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摘　要：在光伏發(fā)電競(jìng)價(jià)、平價(jià)上網(wǎng)已成為市場(chǎng)基本態(tài)勢(shì)的背景下，高光電轉(zhuǎn)換效率、低成本的光伏組件是 光伏產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展的必然需求。當(dāng)前，占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位的晶體硅光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率提升有限， 且生產(chǎn)成本持續(xù)上漲，而發(fā)展和應(yīng)用新一代高光電轉(zhuǎn)換效率、低成本的光伏發(fā)電技術(shù)是破局核心。鈣鈦礦太 陽(yáng)電池具有理論光電轉(zhuǎn)換效率高、峰瓦成本低、生產(chǎn)能耗小、功率溫升損失小等優(yōu)勢(shì)，發(fā)展?jié)摿薮?。根?jù) 當(dāng)前鈣鈦礦光伏組件的生產(chǎn)成本和技術(shù)水平，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行技術(shù)性及經(jīng)濟(jì)性分析，并與單晶硅光伏組件進(jìn)行 對(duì)比，分析鈣鈦礦光伏組件在集中式光伏電站中的應(yīng)用前景。 

關(guān)鍵詞：集中式光伏電站；鈣鈦礦光伏組件；光電轉(zhuǎn)換效率；成本；應(yīng)用前景 

中圖分類號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

　　截至 2020 年底，晶體硅光伏組件是市場(chǎng)的 絕對(duì)主流產(chǎn)品，市場(chǎng)占有率為 95.6%[1]。然而從 2019 年 7 月開始，硅料的價(jià)格持續(xù)上漲，截至 2021 年 5 月，PERC 單晶硅光伏組件的價(jià)格已增 至 1.7 元 /W[2]，導(dǎo)致光伏發(fā)電的度電成本也相應(yīng) 提高。 

　　鈣鈦礦太陽(yáng)電池是第三代太陽(yáng)電池的代表， 具有理論光電轉(zhuǎn)換效率高、峰瓦成本低、生產(chǎn) 能耗小、功率溫升損失小等優(yōu)勢(shì)，在提升光伏 電站發(fā)電量、降低度電成本方面具有非常大的應(yīng) 用潛力。但目前鈣鈦礦光伏組件的發(fā)展尚處于 初步階段，雖然鈣鈦礦太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效 率已接近晶體硅太陽(yáng)電池，然而在光伏組件制 作的過(guò)程中往往伴隨較高的光電轉(zhuǎn)換效率損 失，導(dǎo)致鈣鈦礦光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率比晶 體硅光伏組件的低。本文在研究鈣鈦礦太陽(yáng)電 池技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，根據(jù)當(dāng)前鈣鈦礦光伏組 件的生產(chǎn)成本和技術(shù)水平，對(duì)此類光伏組件進(jìn) 行技術(shù)性及經(jīng)濟(jì)性分析，并與單晶硅光伏組件 進(jìn)行對(duì)比，分析鈣鈦礦光伏組件在集中式光伏 電站中的應(yīng)用前景。 

1 鈣鈦礦技術(shù)概述 

1.1 鈣鈦礦太陽(yáng)電池的發(fā)展歷程

　　2009 年，Kojima 等 [3] 將 MAPbI3 及 MAPbBr3 作為染料劑應(yīng)用到液態(tài)染料敏化太陽(yáng)電 池中，但由于液態(tài)電解質(zhì)對(duì)鈣鈦礦材料有很強(qiáng)的 破壞作用，導(dǎo)致器件只能工作數(shù)秒，穩(wěn)定性非常差。2012 年，Kim 等 [4] 以 MAPbI3 作為敏化劑， 以 spiro-OMeTAD 作為空穴傳輸材料制備了鈣鈦 礦敏化太陽(yáng)電池，獲得了 9.7% 的光電轉(zhuǎn)換效率； 同年，Lee 等 [5] 以 Al2O3 作為支撐，制備了一種 具有介觀超結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽(yáng)電池，其光電轉(zhuǎn)換 效率達(dá)到 10.9%；2013 年，Burschka[6] 等進(jìn)一步通 過(guò)兩步法，基于 MAPbI3，以 spiro-OMeTAD 作為電子阻擋層及金對(duì)電極，獲得了光電轉(zhuǎn)換效率為 14.1% 的鈣鈦礦太陽(yáng)電池。2020 年，Zyga[7] 將鈣 鈦礦太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率提升至 25.5%。 

