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能源一點通丨光伏界的“當紅炸子雞”,鈣鈦礦究竟厲害在哪里?
2023.06.30

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能量轉換效率(PCE,power conversion efficiency),是太陽(yang)能電(dian)池最基本也是最重要的一(yi)項參數,在光伏領域,如何從太陽(yang)能中榨取(qu)出(chu)更多(duo)的電(dian)能,是學界和業界一(yi)直孜孜以求的探索(suo)方向。

當前,單晶硅是普遍使用的光伏發電材料,然而隨著晶硅電池的能量轉換效率逐漸觸達其理論上限,科學家們又把目光投向了各類非硅電池,其中便涌現出了光伏界的“當紅炸子雞”——鈣鈦礦

 

什么是鈣鈦礦?

 

鈣鈦礦(perovskite),這個有點拗口的名字取自俄羅斯礦物學家Perovski,作為光伏材料的鈣鈦礦,實際上和鈣、鈦、礦三個字都沒太大關系,這是一類與鈣鈦礦(CaTiO3)晶體結構類似的“ABX3”化合物,被稱為繼第一代晶硅、第二(er)代薄膜之后(hou)的第三代光伏電池技術(shu)路線。

相較于當下主流的晶硅電池,鈣鈦礦具有更高理論效率、更低可期成本的優勢,因此對于光伏行業來說,是一種具有革命性的新材料。

 

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鈣鈦(tai)(tai)礦(kuang)(kuang)(kuang)電池主(zhu)要分為單(dan)(dan)結和疊(die)層(ceng)結構,單(dan)(dan)結層(ceng)鈣鈦(tai)(tai)礦(kuang)(kuang)(kuang)電池結構是類似“三明(ming)治(zhi)”層(ceng)狀的5層(ceng)結構,結構簡單(dan)(dan),理(li)論上光電轉換效率可以到達33%,也是我國(guo)研究(jiu)鈣鈦(tai)(tai)礦(kuang)(kuang)(kuang)企業的首選。目前鈣鈦(tai)(tai)礦(kuang)(kuang)(kuang)最高單(dan)(dan)結效率已達到25.7%,由韓國(guo)蔚山國(guo)家科學(xue)技(ji)術研究(jiu)所(UNIST)實現(xian)。

疊(die)層(ceng)結(jie)構理論效(xiao)率(lv)上限高(gao),全鈣(gai)鈦礦雙(shuang)結(jie)疊(die)層(ceng)轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率(lv)可達45%、三(san)結(jie)疊(die)層(ceng)轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率(lv)可達50%。目前,鈣(gai)鈦礦/晶(jing)硅兩(liang)結(jie)疊(die)層(ceng)電池效(xiao)率(lv)已(yi)經達到32.5%,由德國HZB研(yan)究中心2022年(nian)12月最(zui)新(xin)認證。

 

鈣鈦礦的主要優勢

 

1、能量轉換效率高

在過去(qu)相(xiang)(xiang)當(dang)長一(yi)段時間里,晶(jing)(jing)硅(gui)光(guang)伏電池(chi)都是成(cheng)本和效率極(ji)佳的(de)統一(yi)體。相(xiang)(xiang)伴而生的(de),是天然(ran)礦物轉化太陽能(neng)效率的(de)局限性。29.43%的(de)理論(lun)極(ji)限值,成(cheng)為晶(jing)(jing)硅(gui)材(cai)料“一(yi)眼(yan)到頭”的(de)屏障(zhang)。

與之形成鮮明對比,鈣鈦礦則走出了“最陡峭的成長曲線”。2009年,日本科學家首次用鈣鈦礦光伏電池發電,當時其電能轉換效率僅有3.8%。僅僅過去13年,今天鈣鈦礦電池的實驗室效率就已基本追平了晶硅60多年發展才達到的結果,達到了25.7%。而且,鈣鈦礦電池的單層理論效率達33%,雙層可達45%以上,具有比晶硅更高的提升空間。

 

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可以毫不夸張地說,鈣鈦礦用了十年時間就走完了晶硅電池五十年的路這種(zhong)發展速度的(de)背(bei)后(hou),得(de)益于鈣(gai)鈦礦材(cai)料(liao)遠強(qiang)于晶硅的(de)吸光性能,能量(liang)轉換過程中的(de)極低能量(liang)損失,也與(yu)其(qi)覆(fu)蓋光譜(pu)范圍寬的(de)特征有關。

 

2、成本低,制備工藝短

鈣鈦礦電池原材料均為基礎化工材料,由人工合成,且不含有稀有元素,相比于晶硅電池的硅料來說廉價易得。

除原(yuan)材料不受限制外(wai),鈣(gai)鈦礦電池制備工(gong)藝較短。從玻璃、膠膜、靶材、化(hua)工(gong)原(yuan)料進入(ru)到組件成型的(de)全工(gong)程,整個(ge)產業鏈可高(gao)度(du)濃(nong)縮在一個(ge)百兆(zhao)瓦的(de)工(gong)廠里,時間控制在45分鐘(zhong)之內。

