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鈣鈦礦太陽能光伏電池特點(diǎn)、產(chǎn)業(yè)布局與發(fā)展前瞻

發(fā)布時間：2020-10-29 來源：元祿光電

鈣鈦礦太陽能光伏電池是使用與鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)相似的半導(dǎo)體材料作為吸光材料的第三代薄膜太陽能光伏電池，具有光電轉(zhuǎn)換效率高、可柔性制備、低成本等突出優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用前景，有望引發(fā)相關(guān)領(lǐng)域的能源革命。其發(fā)展大致經(jīng)歷了三個發(fā)展階段：

第一代太陽能光伏電池，主要是單晶硅和多晶硅太陽能電池。經(jīng)過半個多世紀(jì)的持續(xù)發(fā)展，晶體硅太陽能電池制備工藝已經(jīng)十分成熟，單晶硅和多晶硅太陽能電池的實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到25.6%和20.8%，已接近理論極限水平。憑借著較為成熟的技術(shù)與較高的光電轉(zhuǎn)換效率，晶體硅太陽能電池在光伏市場上占有89%的絕對市場份額。但由于硅基太陽能電池的高效率依賴于高純度的硅材料，使得其制造成本偏高。

第二代太陽能光伏電池，主要是非晶硅薄膜太陽能電池和晶硅薄膜太陽能電池。其中非晶硅的砷化鎵太陽能電池效率目前可達(dá)30%左右，但是價格昂貴，綜合性價比并不高，因此多用于對性能要求很高的太空飛行器領(lǐng)域。晶硅薄膜太陽能電池采用化學(xué)氣相沉積或者等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法制備，但是硅基太陽能電池需要采用高純度的硅材料，使光伏成本偏高。而非晶硅薄膜太陽能電池需要采用稀土元素且制備過程中環(huán)境污染嚴(yán)重，導(dǎo)致難以進(jìn)一步推廣。

第三代太陽能光伏電池，主要是鈣鈦礦太陽能電池、量子點(diǎn)太陽能電池、有機(jī)光伏電池等一些新概念光伏電池。其中基于染料敏化太陽能電池發(fā)展起來的鈣鈦礦太陽能光伏電池以其較高的光電轉(zhuǎn)換效率、較低的制造成本、可制備柔性結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢，成為最有發(fā)展前景第三代太陽能光伏電池。2009年首次提出鈣鈦礦太陽能光伏電池概念，2013年被美國《科學(xué)》雜志評為十大科學(xué)突破之一，2014年被Nature雜志評為最值得期待的科技突破之一，2016年在世界經(jīng)濟(jì)論壇上被譽(yù)為 “最具商業(yè)化潛力的十大新興技術(shù)” 之一，2017年被路透社列為諾貝爾化學(xué)獎的熱門提名。

國外發(fā)展現(xiàn)狀

國外眾多高校、研究機(jī)構(gòu)開展了鈣鈦礦太陽能光伏技術(shù)研究，并創(chuàng)造了多次光電轉(zhuǎn)換效率的世界紀(jì)錄，已經(jīng)開始產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)。

英國牛津大學(xué)制備出全球首個介孔超結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能光伏電池，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)介觀鈣鈦礦太陽能光伏電池向平面鈣鈦礦太陽能光伏電池的過渡。2010年12月，牛津大學(xué)的Henry J. Snaith教授創(chuàng)立牛津光伏公司，突破鈣鈦礦太陽能光伏穩(wěn)定性等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，申請200多項(xiàng)專利，即將實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦太陽能光伏電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。2018年12月，牛津光伏公司1平方厘米面積的鈣鈦礦-硅疊層太陽能電池效率達(dá)28%。該公司得到多家能源公司和投資機(jī)構(gòu)的戰(zhàn)略投資，正在建設(shè)250MW鈣鈦礦-硅疊層太陽能電池生產(chǎn)線，計劃2020年推出商業(yè)化產(chǎn)品。

瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的Michael Gr?tzel教授首創(chuàng)兩步連續(xù)沉積法制備鈣鈦礦薄膜電池，2016年6月試制出單元尺寸為32mm*24mm的鈣鈦礦太陽能光伏電池，光電轉(zhuǎn)換效率超過20%。2019年8月，韓國化學(xué)技術(shù)研究所與MIT合作創(chuàng)造了25.2%鈣鈦礦光伏效率（有效面積小于1平方厘米）。加拿大多倫多大學(xué)在低成本可印刷式鈣鈦礦太陽能光伏電池生產(chǎn)方面實(shí)現(xiàn)新突破，相關(guān)團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)的新型可印刷式鈣鈦礦型太陽能電池能夠在使用500小時后，仍維持原有效率的90%以上。美國杜克大學(xué)、斯坦福大學(xué)、國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室、內(nèi)布拉斯加-林肯大學(xué)、華盛頓大學(xué)等單位均開展了鈣鈦礦太陽能光伏技術(shù)的相關(guān)研究。

國外高校及相關(guān)公司開展了多項(xiàng)先期應(yīng)用探索，為鈣鈦礦太陽能光伏電池在多個領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了一定基礎(chǔ)。由于具備柔性、高轉(zhuǎn)換效率、低重量的特性，鈣鈦礦太陽能電池在基于太陽能動力的無人機(jī)、航天飛行器領(lǐng)域極具潛力。奧地利約翰內(nèi)斯普勒大學(xué)的研究人員使用3微米厚、穩(wěn)定12%轉(zhuǎn)換效率的鈣鈦礦太陽能光伏板（64個獨(dú)立光伏，單位重量功率值23W/g），為無人飛行器模型提供動力（翼展58cm）。

國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

總體上，我國鈣鈦礦太陽能光伏電池技術(shù)與國外先進(jìn)水平基本持平，產(chǎn)業(yè)化工作正在積極推進(jìn)。

上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院韓禮元教授團(tuán)隊(duì)，2017年實(shí)現(xiàn)了有效面積36.1平方厘米、認(rèn)證效率12.1%的大面積鈣鈦礦模塊的效率世界紀(jì)錄；團(tuán)隊(duì)依托上海黎元新能源科技有限公司開展技術(shù)轉(zhuǎn)化以及光伏組件的產(chǎn)業(yè)化研發(fā)。

華中科技大學(xué)武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室韓宏偉教授團(tuán)隊(duì)，2014年在美國《科學(xué)》雜志發(fā)表基于全印刷技術(shù)的介觀鈣鈦礦太陽能光伏技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了印刷介觀太陽能電池及光電器件關(guān)鍵技術(shù)的突破；2015年研制出6平米全印刷介觀鈣鈦礦太陽能光伏模組，應(yīng)用前景良好；同時，依托鄂州萬度光能有限責(zé)任公司進(jìn)行全產(chǎn)業(yè)鏈布局一體化推進(jìn)，旨在實(shí)現(xiàn)廉價光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)化。

武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室印刷光電子實(shí)驗(yàn)室程一兵教授團(tuán)隊(duì)，實(shí)現(xiàn)了10厘米*10厘米鈣鈦礦光伏認(rèn)證效率16.5%、7厘米*7厘米轉(zhuǎn)換效率達(dá)17.9%的鈣鈦礦光伏組件等杰出成果。

中科院半導(dǎo)體所游經(jīng)碧研究員團(tuán)隊(duì)，2018年末刷新了鈣鈦礦光伏電池的轉(zhuǎn)換效率紀(jì)錄，經(jīng)美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室權(quán)威認(rèn)證，轉(zhuǎn)換效率突破23.7%。

中科院化學(xué)研究所綠色印刷實(shí)驗(yàn)室宋延林教授團(tuán)隊(duì)，開展了柔性鈣鈦礦太陽能光伏研究，通過納米組裝-印刷方式制備出“蜂巢狀納米支架”，實(shí)現(xiàn)了柔性鈣鈦礦太陽能光伏更高的力學(xué)穩(wěn)定，有望為柔性可穿戴電子設(shè)備提供可靠電源，當(dāng)前1平方厘米的柔性鈣鈦礦太陽能光伏的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到12.32%。

國內(nèi)多家商業(yè)公司正在積極推動鈣鈦礦太陽能光伏電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，如蘇州協(xié)鑫納米公司、杭州纖納光電公司、杭州眾能光電公司、上海黎元新能源公司、湖北萬度光能公司等。

蘇州協(xié)鑫納米公司生產(chǎn)的面積1300平方厘米鈣鈦礦太陽能光伏效率達(dá)13.48%，創(chuàng)造截至2019年9月世界最大面積鈣鈦礦光伏組件之最、大面積鈣鈦礦組件效率之最，目前正在建設(shè)100MW級鈣鈦礦電池生產(chǎn)線。