1.2 鈣鈦礦光伏組件技術(shù)的現(xiàn)狀

　　在鈣鈦礦太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率方面，2016 年，瑞士的 Gr?tzel 課題組利用真空閃蒸處理方 式，使面積為 1 cm2 的鈣鈦礦太陽(yáng)電池獲得了 19.6% 的光電轉(zhuǎn)換效率 [8]；韓國(guó)的 Seok 課題組 通過(guò)采用抑制鈣鈦礦中缺陷密度的方法，將鈣鈦 礦太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率提升至 19.7%[9]。對(duì) 于平面反式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)電池，2015 年日本 國(guó)立物質(zhì)材料研究所的韓禮元課題組報(bào)道了 面積為 1 cm2 的平面反式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)電池， 其光電轉(zhuǎn)換效率為 15.0%[10]；隨后該課題組進(jìn)一 步獲得了面積為 36 cm2 的微型鈣鈦礦光伏組件， 其光電轉(zhuǎn)換效率為 12.0% [11]。 

　　在鈣鈦礦太陽(yáng)電池穩(wěn)定性方面，中國(guó)華中 科技大學(xué)的韓宏偉團(tuán)隊(duì)研發(fā)的 3 層介觀結(jié)構(gòu)鈣 鈦礦太陽(yáng)電池，通過(guò)利用 5-AVA(5 氨基戊酸 ) 對(duì) MAPbI3 進(jìn)行修飾，實(shí)現(xiàn)了 IEC 61215: 2016-2 要 求的測(cè)試條件下持續(xù)大功率點(diǎn)跟蹤 (MPPT) 時(shí) 輸出功率無(wú)明顯衰減。3 層介觀結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng) 電池的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示 [12]。

2 鈣鈦礦光伏組件的應(yīng)用可行性分析

　　目前，鈣鈦礦光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率大 多在 14.0%～16.0% 之間，與單晶硅光伏組件 20.5% 的光電轉(zhuǎn)換效率仍存在一定差距。但在鈣 鈦礦太陽(yáng)電池發(fā)展的 10 余年中，其實(shí)驗(yàn)室光電 轉(zhuǎn)換效率已從 3.8% 提升至 25.5%，提升速度迅 速，因此，在未來(lái) 3～5 年內(nèi)，通過(guò)改進(jìn)生產(chǎn)工藝， 大面積鈣鈦礦光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率有望突 破 20.0%。 

　　在器件穩(wěn)定性方面，成熟穩(wěn)定的封裝工藝和 特殊的結(jié)構(gòu)都可以大幅提高光伏組件的穩(wěn)定性和 使用壽命。3 層介觀結(jié)構(gòu)鈣鈦礦光伏組件目前已 在實(shí)驗(yàn)室中證明了其穩(wěn)定性，在 9000 h 內(nèi) MPPT 情況下功率持續(xù)輸出無(wú)明顯衰減。 

　　從封裝工藝角度來(lái)看，目前晶體硅光伏組件 已有一套完善的封裝工藝，而鈣鈦礦光伏組件的 結(jié)構(gòu)與雙玻晶體硅光伏組件的結(jié)構(gòu)十分接近，因 此可以將雙玻晶體硅光伏組件的封裝工藝應(yīng)用到 鈣鈦礦光伏組件的生產(chǎn)線，這樣鈣鈦礦光伏組件 的封裝工藝將得到保障，該類光伏組件的使用壽 命有望達(dá)到 20～25 年。 

