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鈣鈦礦太陽能光伏電池特點、產(chǎn)業(yè)布局與發(fā)展前瞻

發(fā)布時間:2020-10-29 來源:元祿光電

鈣鈦礦太陽能光伏電池是使用與鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)相似的半導(dǎo)體材料作為吸光材料的第三代薄膜太陽能光伏電池,具有光電轉(zhuǎn)換效率高、可柔性制備、低成本等突出優(yōu)勢,具有廣闊的應(yīng)用前景,有望引發(fā)相關(guān)領(lǐng)域的能源革命。其發(fā)展大致經(jīng)歷了三個發(fā)展階段:

 

第一代太陽能光伏電池,主要是單晶硅和多晶硅太陽能電池。經(jīng)過半個多世紀的持續(xù)發(fā)展,晶體硅太陽能電池制備工藝已經(jīng)十分成熟,單晶硅和多晶硅太陽能電池的實驗室轉(zhuǎn)換效率分別達到25.6%20.8%,已接近理論極限水平。憑借著較為成熟的技術(shù)與較高的光電轉(zhuǎn)換效率,晶體硅太陽能電池在光伏市場上占有89%的絕對市場份額。但由于硅基太陽能電池的高效率依賴于高純度的硅材料,使得其制造成本偏高。

 

第二代太陽能光伏電池,主要是非晶硅薄膜太陽能電池和晶硅薄膜太陽能電池。其中非晶硅的砷化鎵太陽能電池效率目前可達30%左右,但是價格昂貴,綜合性價比并不高,因此多用于對性能要求很高的太空飛行器領(lǐng)域。晶硅薄膜太陽能電池采用化學(xué)氣相沉積或者等離子增強化學(xué)氣相沉積法制備,但是硅基太陽能電池需要采用高純度的硅材料,使光伏成本偏高。而非晶硅薄膜太陽能電池需要采用稀土元素且制備過程中環(huán)境污染嚴重,導(dǎo)致難以進一步推廣。

 

第三代太陽能光伏電池,主要是鈣鈦礦太陽能電池、量子點太陽能電池、有機光伏電池等一些新概念光伏電池。其中基于染料敏化太陽能電池發(fā)展起來的鈣鈦礦太陽能光伏電池以其較高的光電轉(zhuǎn)換效率、較低的制造成本、可制備柔性結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢,成為最有發(fā)展前景第三代太陽能光伏電池。2009年首次提出鈣鈦礦太陽能光伏電池概念,2013年被美國《科學(xué)》雜志評為十大科學(xué)突破之一,2014年被Nature雜志評為最值得期待的科技突破之一,2016年在世界經(jīng)濟論壇上被譽為 “最具商業(yè)化潛力的十大新興技術(shù)” 之一,2017年被路透社列為諾貝爾化學(xué)獎的熱門提名。

 

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國外發(fā)展現(xiàn)狀

國外眾多高校、研究機構(gòu)開展了鈣鈦礦太陽能光伏技術(shù)研究,并創(chuàng)造了多次光電轉(zhuǎn)換效率的世界紀錄,已經(jīng)開始產(chǎn)業(yè)化推進。

 

英國牛津大學(xué)制備出全球首個介孔超結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能光伏電池,實現(xiàn)從傳統(tǒng)介觀鈣鈦礦太陽能光伏電池向平面鈣鈦礦太陽能光伏電池的過渡。201012月,牛津大學(xué)的Henry J. Snaith教授創(chuàng)立牛津光伏公司,突破鈣鈦礦太陽能光伏穩(wěn)定性等多項關(guān)鍵技術(shù),申請200多項專利,即將實現(xiàn)鈣鈦礦太陽能光伏電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。201812月,牛津光伏公司1平方厘米面積的鈣鈦礦-硅疊層太陽能電池效率達28%。該公司得到多家能源公司和投資機構(gòu)的戰(zhàn)略投資,正在建設(shè)250MW鈣鈦礦-硅疊層太陽能電池生產(chǎn)線,計劃2020年推出商業(yè)化產(chǎn)品。

 

瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的Michael Gr?tzel教授首創(chuàng)兩步連續(xù)沉積法制備鈣鈦礦薄膜電池,20166月試制出單元尺寸為32mm*24mm的鈣鈦礦太陽能光伏電池,光電轉(zhuǎn)換效率超過20%。20198月,韓國化學(xué)技術(shù)研究所與MIT合作創(chuàng)造了25.2%鈣鈦礦光伏效率(有效面積小于1平方厘米)。加拿大多倫多大學(xué)在低成本可印刷式鈣鈦礦太陽能光伏電池生產(chǎn)方面實現(xiàn)新突破,相關(guān)團隊生產(chǎn)的新型可印刷式鈣鈦礦型太陽能電池能夠在使用500小時后,仍維持原有效率的90%以上。美國杜克大學(xué)、斯坦福大學(xué)、國家可再生能源實驗室、內(nèi)布拉斯加-林肯大學(xué)、華盛頓大學(xué)等單位均開展了鈣鈦礦太陽能光伏技術(shù)的相關(guān)研究。

 

國外高校及相關(guān)公司開展了多項先期應(yīng)用探索,為鈣鈦礦太陽能光伏電池在多個領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了一定基礎(chǔ)。由于具備柔性、高轉(zhuǎn)換效率、低重量的特性,鈣鈦礦太陽能電池在基于太陽能動力的無人機、航天飛行器領(lǐng)域極具潛力。奧地利約翰內(nèi)斯普勒大學(xué)的研究人員使用3微米厚、穩(wěn)定12%轉(zhuǎn)換效率的鈣鈦礦太陽能光伏板(64個獨立光伏,單位重量功率值23W/g),為無人飛行器模型提供動力(翼展58cm)。

 

國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

總體上,我國鈣鈦礦太陽能光伏電池技術(shù)與國外先進水平基本持平,產(chǎn)業(yè)化工作正在積極推進。

 

上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院韓禮元教授團隊,2017年實現(xiàn)了有效面積36.1平方厘米、認證效率12.1%的大面積鈣鈦礦模塊的效率世界紀錄;團隊依托上海黎元新能源科技有限公司開展技術(shù)轉(zhuǎn)化以及光伏組件的產(chǎn)業(yè)化研發(fā)。

 

華中科技大學(xué)武漢光電國家實驗室韓宏偉教授團隊,2014年在美國《科學(xué)》雜志發(fā)表基于全印刷技術(shù)的介觀鈣鈦礦太陽能光伏技術(shù),實現(xiàn)了印刷介觀太陽能電池及光電器件關(guān)鍵技術(shù)的突破;2015年研制出6平米全印刷介觀鈣鈦礦太陽能光伏模組,應(yīng)用前景良好;同時,依托鄂州萬度光能有限責任公司進行全產(chǎn)業(yè)鏈布局一體化推進,旨在實現(xiàn)廉價光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)化。

 

武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國家重點實驗室印刷光電子實驗室程一兵教授團隊,實現(xiàn)了10厘米*10厘米鈣鈦礦光伏認證效率16.5%、7厘米*7厘米轉(zhuǎn)換效率達17.9%的鈣鈦礦光伏組件等杰出成果。

 

中科院半導(dǎo)體所游經(jīng)碧研究員團隊,2018年末刷新了鈣鈦礦光伏電池的轉(zhuǎn)換效率紀錄,經(jīng)美國可再生能源實驗室權(quán)威認證,轉(zhuǎn)換效率突破23.7%。

 

中科院化學(xué)研究所綠色印刷實驗室宋延林教授團隊,開展了柔性鈣鈦礦太陽能光伏研究,通過納米組裝-印刷方式制備出“蜂巢狀納米支架”,實現(xiàn)了柔性鈣鈦礦太陽能光伏更高的力學(xué)穩(wěn)定,有望為柔性可穿戴電子設(shè)備提供可靠電源,當前1平方厘米的柔性鈣鈦礦太陽能光伏的光電轉(zhuǎn)換效率達到12.32%

 

國內(nèi)多家商業(yè)公司正在積極推動鈣鈦礦太陽能光伏電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,如蘇州協(xié)鑫納米公司、杭州纖納光電公司、杭州眾能光電公司、上海黎元新能源公司、湖北萬度光能公司等。

蘇州協(xié)鑫納米公司生產(chǎn)的面積1300平方厘米鈣鈦礦太陽能光伏效率達13.48%,創(chuàng)造截至20199月世界最大面積鈣鈦礦光伏組件之最、大面積鈣鈦礦組件效率之最,目前正在建設(shè)100MW級鈣鈦礦電池生產(chǎn)線。

