鈣鈦礦太陽能電池解析

太陽的光線出現(xiàn)在生活中的每一個地方，人們的生活已經(jīng)離不開太陽，太陽能不僅為植物生長提供光源，而且也能為人類提供能源，現(xiàn)在的光伏發(fā)電就是很大程度上利用了太陽能。近十多年來是光伏行業(yè)飛速發(fā)展的時代，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)推動著行業(yè)的不斷發(fā)展。近十年來是國內(nèi)光伏行業(yè)基本每半年會有一次明顯的進步突破，中國光伏產(chǎn)業(yè)用十幾年的時間實現(xiàn)了從培育期、成長期到成熟期的追趕和超越，直至領(lǐng)先全球，堪稱彎道超車的典范，目前中國擁有全球最大光伏發(fā)電全產(chǎn)業(yè)鏈集群、最大應(yīng)用市場、最大投資國、最多發(fā)明和應(yīng)用專利和最大產(chǎn)品出口國等一系列桂冠，光伏發(fā)電已經(jīng)成為中國的“國家名片”之一。光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，得益于技術(shù)創(chuàng)新與進步。目前，中國擁有全球最強大的光伏研發(fā)力量，在可再生能源領(lǐng)域的專利申請數(shù)量居全球首位。

國內(nèi)部分光伏企業(yè)還在單多晶性價比之爭，推動光伏平價上網(wǎng)之際，近期在鈣鈦礦光伏領(lǐng)域又有國內(nèi)企業(yè)獲得了突破，并離應(yīng)用更進一步。國內(nèi)光伏科學家們對鈣鈦礦材料和結(jié)構(gòu)進行改善在短短10年內(nèi)，鈣鈦礦太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率獲得飛速提升，目前已達到25.2%以上，2019年鈣鈦礦電池也即將要走向商業(yè)化生產(chǎn)。

在今年11月，協(xié)鑫納米鈣鈦礦組件通過TUVRheinland的新一輪產(chǎn)品測試：在1241.16平方厘米的有效面積上，協(xié)鑫納米的實用化鈣鈦礦組件效率達到了15.31%，取得鈣鈦礦組件實用化產(chǎn)品商業(yè)測試。根據(jù)TUV Rheinland的測試結(jié)果，協(xié)鑫納米的鈣鈦礦組件溫度系數(shù)低至-0.001%，而晶硅組件的溫度系數(shù)通常為-0.3%至-0.4%。也就是說，鈣鈦礦組件在25攝氏度下的效率和在50攝氏度下的效率是一樣的，而晶硅組件的效率從25攝氏度到50攝氏度會下降10%。因此，同樣標稱功率的鈣鈦礦組件，在實際工況之下工作，至少將比晶硅組件多發(fā)10%的電。

今年2月，協(xié)鑫集團旗下蘇州協(xié)鑫納米科技有限公司發(fā)布了其在鈣鈦礦光伏組件技術(shù)方面的突破性進展，在業(yè)界率先建成10兆瓦級別大面積鈣鈦礦組件中試生產(chǎn)線，完成了相關(guān)材料合成及制造工藝的開發(fā)，協(xié)鑫納米的10MW中試生產(chǎn)線所制造的鈣鈦礦光伏組件尺寸為45cm*65cm，光電轉(zhuǎn)化效率達到15.3%。這是全世界范圍內(nèi)最大面積的鈣鈦礦光伏組件，也是大面積鈣鈦礦組件效率的最高數(shù)值。且協(xié)鑫納米已經(jīng)開始100MW量產(chǎn)生產(chǎn)線的建設(shè)工作，計劃于2020年實現(xiàn)鈣鈦礦光伏組件的商業(yè)化生產(chǎn)。正在建設(shè)中的100MW量產(chǎn)生產(chǎn)線，將把組件面積擴大至1m*2m，組件光電轉(zhuǎn)化效率將提高至18%以上。在現(xiàn)有的工藝條件下，100MW量產(chǎn)線制造的鈣鈦礦光伏組件的制造成本預計將低于1元/W，量產(chǎn)組件的工作壽命將達到25年以上。當產(chǎn)能擴大到1GW以上時，鈣鈦礦組件的制造成本還將進一步下降到每瓦0.7元左右。如此低的組件成本，意味著光伏系統(tǒng)造價將低于3元/瓦，光伏電力的成本即便在中國東部地區(qū)都將顯著低于火電。

并且，國內(nèi)在鈣鈦礦光伏領(lǐng)域獲得重大突破的不僅是協(xié)鑫納米一家。在本月，長江三峽集團旗下三峽資本聯(lián)合中國三峽新能源注資的杭州纖納光電科技有限公司鈣鈦礦組件獲得全球首次IEC穩(wěn)定性測試報告。在2019年12月杭州纖納光電科技有限公司與國際權(quán)威檢測認證機構(gòu)T?V北德集團及旗下T?V北德光伏實驗室聯(lián)合宣布，纖納光電的鈣鈦礦電池組件成功通過了國際電工委員會(IEC)相關(guān)標準的穩(wěn)定性測試，所有測試前后功率衰減均不超過5%。這是全球首例通過第三方獨立檢測的鈣鈦礦電池組件穩(wěn)定性測試。

