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湖北钙钛矿,会革晶硅电池的命吗?

钙钛矿,会革晶硅电池的命吗?

近年来,钙钛矿材料正迅速成为太阳能领域的一种热门候选材料。不过它的主要缺点之一,就是容易在阳光直射下,其性能会随着时间的流逝而退化。据报道,来自美国、中国和韩国的科学家组成一支研究团队,研发成功一种可用于钙钛矿光伏面板的新涂层,特点是能够提升其在阳光下的稳定性。科研团队在材料表明沉积一层有机离子,使表面带负电,再让带正电的离子与表面带负电的离子配对,这使表面电子变得更中性且稳定。测试结果表明,这些电池能在2000多个小时内保持最初光电转化效率的87%。相比之下,在同样条件下,经历相同时间后,未经处理的太阳能电池性能下降到原来的65%。

该研究为钙钛矿太阳能电池技术商业化和广泛采用奠定了基础。作为目前主流的光伏技术,晶硅光伏发电效率已越来越接近极限。钙钛矿作为一种人工合成材料,在2009年首次被尝试应用于光伏发电领域后,因为性能优异、成本低廉、商业价值巨大,被《科学》(Science)期刊评为年度十大突破性科技进展之一。

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一米宽两米长的钙钛矿电池组件

目前钙钛矿电池成为研发热点,钙钛矿电池或将在5年之后,成为真正具有市场竞争力的一股光伏新势力,如果各项技术参数能获得进一步突破,钙钛矿取代晶硅也不是不可能。钙钛矿电池目前取得的进展如下所示:

1、钙钛矿电池效率获得突破

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如上图所示,钙钛矿用了大概10年左右的时间,将转换效率从最初的3.8%提升至目前超过25%的实验室效率记录,赶上了过去晶硅四五十年的发展。

2、钙钛矿产业链短,投资成本低

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对于晶硅来说,硅料、拉晶、切片、电池、组件需要四个以上不同工厂生产加工,倘若所有环节无缝对接,一片组件完工最快也需要一个多月的时间;而100兆瓦的钙钛矿组件,从玻璃、胶膜、靶材、化工原料进入,到组件成型,总共只需45分钟。

以1GW产能投资来对比,晶硅的硅料、硅片、电池、组件全部加起来,需要大约9亿、接近10亿元的投资规模,而钙钛矿1GW的产能投资,在达到一定成熟度后,约为5亿元左右,是晶硅的1/2。

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3、钙钛矿用量少

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晶硅组件中的硅片,厚度通常为180微米,而钙钛矿组件中,钙钛矿层厚度大概是0.3微米,这里有三个数量级的差异。

目前全球晶硅电池每年大概需要60万吨太阳能级硅料,倘若把这60万吨硅料完全替换成钙钛矿,大概1000吨就可以满足需求,所以,钙钛矿原料没有任何瓶颈,一是用量少,二是不存在稀缺性。

4、钙钛矿电池生产成本低

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1、每1瓦单晶组件制造的能耗,大约是1.52KWh,而钙钛矿组件能耗为0.12KWh,单瓦能耗只有晶硅的1/10;

2、单片组件成本结构中,钙钛矿占比约为5%,玻璃、靶材等占到另外的2/3,总成本约为5毛到6毛钱左右,是晶硅组件极限成本的50%。

5、钙钛矿稳定性获得突破

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单质硅为原子晶体,要想获得单晶硅片,需要将多晶硅料加热到1410度,才能将硅料熔接,再通过CZ直拉单晶的方法获得单晶硅棒,因此晶硅电池非常稳定。

钙钛矿是一种六方晶的离子晶体结构,它的分解温度大概是摄氏200度-300度。由于生成温度相对较低,之前钙钛矿电池不稳定,衰减大,但时至今日,钙钛矿稳定性一点都不比晶硅差。因为太阳能电池在地球表面使用,温度很难超过75度-85度这个区间,所以,两三百度足够用,而1400度则成为一个巨大冗余。

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2016年,有高校针对一块巴掌大小的钙钛矿组件做了一个实验——在标准光源下,让该组件连续工作12000个小时,结果没有任何衰减。

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因为不同的封装,会带来不同的衰减效果,2020年,协鑫纳米围绕封装又进行了一系列工作和实验,发现对于封装不好的组件,很快就会衰减,但良好封装的组件,在双85(85℃、85%RH)条件下,2000个小时之内没有任何衰减。

这一年年底,一个更有力量的实验数据也表明钙钛矿的竞争力。在晶硅IEC61215标准下,钙钛矿组件连续工作9000个小时没有任何衰减,可以明确说,这个结果,同样没有任何一种晶硅能够达到。

参考文献:协鑫纳米范斌:5年后,钙钛矿崛起