侵权投诉
订阅
纠错
加入自媒体

钙钛矿十年:光伏行业的最大乌龙事件回溯

“我非常建议那位作者能够仔细看下文章”范斌,协鑫纳米总经理忍不住吐槽,“那篇文章实际上是说经过12000小时的连续AM1.5光照测试,钙钛矿组件的效率不但没有下降,反而还上升了将近20%。”而根据晶硅组件的IEC 61215曝露测试标准,只要积累光照功率达到60kW(相当于AM1.5光照条件下累积照射60小时),晶硅组件的衰减不超过5%就算合格。也就是说这篇论文本来证明的是钙钛矿的光照稳定性显著优于晶硅,却被国内的翻译者错误地解读成了钙钛矿组件只能工作一万多个小时。

两年来,业内常常引用这篇文章来抨击他所从事的事业,也有专家认为钙钛矿属于有机物,从原理上就无法像晶硅电池那样稳定。

可以说,这是近年来光伏业界闹的最大乌龙。

image.png

12000小时,按实际有效小时数计算,相当于上海江苏8年的使用时间。组件效率上升了20%,也就是说如果用钙钛矿组件建一座5kW的电站,8年后,这座电站变成了6kW。

根据协鑫纳米的钙钛矿组件在户外连续工作三个半月的结果显示,组件效率不降反升。而晶硅组件通常每个月会衰减0.1%左右。从目前的数据看,钙钛矿组件的工作寿命优于晶硅组件。

光致增益

“钙钛矿光致增益的原因比较复杂,原理在业界现在还没有完全弄清楚”范斌说,“但有个机制可以确定,我们在显微镜下观测到,经过长时间光照,钙钛矿晶体的尺寸会逐渐变大,小晶体会互相融合变成大晶体。”

材料科学

钙钛矿材料是一类有着与钛酸钙(CaTiO3)相同晶体结构的材料,是 Gustav Rose 在 1839年发现,后来由俄罗斯矿物学家L.A.Perovski命名。钙钛矿材料结构式一般为ABX3,其中A和B是两种阳离子,X是阴离子。这种奇特的晶体结构让它具备了很多独特的理化性质,比如吸光性、电催化性等等,在化学、物理领域有不小的应用。2009年,Tsutomu Miyasaka首次选用有机-无机杂化的钙钛矿材料CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3取代传统DSSCs中的染料作为新型光敏化剂,制备出首个真正意义的钙钛矿太阳能电池,从此拉开了钙钛矿吸光材料的序幕。

通过调节比例,钙钛矿系列几乎可以得到近乎无限的配方,拥有各种不同的特性,所以钙钛矿的研发重点在于材料科学。而材料学科的特性也注定了这是一门研发周期长、投入巨大的工作,国内外许多顶级研究机构和企业都在从事这方面研究。

范斌,2000-2006清华大学化学系本科、硕士,2007-2010瑞士EPFL博士,国家千人计划特聘专家,2010年与两位清华的同学田清勇和白华共同创办了惟华光能,后被协鑫集团收购,更名为协鑫纳米。

国内清华大学、暨南大学、上海交通大学、东南大学、华中科技大学、北京大学,国外牛津大学、Fraunhofer实验室、瑞士洛桑高等理工大学(EPFL)也都在进行钙钛矿光伏电池关键材料的研发或进行量产实验。

十年时间,钙钛矿电池实验室转换效率从3.8%到24.2%。

“目前钙钛矿技术发展最快的是中国和韩国”范斌说,“协鑫纳米专注的是量产工艺的开发,我们去年建成了全世界第一条10MW级别中试生产线,现在正在建设100MW级别的量产生产线。

稳定性分析

钙钛矿到底“靠不靠谱”?

