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鈣鈦礦第三代光伏技術產業(yè)概述

發(fā)布時間:2024-01-31 來源:元祿光電

鈣鈦礦是以俄羅斯礦物學家Perovski的名字命名的,最初單指鈦酸鈣(CaTiO3)這種礦物,后來把結構為ABX3以及與之類似的晶體統(tǒng)稱為鈣鈦礦物質。在此之后,鈣鈦礦優(yōu)異的性質被充分研究挖掘,成為了具有明顯優(yōu)勢的第三代光伏技術。經過不斷研究,鈣鈦礦電池效率也在快速攀升,并涌現(xiàn)出了多種技術路線,使其具備了未來挑戰(zhàn)晶硅光伏電池主導地位的實力。

下面我們將從鈣鈦礦材料的概念入手,了解其作用、優(yōu)勢及工作原理,并針對鈣鈦礦電池行業(yè)的產業(yè)鏈進行分析,詳細梳理鈣鈦礦電池的原料、技術路線、制備工藝、生產設備以及應用場景等內容,深度解析鈣鈦礦的產業(yè)發(fā)展。

01

行業(yè)概述


1、鈣鈦礦材料

鈣鈦礦是一類具有ABX3分子結構的晶體總稱,可用于制備鈣鈦礦太陽能電池。鈣鈦礦結構的化學通式中A位一般為原子半徑較小的陽離子(如Cs+、MA+、FA+等),B位為原子半徑較大的過渡金屬離子(如Sn2+、Pb2+等),X為鹵素陰離子(I-、Br-、Cl-等)。鈣鈦礦材料擁有優(yōu)越的電荷傳輸性質、長載流子擴散距離、全光譜吸收和高吸光系數(shù),因而可以有效吸收太陽光并高效地產生光生載流子,同時減少在光電轉換過程中的能量損失,是較為理想的光電材料。

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2、鈣鈦礦為優(yōu)勢明顯的第三代光伏技術

從1954年光伏電池誕生世界頭一塊太陽能電池,光伏電池技術迭代已經走過三代:

(1)初代是以晶硅為主的太陽能電池,主要應用場景為集中式光伏電站,目前技術較為成熟,但光電轉化效率已經接近上限,提效降本空間較為有限,邊際成本大幅升高。

(2)第二代以薄膜太陽能電池為主,典型代表為銅銦鎵硒(CIGS)、碲化鎘(CdTe)太陽能電池,主要應用場景為分布式光伏,實驗室小面積試件光電轉化效率高于晶硅電池,但實際應用中光電轉化效率低于晶硅,且造價較為昂貴。

(3)第三代為新型太陽能電池,主要包括:鈣鈦礦電池、染料敏化電池和量子點電池。

第三代鈣鈦礦電池為新型化合物薄膜太陽能電池,具備第二代薄膜電池效率提升速率快、成本低、材料可設計性強的優(yōu)勢,同時隨著商業(yè)化推進,有望彌補第二代面臨的量產表現(xiàn)與理論優(yōu)勢條件差距大的問題。

3、鈣鈦礦電池工作原理

鈣鈦礦電池主要由以下五個功能層組成:透明導電氧化物(TCO)、電子傳輸層(ETL)、鈣鈦礦層、空穴傳輸層(HTL)和背電極。鈣鈦礦作為一種半導體材料,會產生光生伏特效應,即半導體在光照下會產生電動勢。在光照條件下,鈣鈦礦化合物吸收光子,在吸收光子后其價帶電子會躍遷至導帶,導帶電子隨后被注入到TiO2的導帶,然后被傳輸?shù)紽TO,與此同時空穴傳輸至有機空穴傳輸層(HTL),從而電子-空穴對分離,在接通外電路時,電子與空穴的移動產生電流。

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4、鈣鈦礦優(yōu)勢明顯,產業(yè)化潛力十足

第三代新型電池中,鈣鈦礦擁有載流子壽命長、帶隙(半導體可以吸收的較低能量)可調、光吸收單位寬等優(yōu)勢,鈣鈦礦電池的應用有單結和疊層兩個技術方向。

鈣鈦礦電池相對于晶硅電池效率上限更高。鈣鈦礦電池具備高光吸收系數(shù)、受溫差影響小,光電損失少。典型的甲胺鉛碘(CH3NH3PbI3)鈣鈦礦帶隙為1.55eV,接近較好帶隙,單結效率實驗室效率已突破至25%以上,效率上限可達30%以上。而晶硅電池效率上限難以突破30%。并且鈣鈦礦材料帶隙可調節(jié),與晶硅疊層,理論效率更高。用1.12eV帶隙的晶硅電池與1.73eV鈣鈦礦電池串聯(lián),可以保證太陽光譜照射的較好分布吸收,理論效率超過43%。

鈣鈦礦電池相對于晶硅電池成本更低。鈣鈦礦組件目前產能投資略低于晶硅組件,約為5-7億元/GW,未來成熟后有進一步下降空間,而晶硅組件產能投資需要7.5億元。GW級別量產,鈣鈦礦材料占比3.1%,組件成本小于1.0元/W,5-10級別量產,組件成本可降至0.5-0.5元/W。

鈣鈦礦電池相對晶硅電池具備高弱光效應。鈣鈦礦材料在可見光范圍吸收系數(shù)可以達到105cm-1,具備高光捕獲能力;并且電池帶隙,接近弱光下電池較高效率所需帶隙,因此在陰雨天氣和日出日落等弱光環(huán)境均能工作。

鈣鈦礦電池下游應用領域廣闊。鈣鈦礦電池在分布式光伏市場具備競爭力,可廣泛應用于BIPV幕墻和屋頂,此外也是光伏車頂?shù)膬?yōu)良材料。

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