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钙钛矿太阳能光伏电池特点、产业布局与发展前瞻

编辑:重庆太阳能光伏发电人气:-时间:2020-08-17

钙钛矿太阳能光伏电池是使用与钙钛矿晶体结构相似的半导体材料作为吸光材料的第三代薄膜太阳能光伏电池,具有光电转换效率高、可柔性制备、低成本等突出优势,具有广阔的应用前景,有望引发相关领域的能源革命。其发展大致经历了三个发展阶段:

第一代太阳能光伏电池,主要是单晶硅和多晶硅太阳能电池。经过半个多世纪的持续发展,晶体硅太阳能电池制备工艺已经十分成熟,单晶硅和多晶硅太阳能电池的实验室转换效率分别达到25.6%和20.8%,已接近理论极限水平。凭借着较为成熟的技术与较高的光电转换效率,晶体硅太阳能电池在光伏市场上占有89%的绝对市场份额。但由于硅基太阳能电池的高效率依赖于高纯度的硅材料,使得其制造成本偏高。

第二代太阳能光伏电池,主要是非晶硅薄膜太阳能电池和晶硅薄膜太阳能电池。其中非晶硅的砷化镓太阳能电池效率目前可达30%左右,但是价格昂贵,综合性价比并不高,因此多用于对性能要求很高的太空飞行器领域。晶硅薄膜太阳能电池采用化学气相沉积或者等离子增强化学气相沉积法制备,但是硅基太阳能电池需要采用高纯度的硅材料,使光伏成本偏高。而非晶硅薄膜太阳能电池需要采用稀土元素且制备过程中环境污染严重,导致难以进一步推广。

第三代太阳能光伏电池,主要是钙钛矿太阳能电池、量子点太阳能电池、有机光伏电池等一些新概念光伏电池。其中基于染料敏化太阳能电池发展起来的钙钛矿太阳能光伏电池以其较高的光电转换效率、较低的制造成本、可制备柔性结构等优势,成为最有发展前景第三代太阳能光伏电池。2009年首次提出钙钛矿太阳能光伏电池概念,2013年被美国《科学》杂志评为十大科学突破之一,2014年被Nature杂志评为最值得期待的科技突破之一,2016年在世界经济论坛上被誉为 “最具商业化潜力的十大新兴技术” 之一,2017年被路透社列为诺贝尔化学奖的热门提名。

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国外发展现状

国外众多高校、研究机构开展了钙钛矿太阳能光伏技术研究,并创造了多次光电转换效率的世界纪录,已经开始产业化推进。

英国牛津大学制备出全球首个介孔超结构钙钛矿太阳能光伏电池,实现从传统介观钙钛矿太阳能光伏电池向平面钙钛矿太阳能光伏电池的过渡。2010年12月,牛津大学的Henry J. Snaith教授创立牛津光伏公司,突破钙钛矿太阳能光伏稳定性等多项关键技术,申请200多项专利,即将实现钙钛矿太阳能光伏电池的产业化应用。2018年12月,牛津光伏公司1平方厘米面积的钙钛矿-硅叠层太阳能电池效率达28%。该公司得到多家能源公司和投资机构的战略投资,正在建设250MW钙钛矿-硅叠层太阳能电池生产线,计划2020年推出商业化产品。

瑞士洛桑联邦理工学院的Michael Gr?tzel教授首创两步连续沉积法制备钙钛矿薄膜电池,2016年6月试制出单元尺寸为32mm*24mm的钙钛矿太阳能光伏电池,光电转换效率超过20%。2019年8月,韩国化学技术研究所与MIT合作创造了25.2%钙钛矿光伏效率(有效面积小于1平方厘米)。加拿大多伦多大学在低成本可印刷式钙钛矿太阳能光伏电池生产方面实现新突破,相关团队生产的新型可印刷式钙钛矿型太阳能电池能够在使用500小时后,仍维持原有效率的90%以上。美国杜克大学、斯坦福大学、国家可再生能源实验室、内布拉斯加-林肯大学、华盛顿大学等单位均开展了钙钛矿太阳能光伏技术的相关研究。

国外高校及相关公司开展了多项先期应用探索,为钙钛矿太阳能光伏电池在多个领域的应用奠定了一定基础。由于具备柔性、高转换效率、低重量的特性,钙钛矿太阳能电池在基于太阳能动力的无人机、航天飞行器领域极具潜力。奥地利约翰内斯普勒大学的研究人员使用3微米厚、稳定12%转换效率的钙钛矿太阳能光伏板(64个独立光伏,单位重量功率值23W/g),为无人飞行器模型提供动力(翼展58cm)。

国内发展现状

总体上,我国钙钛矿太阳能光伏电池技术与国外先进水平基本持平,产业化工作正在积极推进。

上海交通大学材料科学与工程学院韩礼元教授团队,2017年实现了有效面积36.1平方厘米、认证效率12.1%的大面积钙钛矿模块的效率世界纪录;团队依托上海黎元新能源科技有限公司开展技术转化以及光伏组件的产业化研发。