虽然百年来光到底是一种粒子还是波我们都没有弄清楚,但这不妨碍我们了解光生伏打效应的原理。

光生伏打效应的来源是光照之下,半导体材料由基态向激发态跃迁所导致的电压差。晶硅的基态和激发态都是单线态 ,电子的自由跃迁很容易“跳上去”,但也很容易“跳下来”,因此杂质对晶硅电池的扰动非常的大;而钙钛矿电池的基态是单线态,激发态是三线态,电子 “跳上去”以后,不容易掉下来。而且晶硅里的光生电荷一旦复合,就会变成热消散掉,而钙钛矿晶体里的电荷复合之后有很高的概率会把光子重新释放出来,再被附近的晶格吸收掉,产生新的电荷。

因此,钙钛矿电池对于材料纯度要求并不如晶硅一样要求具备6N级以上纯度,通常只需要90%左右。这不但节约了提纯的成本,也从原理上提升了组件的寿命。晶硅的功率衰减主要就是源自杂质向硅片的扩散,只要存在电极与硅片的接触,杂质的扩散就是不可避免的。因此单晶硅组件第一年的衰减是3%,此后每年约衰减0.8%。而钙钛矿对杂质本来就不敏感,自然杂质的扩散不容易导致钙钛矿组件的衰减,所以才能在12000个小时的连续光照下没有任何衰减。

同时,人工设计的钙钛矿材料,其带隙可以无限接近于理论最优带隙,因此钙钛矿的理论效率上限能比晶硅高3到4个百分点。而且钙钛矿材料的吸光能力强,0.3微米厚就可以 实现对太阳光的饱和吸收,而晶硅电池里的硅片厚度通常是180微米。按60片组件计算,原本需要消耗1kg的硅料,变成只需要2g的钙钛矿材料,每年国内30多万吨的多晶硅需求转换成钙钛矿,只需要几百吨,而且由于纯度要求很低,所以需要的能量远远小于晶硅电池。

在笔者看来,全球最大的多晶硅企业协鑫集团,正在寻求自我突破和自我颠覆。

这也是钙钛矿可以降低成本的关键。范斌测算,如果量产100MW的钙钛矿电池,效率18%,成本可以做到0.94元/W,是晶硅组件的50%,如果规模突破GW级,每瓦成本可以低至7毛钱。

但度电成本还需要考虑综合因素,并不是组件价格低廉就更具备整体成本优势,目前钙钛矿组件效率15.3%仍然需要进一步提升。对此范斌表示,通过不断改进钙钛矿材料配方,优化专用设备设计,提升工艺水平,钙钛矿组件的效率明年会达到18%,2021年则将突破20%。

叠层电池

商业化第一步及后续

image.png

如图所示,1.4eV是为最优带隙,半导体材料的带隙越接近于此则效率越高。

晶体硅的带隙约为1.1eV,理论效率为29.3% 。人工设计的钙钛矿材料,带隙可以非常接近于最优带隙,因此单层钙钛矿电池的理论效率为33% ,双层钙钛矿电池的理论可达到43%以上。

目前英国钙钛矿太阳能公司-牛津光伏(Oxford PV)已经在小面积的钙钛矿-晶硅叠层电池上做到28%的效率。2019年3月,金风科技已成为牛津光伏的股东。

如目前火热的光伏汽车,如果采用砷化镓电池,目前的成本约在2000元/W,但用了钙钛矿和晶硅结合,完全可以实现经济性上的突破。

同时,钙钛矿制备温度在100℃以下,因此除玻璃之外,还可以采用塑料等材料,可以很好地铺满整个车身或建筑,大大提升建筑节能或车辆续航能力。

笔者不由感慨:地球50%的矿物以钙钛矿形式存在,万物皆是钙钛矿,在未来,或许这将成为全球最主要的发电形式并衍生出多种应用场景,万物皆可钙钛矿。

作者:Mr曹宇

声明: 本文系OFweek根据授权转载自其它媒体或授权刊载,目的在于信息传递,并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责,如有新闻稿件和图片作品的内容、版权以及其它问题的,请联系我们。

发表评论

0条评论,0人参与

请输入评论内容...

请输入评论/评论长度6~500个字

您提交的评论过于频繁,请输入验证码继续

暂无评论

暂无评论

文章纠错
x
*文字标题:
*纠错内容:
联系邮箱:
*验 证 码:

粤公网安备 44030502002758号