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前沿看台:第三代光伏材料钙钛矿渐行渐近

导读: 研究表明,钙钛矿电池对光的吸收能力是传统太阳能电池材料的100倍,因此钙钛矿电池只需使用1/100的厚度,即可产生相同的能量输出,相应减少了所需材料数量;且产生的电压更高,还能增加能量产出。

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技术创新是任何产业发展的原生动力,光伏也不例外。在光伏电价接近平价上网之际,行业在新技术路线的竞争呈加速状态。2017年下半年,轻薄、价低的钙钛矿太阳能电池异军突起,其商业价值日益受到广泛关注,为行业发展提供了新的方向。

“钙钛矿技术是更新换代的技术,具有通用性及重要现实应用价值。”协鑫中央研究院副总工程师范斌在接受记者采访时表示。那么,作为最具前景的光伏技术路线,我国钙钛矿技术现状如何?距离业内期盼的产业化之路到底还有多远?

未来新材料——成本更低

钙钛矿太阳能电池是一种由人工合成的新型薄膜太阳能电池,具有廉价、柔韧性、重量轻等特点。和硅材料相同,钙钛矿属于半导体,但具有更为优异的吸光性,其特质被光伏行业“降本增效”寄于厚望。

“和传统光伏材料相比,原材料成本有大幅下降,合成成本仅为传统电池的1/20。”杭州纤纳光电科技有限公司(下称“纤纳光电”)创始人之一、执行董事长兼总经理姚冀众介绍。

以钙钛矿为原料制造的太阳能电池可以将大约1/4的太阳光直接转化为电力。对于等量的电力需求来说,所需原料也远少于其他材料,安装成本更低。

研究表明,钙钛矿电池对光的吸收能力是传统太阳能电池材料的100倍,因此钙钛矿电池只需使用1/100的厚度,即可产生相同的能量输出,相应减少了所需材料数量;且产生的电压更高,还能增加能量产出。

从转化率方面来看,钙钛矿也具有明显优势。以目前备受瞩目的多晶硅为例:1985年,多晶硅太阳能电池的实验室转化率为15%左右,在2004年达到20.4%;而后其转化率虽略有提升,但微乎甚微。在早期较快速发展的20年间,其转化率也仅提高了5%。

反观钙钛矿太阳能电池,其技术在学术界研究始于2009年,目前实验室小面积器件(面积大小在几平方毫米)效率在22-23%以上,其效率提升速度碾压传统硅、碲化镉和铜铟镓硒等第一第二代光伏材料成为新原料黑马,被姚冀众称为“第三代光伏材料”;范斌也用“尼龙”这种物美价廉的人造材料比喻钙钛矿,他认为如同尼龙取代棉一样,钙钛矿终究会登上广阔的舞台。

“目前光伏发电成本已有大幅度下降,但相对于传统能源,其成本依旧较高。因此成本仍然是限制其大规模使用的主因。”姚冀众说,“钙钛矿这种新型廉价人工材料不仅节约了原材料成本,在工艺方面我们也做了创新,由传统高温锻造结晶工艺转变为溶液打印的方法,进一步使成本缩减。未来,其发电成本甚至可以低于传统煤电电价。”

可以看出,降低成本仍然是光伏产业进一步发展的重要标志,为尽快达成“低成本”、“平价化”的业内共同目标,钙钛矿技术无疑为此提供了一条新路径。在可预见的未来内,钙钛矿技术上升空间广阔。

有研究表明,将钙钛矿稍作人工改变就能有效地将不同波长的太阳光转化为电力,可借此制造带有不同层的太阳能电池,每层可吸收不同波长的太阳光,进一步提升能效。

纤纳光电另一创始人颜步一表示:“钙钛矿的核心竞争力十分明显,材料成本低、生产过程环保低能耗、转换效率可与现有成熟技术大致持平,应用场景广泛。而且其制造成本、制备过程和转化效率上都有着较为明显的创新优势。所以,从光伏行业产业化角度来看,其潜力不可小觑。”