　　在成本方面，由于鈣鈦礦太陽(yáng)電池可與晶 體硅太陽(yáng)電池制成疊層鈣鈦礦太陽(yáng)電池，雖然疊 層技術(shù)路線的制造成本較高，但單位面積的疊層 鈣鈦礦光伏組件的輸出功率更高，因此可降低土 地、光伏支架、電纜等的建設(shè)成本。以目前各類 鈣鈦礦光伏技術(shù)路線中生產(chǎn)成本低、具商業(yè)潛力的 3 層介觀結(jié)構(gòu)鈣鈦礦光伏組件為例，按照 2020 年 7 月的物價(jià)對(duì)此類光伏組件的單位面積 生產(chǎn)成本進(jìn)行測(cè)算，測(cè)算結(jié)果如表 1 所示。 

　　從表 1 可以看出：3 層介觀結(jié)構(gòu)鈣鈦礦光伏 組件的單位面積生產(chǎn)成本為 121.06 元 /m2 。其中， 光伏組件的單位面積封裝成本為 86.50 元 /m2 ，占 其單位面積生產(chǎn)成本的 71.50%；太陽(yáng)電池的單 位面積印刷成本為 21.64 元 /m2 ，占其單位面積 生產(chǎn)成本的 17.90%。而封裝成本中，F(xiàn)TO 玻璃 成本占總封裝成本的 48.6%。因此，若想實(shí)現(xiàn)此 類光伏組件的產(chǎn)業(yè)化，那么需提升產(chǎn)業(yè)鏈中 FTO 玻璃的產(chǎn)能，當(dāng) FTO 玻璃成本下降，則鈣鈦礦 光伏組件的生產(chǎn)成本有望進(jìn)一步下降。

3 鈣鈦礦光伏組件應(yīng)用在集中式光伏電 站的經(jīng)濟(jì)性分析

　　以位于貴州省關(guān)嶺布依族苗族自治縣的某集 中式光伏電站為例，在該光伏電站分別使用單晶 硅光伏組件和鈣鈦礦光伏組件的情況下，對(duì)其建 造成本和內(nèi)部收益率進(jìn)行模擬分析，從而對(duì)比這 2 種光伏組件的經(jīng)濟(jì)效益。 

3.1太陽(yáng)能資源分析

總太陽(yáng)輻照量Q 的氣候?qū)W計(jì)算式為：

式中：Q0 為水平面天文輻照量；S 為日照百分率；ag、bg 均為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

在推算年總太陽(yáng)輻照量時(shí)，多是以季節(jié)( 月) 的實(shí)測(cè)太陽(yáng)輻照量數(shù)據(jù)與日照百分率等常規(guī)氣象數(shù)據(jù)來(lái)擬合得到經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，從而計(jì)算得到理論年總太陽(yáng)輻照量。

根據(jù)本光伏電站所在地附近的4 個(gè)氣象站( 興仁站、水城站、威寧站、紫云站) 在2011 年1 月至2016 年2 月期間觀測(cè)得到的各月太陽(yáng)輻照量數(shù)據(jù)與日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù)，分別計(jì)算得到各月的太陽(yáng)輻照百分率( 即Q/Q0) 和日照百分率，為分析這二者之間的關(guān)系，將相應(yīng)數(shù)據(jù)繪制到坐標(biāo)系中，具體如圖2 所示。

從圖2 可以看出：各月的太陽(yáng)輻照百分率和日照百分率具有較好的線性關(guān)系，且Q/Q0= 0.6259S+0.1639，R2 =0.80 。結(jié)合式(1) ，可得到經(jīng)驗(yàn)系數(shù)g、 bg 分別為0.1639 和0.6259 。在此基礎(chǔ)上可得到本光伏電站所在地的年總太陽(yáng)輻照量。

根據(jù)本光伏電站所在地多年內(nèi)各月太陽(yáng)輻照量數(shù)據(jù)，求平均值后可得到各月太陽(yáng)輻照量均值， 具體如表 2 所示。

從表 2 可以看出：本光伏電站所在地的全年總太陽(yáng)輻照量為4263.1MJ/平方米 。