891
“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化太陽能量，世界清潔明亮，切片太陽能電池已成為久遠的往事。”國內一位光伏科學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的發(fā)展之路，成為第三代光伏技術的焦點。協(xié)鑫光電董事長范斌表示，鈣鈦礦技術不僅可以打破晶硅電池技術轉換效率的理論“天花板”，還可以降低光伏產業(yè)度電成本，是唯一具有商業(yè)化應用前景的新興光伏技術。
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。它的結構類似于“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生“電子-空穴對”。電子傳輸層將分離出來的電子傳輸到負極上；空穴傳輸層則將與電子分離的空穴傳輸到正極上，在外電路形成電荷定向移動，從而產生電流，實現光能向電能的轉換。
中國光伏行業(yè)協(xié)會相關負責人告訴《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，生產耗時短、能耗低，生產成本僅為晶硅的50%，徹底顛覆了晶硅冗長、復雜的生產工藝。
來源：極電光能
南京大學現代工程與應用科學學院教授譚海仁指出：“目前，傳統(tǒng)的晶硅單結太陽能電池遭遇了兩個發(fā)展瓶頸，一是現有的工業(yè)生產能力已經逼近晶硅單結太陽能電池光電轉化效率的極限；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，生產成本更低、更節(jié)能的鈣鈦礦電池，被視為近年來光伏產業(yè)發(fā)展的新機遇。”
“鈣鈦礦技術不僅可以打破晶硅電池技術轉換效率的理論‘天花板’，還可以降低光伏產業(yè)度電成本，是唯一具有商業(yè)化應用前景的新興光伏技術。”范斌說，“鈣鈦礦太陽能電池大規(guī)模進入市場之后，憑借更高的光電轉化效率和顯著下降的成本，有機會在較短時間內成為市場主流。”
因“天賦異稟”，鈣鈦礦太陽能電池獲得了國家“點名”認可。今年以來，國家層面出臺不少政策積極推進鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展。
《“十四五”能源領域科技創(chuàng)新規(guī)劃》指出，要開展高效鈣鈦礦電池制備與產業(yè)化生產技術的示范試驗，具體包括：研制基于溶液法與物理法的鈣鈦礦電池量產工藝制程設備，開發(fā)高可靠性組件級聯與封裝技術，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業(yè)化生產技術研究。
《科技支撐碳達峰碳中和實施方案（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。近日發(fā)布的《關于推動能源電子產業(yè)發(fā)展的指導意見（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技術的研發(fā)應用，提升規(guī)?；慨a能力。
“目前，中國鈣鈦礦電池在全球處于領先水平，組件量產進度最快，尺寸最大，效率最高。”范斌說。
2022年是鈣鈦礦產業(yè)化元年？
基于鈣鈦礦太陽能電池具備的諸多優(yōu)點，新能源產業(yè)鏈企業(yè)紛紛進行相關布局。據記者不完全統(tǒng)計，目前已有近二十家上市公司表現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的研究與開發(fā)。
中來股份在回復投資者時表示，公司的鈣鈦礦疊層電池正在研發(fā)中，現階段重點在進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的關注和研發(fā)儲備，聆達股份、拓日新能、京山輕機開始布局該技術的產業(yè)化能力。新能源裝備廠商捷佳偉創(chuàng)的鈣鈦礦整線設備也進入研發(fā)階段。
在此背景下，鈣鈦礦電池的產業(yè)化前景也越來越清晰。不少企業(yè)更是先行一步，率先推進鈣鈦礦電池量產。
協(xié)鑫光電生產的尺寸為1m × 2m的全球最大尺寸鈣鈦礦組件已經下線，投建的全球首條100兆瓦量產線已在昆山完成廠房和主要硬件建設，計劃2023年投入量產。
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備已經入場安裝調試，今年第四季度將全面投產；其全球首條吉瓦級生產線也將于2023年啟動建設，計劃在2024年正式投產，至2026年建成10吉瓦的產能。
杭蕭鋼構在互動平臺上稱，其子公司合特光電計劃2022年底投產首條晶硅薄膜+鈣鈦礦疊層電池中試線，目標轉化效率為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)貨數量為5000片，用于省內工商業(yè)分布式鈣鈦礦電站。
極電光能聯合創(chuàng)始人、總裁于振瑞將2022年視作鈣鈦礦產業(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。這標志著鈣鈦礦技術正式從實驗室走向工廠。在中試線上，量產工藝及量產設備、自動化連續(xù)生產等都會得到驗證。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㎡的效率達到19.01%，30cm ×30c㎡的效率達到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各類BIPV發(fā)電建材產品，以及用于地面及工業(yè)屋頂分布式光伏電站的標準組件產品。
圖為極電光能不同尺寸的鈣鈦礦組件的效率
范斌表示，協(xié)鑫光電100兆瓦生產線產品整體尺寸為1m×2m，效率預計在2023年達到18%，2024年達到20%。該生產線產品主要給客戶試用，同時還將用于建設示范電站，讓客戶和市場接受鈣鈦礦。“現在最關鍵是把100兆瓦線跑通，而這也是最艱難的一步，100兆瓦如果打通了，后面擴充到1吉瓦、10吉瓦就會容易很多。”范斌說。
鈣鈦礦光伏技術未來可期
盡管在理論上有諸多優(yōu)點，但作為一種全新的光伏技術，鈣鈦礦電池在商業(yè)化過程中仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。
中國科學院電工研究所太陽電池技術研究部主任王文靜表示，從產業(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到幾千小時，遠低于晶硅電池。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。“如何從實驗室的小面積，擴展到實際應用場景中的大面積，是其商業(yè)化需要面臨的一個嚴峻挑戰(zhàn)。”王文靜說。
范斌坦言：“目前整個鈣鈦礦技術的發(fā)展正處于從無到有的階段，設備全新，供應鏈全新，工藝技術全新。這其中，最大的難度在于產品的良率。”據了解，鈣鈦礦材料本身的結晶時間短，生產中的工藝窗口時間只有幾秒，造成了生產上的困難。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)內對鈣鈦礦電池的未來仍持樂觀態(tài)度。
“有觀點認為鈣鈦礦電池穩(wěn)定性差、壽命短，這其實是一種誤解。”范斌告訴《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。”此外，光伏組件的產品維度單一，每年能帶來多少收益，是可以準確計算出來的，度電成本是唯一的指標。“鈣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。
于振瑞認為，未來兩年是鈣鈦礦太陽能電池“培育市場”的關鍵時期。隨著幾條百兆瓦級試制線的投產，各種不同場景下的示范應用會逐漸展開。這些應用項目將積累足夠的實證數據，讓客戶看到鈣鈦礦組件在各種不同的實際應用場景下的發(fā)電能力和穩(wěn)定性。他預計，到2025年，鈣鈦礦技術將邁過與晶硅技術正面競爭的閾值門檻，占據度電成本的優(yōu)勢地位，進一步加速放量。
于振瑞表示，未來光伏市場上將是多種技術并存的局面。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；在一些土地資源稀缺、單位面積內需要安裝更多光伏裝機的情況下，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；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）市場上占據競爭優(yōu)勢。
作者丨張維佳
編輯丨趙晨
美編丨馬利亞
監(jiān)制丨連曉東