 

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此(ci)外,鈣鈦礦材料(liao)對(dui)雜質敏(min)感度(du)低(di),對(dui)原材料(liao)純度(du)要求也(ye)低(di)于晶硅,且可(ke)以在低(di)溫(wen)狀態下制備。相比于晶硅1000度(du)左右的高溫(wen)流(liu)程,鈣鈦礦生(sheng)產工藝(yi)溫(wen)度(du)不超150度(du),節省資源的同時,還可(ke)降低(di)能耗。

 

3、應用前景廣闊

在電站端,鈣鈦礦電池憑借弱光性以及顏色可定制的特點,滿足了長時間發電、透光度以及美觀性等市場需求,在BIPV和幕墻、陽光房等領域也擁有廣闊的市場空間。

 

鈣鈦礦的主要缺陷

 

沒有一(yi)種(zhong)材(cai)料(liao)是完(wan)美的,鈣鈦礦(kuang)也一(yi)樣。盡管鈣鈦礦(kuang)電池優點頗多,但作為一(yi)種(zhong)尚(shang)未(wei)脫離實驗(yan)室階(jie)段(duan)的材(cai)料(liao),其(qi)缺陷嚴重(zhong)限制了投入(ru)工業(ye)生產的能(neng)(neng)力,自然也就不能(neng)(neng)對(dui)單晶硅電池實現有效替代(dai)。

 

1、穩定性問題

由于鈣鈦礦材料屬于離子晶體,晶體穩定性不如晶硅,容易導致鈣鈦礦電池比較脆弱,可能存在不耐高溫、不耐光照、易水解、易氧化等問題,最早期的鈣鈦礦電池甚至只能持續幾分鐘。如果一塊鈣鈦礦電池用了一兩年,效率就下降20%,那就毫無經濟性可言了。

 

2、含有毒物質鉛

在鈣鈦礦的組成結構中,目前來看鉛對于高性能鈣鈦礦是必要的,但這也成為其另一個為人所詬病的缺點,這可能會對人類健康產生不良影響。此外,鈣態礦還能夠溶于水,一旦析出到周圍環境中,無疑將會產生不小的污染。

 

3、難以大面積制備

雖然鈣鈦礦材料制備簡單、價格低廉,但目前的鈣鈦礦電池在大尺寸設備和批量生產的工藝上仍然存在問題。

一方面(mian)是是涂(tu)覆技術的不成熟(shu),在(zai)實驗室里制(zhi)備(bei)的高效率鈣鈦礦電池(chi),基(ji)本都是在(zai)1平方厘米以下(xia)的小面(mian)積(ji)薄膜,大多使用旋涂(tu)法(fa)制(zhi)備(bei),而在(zai)大面(mian)積(ji)生產中則(ze)使用的是狹縫涂(tu)布法(fa),鈣鈦礦層沒法(fa)均勻涂(tu)抹在(zai)設(she)備(bei)表面(mian),對器件(jian)性能有明顯負面(mian)影(ying)響(xiang),需要開發更好(hao)的噴涂(tu)工藝。

另一方面,鈣(gai)鈦礦普(pu)遍使用TCO(透明(ming)導(dao)電(dian)(dian)氧(yang)化物)薄膜收集電(dian)(dian)流,而此類材料的(de)一些物理性質會(hui)造成光損(sun)失,且隨著面積的(de)增大愈發明(ming)顯,這導(dao)致鈣(gai)鈦礦組件的(de)效率(lv)會(hui)明(ming)顯低于(yu)單體電(dian)(dian)池。

簡而(er)言(yan)之,受限于(yu)多方面原(yuan)因,鈣鈦礦(kuang)電(dian)池的轉換效率(lv),往往隨面積增大而(er)衰減嚴重。

 

結語

 

鈣鈦礦材料自涉足太陽能電池領域之初,便將目光牢牢鎖定晶硅轉化效率的“天花板”,開啟一場“效率革命”

雖然上述提到的三大問題目前制約著鈣鈦礦的發展,但也是產業界不斷突破的方向。今年以來,不斷有積極信號出現,多個鈣鈦礦大尺寸中試線項目落地,產業化在加速。

在“雙碳”政策的大背景下,未來光伏在一次能源消費的占比將從不到1%提升到25%以上,光伏市場前景可期。鈣鈦礦光伏作為一種新興的光伏技術,不僅在實驗室效率上可以比肩晶硅光伏的效率,而且在成本和工藝上更具顯著優勢。此外,鈣鈦礦光伏弱光性能優異、光電特性可調,是晶硅(gui)光伏(fu)不具備的特點(dian),這使鈣(gai)鈦礦光伏(fu)在應用(yong)場景上更具有廣(guang)闊的想象力,未來(lai)有望使光伏(fu)應用(yong)走進千(qian)行百業、千(qian)家萬戶。

 

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