华中科技大学武汉光电国家实验室韩宏伟教授团队,2014年在美国《科学》杂志发表基于全印刷技术的介观钙钛矿太阳能光伏技术,实现了印刷介观太阳能电池及光电器件关键技术的突破;2015年研制出6平米全印刷介观钙钛矿太阳能光伏模组,应用前景良好;同时,依托鄂州万度光能有限责任公司进行全产业链布局一体化推进,旨在实现廉价光伏发电产业化。

武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室印刷光电子实验室程一兵教授团队,实现了10厘米*10厘米钙钛矿光伏认证效率16.5%、7厘米*7厘米转换效率达17.9%的钙钛矿光伏组件等杰出成果。

中科院半导体所游经碧研究员团队,2018年末刷新了钙钛矿光伏电池的转换效率纪录,经美国可再生能源实验室权威认证,转换效率突破23.7%。

中科院化学研究所绿色印刷实验室宋延林教授团队,开展了柔性钙钛矿太阳能光伏研究,通过纳米组装-印刷方式制备出“蜂巢状纳米支架”,实现了柔性钙钛矿太阳能光伏更高的力学稳定,有望为柔性可穿戴电子设备提供可靠电源,当前1平方厘米的柔性钙钛矿太阳能光伏的光电转换效率达到12.32%。

国内多家商业公司正在积极推动钙钛矿太阳能光伏电池的产业化发展,如苏州协鑫纳米公司、杭州纤纳光电公司、杭州众能光电公司、上海黎元新能源公司、湖北万度光能公司等。

苏州协鑫纳米公司生产的面积1300平方厘米钙钛矿太阳能光伏效率达13.48%,创造截至2019年9月世界最大面积钙钛矿光伏组件之最、大面积钙钛矿组件效率之最,目前正在建设100MW级钙钛矿电池生产线。

杭州众能光电科技公司计划百兆瓦级生产线2020年实现量产,2021年推出GW级生产线。

另外,2019年8月,杭州纤纳光电科技有限公司量产钙钛矿薄膜光伏模组(200-800平方厘米)认证效率超过11.98%,标志着商业化大组件的成功下线,目前正在建设20MW钙钛矿太阳能光伏生产线。万度光能依托华中科技大学韩宏伟团队技术研发基础,已建立110平方米可印刷钙钛矿太阳能光伏示范系统。

发展展望

鉴于钙钛矿太阳能电池的多方面综合突出优势,以及国内外产业化进程的持续推进,可以预见,钙钛矿太阳能光伏电池将迎来快速发展和规模应用阶段。

1、效率持续提高,达到并超过市场主流产品水平

高光电转换效率是众多领域应用的首要需求。2009年,世界上首次制备出钙钛矿太阳能光伏电池,转换效率仅3.8%;2019年8月,经权威认证的钙钛矿太阳能光伏转换效率已达25.2%。短短十年间,钙钛矿太阳能光伏的转换效率已达到目前第一代单晶硅太阳能电池的水平。

钙钛矿晶体结构光电转换材料具有吸光性能高、覆盖光谱范围宽等特点,单结钙钛矿太阳能光伏理论转换效率约33%,双结钙钛矿太阳能光伏理论转换效率可达40%以上。预计,单结、双结钙钛矿太阳能光伏电池光电转换效率将继续不断刷新纪录。

2、成本稳步降低,为规模化产业化应用铺平道路

钙钛矿材料来源丰富、储量丰富,材料成本低,且钙钛矿材料配方可调,选择空间大。钙钛矿太阳能光伏制备工艺相对简单,生产成本低,材料纯度要求90%以上即可,而硅基太阳能电池必须使用99.9999%高纯硅。此外,第二代的砷化镓薄膜电池虽转换效率达30%左右,但生产成本特别昂贵。预期,钙钛矿组件的制造成本可达到单晶硅组件成本的50%。

国内外多家公司正在大力推进钙钛矿太阳能电池的产业化工作,相关产业化技术在不远的将来可实现重大突破,并在多个典型领域实现规模应用。预计,非柔性钙钛矿太阳能电池将首先实现规模化产业化应用,在一定程度上实现对其他太阳能电池的替代应用。

3、大面积、轻质化、柔性技术,应用领域不断拓宽钙钛矿材料吸光系数大,光伏厚度仅需微米级就能实现太阳光的有效利用;与传统光伏电池制备工艺相比,钙钛矿太阳能电池可在相对较低的温度下制备,可采用轻薄、柔性基底,显著降低光伏电池重量。

大面积高效柔性钙钛矿太阳能光伏规模化生产设备目前尚处于试制、试验阶段,相关技术发展亟需代表性应用领域的需求牵引,相关标准体系亟需建立。预计,在航空航天等典型领域应用需求牵引下,大面积高效柔性钙钛矿太阳能光伏电池关键技术有望在三年左右时间实现突破,并实现规模应用。

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