測試選取了鈣鈦礦組件核心材料穩(wěn)定性的四個項目，具體包括：

(1)、濕熱測試(dampheat test)規(guī)定組件需在85°C溫度以及85%相對濕度的環(huán)境下持續(xù)靜置1000小時;(2)溫度循環(huán)測試(thermalcycling test)測試規(guī)定組件需在?40°C ~ +85°C之間連續(xù)循環(huán)200次;(3)UV老化測試(UVpreconditioning test)規(guī)定組件需置于60°C以及高強紫外光照下，并接受總計15kWh每平米輻照量的連續(xù)紫外光照射;(4)光老化測試(lightsoaking)規(guī)定組件需接受總計86kWh每平米的連續(xù)標準太陽光輻照;

上述測試模擬組件長期在戶外使用受到的水、氧、光、熱等全方位環(huán)境老化因素沖擊，對組件材料長期的穩(wěn)定性進行綜合考量。纖納光電的鈣鈦礦組件通過了嚴格測試，在材料工藝與組件工藝的可靠性方面已能滿足應(yīng)用場景需求。此次穩(wěn)定性測試的成功意味著鈣鈦礦這項光伏新技術(shù)跨越“死亡之谷”，是一次振奮人心的質(zhì)的飛躍，具有里程碑意義。T?V北德集團全球可再生能源高級副總裁、全球光伏運營中心總裁兼大中華區(qū)副總裁須婷婷女士表示，此次全球首例鈣鈦礦組件通過商業(yè)化光伏組件環(huán)境可靠性測試，標志著鈣鈦礦這一新興技術(shù)正式走出實驗室，邁向市場，同時標志著鈣鈦礦光伏技術(shù)開啟了新的征程。

國內(nèi)在鈣鈦礦光伏上有較大行動的單位還有：

(1)3月15日，中國第一大風機制造商金風科技宣布，以戰(zhàn)略投資者身份領(lǐng)投英國鈣鈦礦太陽能發(fā)電公司牛津光伏有限公司(Oxford PVTM)D輪融資，投資金額2100萬英鎊。

(2)武漢理工大學程一兵專家團隊、上海交通大學韓禮元團隊、中科院物理研究所孟慶波團隊、西安交通大學電信學院吳朝新教授團隊、華中科技大學武漢光電研究中心唐江教授團隊、電子科技大學的李世彬教授團隊、北京交通大學張?？≌n題組、湖南大學物理與微電子科學學院潘安練教授團隊、北京大學物理學院朱瑞團隊、西安電子科技大學微電子學院郝躍院士團隊、上?？萍即髮W物質(zhì)學院系統(tǒng)材料學研究部寧志軍教授課題組、合肥工業(yè)大學、哈工大、天津理工大學等都在鈣鈦礦光伏技術(shù)上有較大突破。

據(jù)統(tǒng)計2017全球鈣鈦礦光伏15大技術(shù)研究新動向中國占了8個，這方面中國也是有較大優(yōu)勢。

鈣鈦礦光伏技術(shù)的優(yōu)勢

1、與傳統(tǒng)晶硅技術(shù)相比，鈣鈦礦技術(shù)具備若干顯著的優(yōu)勢。首先鈣鈦礦材料是一種人工合成的晶體材料，材料的配方可以不斷地調(diào)整、迭代，在提高材料性能的同時降低制造成本。2、鈣鈦礦材料對雜質(zhì)不敏感，通常90%左右純度的鈣鈦礦材料就可以用于制造效率達到20%以上的太陽能電池。晶硅材料則對雜質(zhì)非常敏感，純度必須達到99.9999%以上才能用于制造太陽能電池。

3、鈣鈦礦材料的吸光能力也遠遠超過晶硅材料，可以用料更少。晶硅太陽能電池中硅片的厚度通常為160至180微米，而鈣鈦礦太陽能電池中鈣鈦礦層的厚度僅為0.3微米。一個由60片硅片構(gòu)成的晶硅組件消耗硅材料約1公斤，而相同尺寸的鈣鈦礦組件僅消耗2克鈣鈦礦材料。4、生產(chǎn)更節(jié)能。鈣鈦礦材料可以溶解在普通溶劑之中，鈣鈦礦組件可以通過溶液涂布工藝生產(chǎn)，整個生產(chǎn)工藝流程溫度不超過150度。而晶硅材料的鑄錠和提拉都需要在1500度以上高溫，生產(chǎn)能耗的差別可想而知。

5、還有前面提到的發(fā)電效率受溫度影響更小等方面。

鈣鈦礦光伏進一步發(fā)展主要需要解決的問題主要有：實現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率的理論極限值、大面積涂層溶液的研究、長期穩(wěn)定性的研究、回收技術(shù)(部分技術(shù)電池材料含鉛為避免鉛浪費與環(huán)境污染回收技術(shù)是十分重要的)、將實驗室產(chǎn)品與技術(shù)產(chǎn)業(yè)化等方面。鈣鈦礦光伏的應(yīng)用一開始就面向平價甚至底價光伏發(fā)電，必將引起光伏產(chǎn)業(yè)巨大變化。如果某一天人們能高效利用太陽能，相信能解決很大的能源問題，畢竟太陽能是符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的，能保證人類的永續(xù)發(fā)展，需要我們科研人員更加努力。