 

杭州眾能光電科技公司計劃百兆瓦級生產(chǎn)線2020年實現(xiàn)量產(chǎn),2021年推出GW級生產(chǎn)線。

另外,20198月,杭州纖納光電科技有限公司量產(chǎn)鈣鈦礦薄膜光伏模組(200-800平方厘米)認證效率超過11.98%,標志著商業(yè)化大組件的成功下線,目前正在建設(shè)20MW鈣鈦礦太陽能光伏生產(chǎn)線。萬度光能依托華中科技大學(xué)韓宏偉團隊技術(shù)研發(fā)基礎(chǔ),已建立110平方米可印刷鈣鈦礦太陽能光伏示范系統(tǒng)。

 

發(fā)展展望

鑒于鈣鈦礦太陽能電池的多方面綜合突出優(yōu)勢,以及國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)化進程的持續(xù)推進,可以預(yù)見,鈣鈦礦太陽能光伏電池將迎來快速發(fā)展和規(guī)模應(yīng)用階段。

 

1、效率持續(xù)提高,達到并超過市場主流產(chǎn)品水平

高光電轉(zhuǎn)換效率是眾多領(lǐng)域應(yīng)用的首要需求。2009年,世界上首次制備出鈣鈦礦太陽能光伏電池,轉(zhuǎn)換效率僅3.8%20198月,經(jīng)權(quán)威認證的鈣鈦礦太陽能光伏轉(zhuǎn)換效率已達25.2%。短短十年間,鈣鈦礦太陽能光伏的轉(zhuǎn)換效率已達到目前第一代單晶硅太陽能電池的水平。

鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)光電轉(zhuǎn)換材料具有吸光性能高、覆蓋光譜范圍寬等特點,單結(jié)鈣鈦礦太陽能光伏理論轉(zhuǎn)換效率約33%,雙結(jié)鈣鈦礦太陽能光伏理論轉(zhuǎn)換效率可達40%以上。預(yù)計,單結(jié)、雙結(jié)鈣鈦礦太陽能光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率將繼續(xù)不斷刷新紀錄。

 

2、成本穩(wěn)步降低,為規(guī)?;a(chǎn)業(yè)化應(yīng)用鋪平道路

鈣鈦礦材料來源豐富、儲量豐富,材料成本低,且鈣鈦礦材料配方可調(diào),選擇空間大。鈣鈦礦太陽能光伏制備工藝相對簡單,生產(chǎn)成本低,材料純度要求90%以上即可,而硅基太陽能電池必須使用99.9999%高純硅。此外,第二代的砷化鎵薄膜電池雖轉(zhuǎn)換效率達30%左右,但生產(chǎn)成本特別昂貴。預(yù)期,鈣鈦礦組件的制造成本可達到單晶硅組件成本的50%

國內(nèi)外多家公司正在大力推進鈣鈦礦太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化工作,相關(guān)產(chǎn)業(yè)化技術(shù)在不遠的將來可實現(xiàn)重大突破,并在多個典型領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)模應(yīng)用。預(yù)計,非柔性鈣鈦礦太陽能電池將首先實現(xiàn)規(guī)?;a(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,在一定程度上實現(xiàn)對其他太陽能電池的替代應(yīng)用。

 

3、大面積、輕質(zhì)化、柔性技術(shù),應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬

鈣鈦礦材料吸光系數(shù)大,光伏厚度僅需微米級就能實現(xiàn)太陽光的有效利用;與傳統(tǒng)光伏電池制備工藝相比,鈣鈦礦太陽能電池可在相對較低的溫度下制備,可采用輕薄、柔性基底,顯著降低光伏電池重量。

 

大面積高效柔性鈣鈦礦太陽能光伏規(guī)?;a(chǎn)設(shè)備目前尚處于試制、試驗階段,相關(guān)技術(shù)發(fā)展亟需代表性應(yīng)用領(lǐng)域的需求牽引,相關(guān)標準體系亟需建立。預(yù)計,在航空航天等典型領(lǐng)域應(yīng)用需求牽引下,大面積高效柔性鈣鈦礦太陽能光伏電池關(guān)鍵技術(shù)有望在三年左右時間實現(xiàn)突破,并實現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用。

 

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