杭州眾能光電科技公司計劃百兆瓦級生產(chǎn)線2020年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，2021年推出GW級生產(chǎn)線。

另外，2019年8月，杭州纖納光電科技有限公司量產(chǎn)鈣鈦礦薄膜光伏模組（200-800平方厘米）認(rèn)證效率超過11.98%，標(biāo)志著商業(yè)化大組件的成功下線，目前正在建設(shè)20MW鈣鈦礦太陽能光伏生產(chǎn)線。萬度光能依托華中科技大學(xué)韓宏偉團(tuán)隊(duì)技術(shù)研發(fā)基礎(chǔ)，已建立110平方米可印刷鈣鈦礦太陽能光伏示范系統(tǒng)。

發(fā)展展望

鑒于鈣鈦礦太陽能電池的多方面綜合突出優(yōu)勢，以及國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)，可以預(yù)見，鈣鈦礦太陽能光伏電池將迎來快速發(fā)展和規(guī)模應(yīng)用階段。

1、效率持續(xù)提高，達(dá)到并超過市場主流產(chǎn)品水平

高光電轉(zhuǎn)換效率是眾多領(lǐng)域應(yīng)用的首要需求。2009年，世界上首次制備出鈣鈦礦太陽能光伏電池，轉(zhuǎn)換效率僅3.8%；2019年8月，經(jīng)權(quán)威認(rèn)證的鈣鈦礦太陽能光伏轉(zhuǎn)換效率已達(dá)25.2%。短短十年間，鈣鈦礦太陽能光伏的轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到目前第一代單晶硅太陽能電池的水平。

鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)光電轉(zhuǎn)換材料具有吸光性能高、覆蓋光譜范圍寬等特點(diǎn)，單結(jié)鈣鈦礦太陽能光伏理論轉(zhuǎn)換效率約33%，雙結(jié)鈣鈦礦太陽能光伏理論轉(zhuǎn)換效率可達(dá)40%以上。預(yù)計，單結(jié)、雙結(jié)鈣鈦礦太陽能光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率將繼續(xù)不斷刷新紀(jì)錄。

2、成本穩(wěn)步降低，為規(guī)模化產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用鋪平道路

鈣鈦礦材料來源豐富、儲量豐富，材料成本低，且鈣鈦礦材料配方可調(diào)，選擇空間大。鈣鈦礦太陽能光伏制備工藝相對簡單，生產(chǎn)成本低，材料純度要求90%以上即可，而硅基太陽能電池必須使用99.9999%高純硅。此外，第二代的砷化鎵薄膜電池雖轉(zhuǎn)換效率達(dá)30%左右，但生產(chǎn)成本特別昂貴。預(yù)期，鈣鈦礦組件的制造成本可達(dá)到單晶硅組件成本的50%。

國內(nèi)外多家公司正在大力推進(jìn)鈣鈦礦太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化工作，相關(guān)產(chǎn)業(yè)化技術(shù)在不遠(yuǎn)的將來可實(shí)現(xiàn)重大突破，并在多個典型領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)模應(yīng)用。預(yù)計，非柔性鈣鈦礦太陽能電池將首先實(shí)現(xiàn)規(guī)模化產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，在一定程度上實(shí)現(xiàn)對其他太陽能電池的替代應(yīng)用。

3、大面積、輕質(zhì)化、柔性技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬

鈣鈦礦材料吸光系數(shù)大，光伏厚度僅需微米級就能實(shí)現(xiàn)太陽光的有效利用；與傳統(tǒng)光伏電池制備工藝相比，鈣鈦礦太陽能電池可在相對較低的溫度下制備，可采用輕薄、柔性基底，顯著降低光伏電池重量。

大面積高效柔性鈣鈦礦太陽能光伏規(guī)模化生產(chǎn)設(shè)備目前尚處于試制、試驗(yàn)階段，相關(guān)技術(shù)發(fā)展亟需代表性應(yīng)用領(lǐng)域的需求牽引，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系亟需建立。預(yù)計，在航空航天等典型領(lǐng)域應(yīng)用需求牽引下，大面積高效柔性鈣鈦礦太陽能光伏電池關(guān)鍵技術(shù)有望在三年左右時間實(shí)現(xiàn)突破，并實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用。

推薦設(shè)備：鈣鈦礦激光刻蝕劃線機(jī)