限；二是成本高、能耗大，將石英砂提煉為工業(yè)硅，制成單晶硅的過程，需要超過1000℃的高溫，而鈣鈦礦太陽能電池的制備只需要大約100℃。在這種情況下，生產(chǎn)成本更低、更節(jié)能的鈣鈦礦電池，被視為近年來光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新機(jī)遇?！?/p>

“鈣鈦礦技術(shù)不僅可以打破晶硅電池技術(shù)轉(zhuǎn)換效率的理論‘天花板’，還可以降低光伏產(chǎn)業(yè)度電成本，是唯一具有商業(yè)化應(yīng)用前景的新興光伏技術(shù)?！狈侗笳f，“鈣鈦礦太陽能電池大規(guī)模進(jìn)入市場之后，憑借更高的光電轉(zhuǎn)化效率和顯著下降的成本，有機(jī)會在較短時間內(nèi)成為市場主流。”

因“天賦異稟”，鈣鈦礦太陽能電池獲得了國家“點名”認(rèn)可。今年以來，國家層面出臺不少政策積極推進(jìn)鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展。

《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》指出，要開展高效鈣鈦礦電池制備與產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)的示范試驗，具體包括：研制基于溶液法與物理法的鈣鈦礦電池量產(chǎn)工藝制程設(shè)備，開發(fā)高可靠性組件級聯(lián)與封裝技術(shù)，研發(fā)大面積、高效率、高穩(wěn)定性、環(huán)境友好型的鈣鈦礦電池；開展晶體硅/鈣鈦礦、鈣鈦礦/鈣鈦礦等高效疊層電池制備及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)研究。

《科技支撐碳達(dá)峰碳中和實施方案（2022—2030年）》提出，研發(fā)高效硅基光伏電池、高效穩(wěn)定鈣鈦礦電池等技術(shù)。近日發(fā)布的《關(guān)于推動能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見（征求意見稿）》中也要求，加快智能光伏創(chuàng)新突破，支持鈣鈦礦及疊層電池等先進(jìn)技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，提升規(guī)?；慨a(chǎn)能力。

“目前，中國鈣鈦礦電池在全球處于領(lǐng)先水平，組件量產(chǎn)進(jìn)度最快，尺寸最大，效率最高?！狈侗笳f。

2022年是鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化元年？

基于鈣鈦礦太陽能電池具備的諸多優(yōu)點，新能源產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)紛紛進(jìn)行相關(guān)布局。據(jù)記者不完全統(tǒng)計，目前已有近二十家上市公司表現(xiàn)了對鈣鈦礦太陽能電池的興趣。

隆基綠能目前擁有鈣鈦礦相關(guān)專利20項。

通威股份在今年半年報中提到，公司已全面展開了對鈣鈦礦/硅疊層電池等前沿技術(shù)的研究與開發(fā)。

中來股份在回復(fù)投資者時表示，公司的鈣鈦礦疊層電池正在研發(fā)中，現(xiàn)階段重點在進(jìn)行與鈣鈦礦電池相匹配的底層電池的研發(fā)。

寧德時代董事長曾毓群在今年5月份召開的業(yè)績說明會上表示，公司鈣鈦礦光伏電池研究進(jìn)展順利，正在搭建中試線。

此外，晶科能源、東方日升等光伏行業(yè)的一體化龍頭企業(yè)也表示對鈣鈦礦技術(shù)的關(guān)注和研發(fā)儲備，聆達(dá)股份、拓日新能、京山輕機(jī)開始布局該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化能力。新能源裝備廠商捷佳偉創(chuàng)的鈣鈦礦整線設(shè)備也進(jìn)入研發(fā)階段。

在此背景下，鈣鈦礦電池的產(chǎn)業(yè)化前景也越來越清晰。不少企業(yè)更是先行一步，率先推進(jìn)鈣鈦礦電池量產(chǎn)。

協(xié)鑫光電生產(chǎn)的尺寸為1m × 2m的全球最大尺寸鈣鈦礦組件已經(jīng)下線，投建的全球首條100兆瓦量產(chǎn)線已在昆山完成廠房和主要硬件建設(shè)，計劃2023年投入量產(chǎn)。

圖為協(xié)鑫光電鈣鈦礦太陽能電池生產(chǎn)線

極電光能全球規(guī)模最大的150兆瓦鈣鈦礦光伏組件試制線設(shè)備已經(jīng)入場安裝調(diào)試，今年第四季度將全面投產(chǎn)；其全球首條吉瓦級生產(chǎn)線也將于2023年啟動建設(shè)，計劃在2024年正式投產(chǎn)，至2026年建成10吉瓦的產(chǎn)能。

杭蕭鋼構(gòu)在互動平臺上稱，其子公司合特光電計劃2022年底投產(chǎn)首條晶硅薄膜+鈣鈦礦疊層電池中試線，目標(biāo)轉(zhuǎn)化效率為28%以上。

纖納光電在浙江衢州舉行了首批α組件的發(fā)貨儀式，發(fā)貨數(shù)量為5000片，用于省內(nèi)工商業(yè)分布式鈣鈦礦電站。

極電光能聯(lián)合創(chuàng)始人、總裁于振瑞將2022年視作鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化元年。他告訴《中國電子報》記者，今年，極電光能鈣鈦礦太陽能電池正式走上中試線階段。這標(biāo)志著鈣鈦礦技術(shù)正式從實驗室走向工廠。在中試線上，量產(chǎn)工藝及量產(chǎn)設(shè)備、自動化連續(xù)生產(chǎn)等都會得到驗證。他透露，目前，極光電能鈣鈦礦太陽能電池組件在10x10c㎡的尺寸上效率超過20%，20cm ×20c㎡的效率達(dá)到19.01%，30cm ×30c㎡的效率達(dá)到18.93%。計劃用兩年左右的時間，將試制線組件的效率做到20%以上。依托于該試制線，未來兩年極電光能將向市場上供應(yīng)各類BIPV發(fā)電建材產(chǎn)品，以及用于地面及工業(yè)屋頂分布式光伏電站的標(biāo)準(zhǔn)組件產(chǎn)品。