材料短板已获突破

与硅基电池相比,钙钛矿电池仍是新人,从实验室走到台前尚不足半年。目前,业内现在对于钙钛矿的质疑声音颇多。“有毒”、“怕紫外线”、“怕水”、“寿命短”常伴钙钛矿成为搜索热词。

范斌认为这些说法并不科学。他说:“这主要是指钙钛矿含铅,但钙钛矿组件的含铅量比普通电子电气设备低得多,甚至比现在使用含铅焊料的常规组件的含铅量更低。”他进一步解释道,在钙钛矿电池里,钙钛矿层非常薄,只有0.5微米左右,组件含铅量仅为0.006%。根据欧盟RoHS标准规定,铅含量不能超过0.1%,因此,有毒之说言过其实,其实钙钛矿不仅完全符合RoHS标准,甚至比该标准含量还低。“如果从发电量角度考虑,利用钙钛矿电池每发一度电所涉及的铅元素含量比现有火力发电制造废料里的铅含量还低。”颜步一说。

即便如此,现仍有如南京工业大学等院校仍致力于研发无铅钙钛矿电池在光伏上的应用。“由于无铅钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和稳定性与含铅钙钛矿电池还有差距,因此现阶段对其的关注更多还是集中在学术研究领域。”颜步一如是说。

而针对其他质疑,姚冀众表示,这些质疑可以被归纳为是对钙钛矿稳定性和工艺良率的疑问,都源自钙钛矿研发开始之初学术界遇到的普遍问题,但实际上,国内钙钛矿产业化的机构已经拥有了完整的解决方案,技术均已获得突破。

初备产业化条件

相关材料显示,钛矿技术产业化起步始于2014年,但近两年钙钛矿技术发展频传捷报,2017年还被路透社列为2017诺贝尔化学奖的热门提名,全球众多拥有半导体材料研究背景的机构,都在争相进入其产业化的研究中。

产业化进程中一个最重要的指标是钙钛矿组件的转换效率。据了解,实验室研究数据,自2015年起,经过权威机构认证,钙钛矿小组件(面积大于10平方厘米,小于100平方厘米)的最高转换效率提高了5.3%,发展较快。

但在寿命方面,钙钛矿的表现也是一个未知数;且硅基太阳能电池设置了一个难以逾越的标杆,这对任何要想替代传统硅基太阳能电池的新型太阳能电池都是极大的考验。

姚冀众坦言,现在并没有为钙钛矿太阳能电池量身定制的老化测试。目前,学术界和工业界普遍参考晶硅电池的IEC61215认证标准进行稳定性测试。虽然,钙钛矿的稳定性已经获得了长足的发展,但是使用寿命还需要有第一批商业化的组件实测才能获得。”范斌表示,根据研究结果,在采用新的电极材料之后,寿命问题也已经获得解决。

虽然全球许多企业在为钙钛矿太阳能电池产业化做着努力,但目前国内对钙钛矿技术到底是作为技术储备还是产业化推广颇有争议。“钙钛矿技术发展到今天已经不是简单的技术储备了,自技术兴起以来,得到了学术界和产业界极大的关注和投入。短短几年转换效率及稳定性都有很大提高,已经具备了产业化条件。”姚冀众认为,“就纤纳光电来说,目前正在为接下来的量产做最后准备。国家产业战略、自主知识产权的核心技术以及公司自身的研发创新续航力都给了我们很大信心。”

颜步一还着重肯定了钙钛矿的社会经济价值,认为发展钙钛矿有利于中国技术引领世界的科技自信、节能环保及扶贫等。颜步一说:“由于钙钛矿太阳能电池柔性、透明和彩色的特性,依靠分布式光伏和可穿戴的发电设备,太阳能可以更好的服务于人们日常工作及生活;其产品将有望引领未来社会的能源革命,实现发电集成对用电需求的全方位覆盖,为智慧城市、绿色建筑、多能互补建设提供灵活多样的新光伏智能解决方案。”

来源:中国能源报

记者:董梓童

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