范斌表示，協(xié)鑫光電100兆瓦生產(chǎn)線產(chǎn)品整體尺寸為1m×2m，效率預(yù)計在2023年達(dá)到18%，2024年達(dá)到20%。該生產(chǎn)線產(chǎn)品主要給客戶試用，同時還將用于建設(shè)示范電站，讓客戶和市場接受鈣鈦礦?！艾F(xiàn)在最關(guān)鍵是把100兆瓦線跑通，而這也是最艱難的一步，100兆瓦如果打通了，后面擴(kuò)充到1吉瓦、10吉瓦就會容易很多?！狈侗笳f。

鈣鈦礦光伏技術(shù)未來可期

盡管在理論上有諸多優(yōu)點，但作為一種全新的光伏技術(shù)，鈣鈦礦電池在商業(yè)化過程中仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。

中國科學(xué)院電工研究所太陽電池技術(shù)研究部主任王文靜表示，從產(chǎn)業(yè)化角度來看，鈣鈦礦電池有兩個顯著缺點，一是穩(wěn)定性較差，二是在大面積應(yīng)用時效率損失問題。他解釋，鈣鈦礦電池具有易氧化、不耐高溫等特點，穩(wěn)定性較差、壽命較短。目前已報道的鈣鈦礦電池最長工作壽命往往只能達(dá)到幾千小時，遠(yuǎn)低于晶硅電池。此外，目前實驗室里制造的鈣鈦礦電池面積較小，與市場需要的太陽能電池在尺寸上相距甚遠(yuǎn)。“如何從實驗室的小面積，擴(kuò)展到實際應(yīng)用場景中的大面積，是其商業(yè)化需要面臨的一個嚴(yán)峻挑戰(zhàn)?！蓖跷撵o說。

范斌坦言：“目前整個鈣鈦礦技術(shù)的發(fā)展正處于從無到有的階段，設(shè)備全新，供應(yīng)鏈全新，工藝技術(shù)全新。這其中，最大的難度在于產(chǎn)品的良率?！睋?jù)了解，鈣鈦礦材料本身的結(jié)晶時間短，生產(chǎn)中的工藝窗口時間只有幾秒，造成了生產(chǎn)上的困難。除此以外，在制備鈣鈦礦電池的過程中，一個壞點、一個灰塵都有可能影響整個電池面板的效率，影響了其大面積應(yīng)用時的效率。因此，如何讓鈣鈦礦的薄膜更加致密平整，以及如何保證環(huán)境清潔、避免灰塵等因素干擾，成為眼下亟須解決的問題。

盡管如此，業(yè)內(nèi)對鈣鈦礦電池的未來仍持樂觀態(tài)度。

“有觀點認(rèn)為鈣鈦礦電池穩(wěn)定性差、壽命短，這其實是一種誤解?！狈侗蟾嬖V《中國電子報》記者，“實驗證明，晶硅電池在連續(xù)工作1000~2000小時左右就會有衰減，而鈣鈦礦電池連續(xù)工作1.2萬小時都不會有衰減。它的穩(wěn)定性和壽命實際上是優(yōu)于晶硅電池的?！贝送?，光伏組件的產(chǎn)品維度單一，每年能帶來多少收益，是可以準(zhǔn)確計算出來的，度電成本是唯一的指標(biāo)?！扳}鈦礦太陽能電池實際效率和晶硅太陽能電池差距不大，但組件成本僅為晶硅電池的一半，能為客戶提供更好的投資回報率，將具有極大的市場空間。”范斌說。

于振瑞認(rèn)為，未來兩年是鈣鈦礦太陽能電池“培育市場”的關(guān)鍵時期。隨著幾條百兆瓦級試制線的投產(chǎn)，各種不同場景下的示范應(yīng)用會逐漸展開。這些應(yīng)用項目將積累足夠的實證數(shù)據(jù)，讓客戶看到鈣鈦礦組件在各種不同的實際應(yīng)用場景下的發(fā)電能力和穩(wěn)定性。他預(yù)計，到2025年，鈣鈦礦技術(shù)將邁過與晶硅技術(shù)正面競爭的閾值門檻，占據(jù)度電成本的優(yōu)勢地位，進(jìn)一步加速放量。

于振瑞表示，未來光伏市場上將是多種技術(shù)并存的局面。在大型地面光伏電站和工業(yè)屋頂分布式光伏電站上，發(fā)電成本是首要考慮的因素，而鈣鈦礦光伏組件由于具有成本優(yōu)勢而競爭力強(qiáng)；在一些土地資源稀缺、單位面積內(nèi)需要安裝更多光伏裝機(jī)的情況下，例如戶用屋頂光伏電站，晶硅與鈣鈦礦的疊層電池由于具備高效率的優(yōu)勢而競爭力強(qiáng)；此外，鈣鈦礦由于外觀漂亮，能與建材更好地集成，因而在光伏建筑一體化（BIPV）市場上占據(jù)競爭優(yōu)勢。

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