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| 鈣鈦礦太陽能電池的前世今生和產(chǎn)業(yè)未來現(xiàn)狀 |
| （時間:2020-2-11 10:09:47） |
十年以前，倘若說在一切事物上鋪設(shè)使用太陽能電池，為世界提供無窮無盡的廉價能源，看起來是毫無根據(jù)的，缺少的是一種高效率、低成本和可高度生產(chǎn)的材料。
這種材料就是鈣鈦礦。
對于鈣鈦礦太陽能電池(PSC)，業(yè)界存在著許多誤解，來自各種各樣的外行報道更是加劇了人們的困惑。像所有新技術(shù)的產(chǎn)生一樣，在鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中，對其不看好聲音比比皆是。
本文為你還原一個客觀真實的鈣鈦礦。
鈣鈦礦的由來
鈣鈦礦由170年前在俄羅斯烏拉爾山脈首次發(fā)現(xiàn)的結(jié)晶立方體和類金剛石結(jié)構(gòu)中的一類礦物組成，它以俄羅斯礦物學(xué)家列夫·佩羅夫斯基的名字命名，大量存在于地球地幔中，少量也存在于近地表礦床中。除此之外，鈣鈦礦也可以由用于太陽能電池和其他用途的化學(xué)品合成，其中包括發(fā)光二極管、催化劑電極、燃料電池、集成電路芯片、激光和傳感器等等。
鈣鈦礦可以作為一種光伏電池材料最初是在實驗室測試時發(fā)現(xiàn)的。2000年代中期，當(dāng)時雖然將它用作太陽能電池的研究并不成功，但鈣鈦礦化合物相當(dāng)強的光反應(yīng)能力就此挖掘。近10年來，采用大約30cmx 30cm的面積，學(xué)術(shù)界、國家實驗室和光伏企業(yè)在實驗室環(huán)境中的鈣鈦礦效率從2%提高到29%，。對比回顧其他太陽能電池技術(shù)發(fā)展史，不得不說這是一個驚人的進步，要知道，其他電池技術(shù)普遍花費了40多年時間才達到實驗室規(guī)模的效率。
鈣鈦礦電池優(yōu)勢
鈣鈦礦在太陽能電池組件領(lǐng)域具有許多優(yōu)點：
它有很寬的帶隙，這意味著更大的光電轉(zhuǎn)換率；
目前的實驗室效率反映了其與硅晶體和其他薄膜產(chǎn)品的效率差距，串聯(lián)鈣鈦礦電池有一個可行的路線圖，效率可達33%以上；
鈣鈦礦的生產(chǎn)主要通過溶液處理，過程高度簡化，不需要高成本的機械和設(shè)備；
它是作為薄膜產(chǎn)品制造的，因此材料使用減少了20倍；
它不需要稀土或供應(yīng)有限的材料；
鈣鈦礦具有很高的缺陷耐受性，在大于300 W的組件中工作時，可產(chǎn)生較高的制造成品率和易加工性(目前的薄膜需要特殊的工程、成本和風(fēng)險來增加制造沉積面積)；
基于鈣鈦礦的組件可以被塑造成傳統(tǒng)的矩形光伏組件，也可以是柔性的，開辟了新的應(yīng)用和市場；
鈣鈦礦型太陽能組件的制造取決于所采用的制造方法，受環(huán)境影響很�。�
投資回報是以幾個月和幾年來衡量的。
為鈣鈦礦正名
而有關(guān)鈣鈦礦太陽能電池，最常見的誤解是穩(wěn)定性和毒性:
穩(wěn)定性
光誘導(dǎo)的組件降解和環(huán)境穩(wěn)定性是被反對聲音不斷引用的方面。早期，鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性是一個很大的問題。但是正如組件效率有了飛速提升一樣，穩(wěn)定性也早已有了快速的進步。
光引起的降解現(xiàn)在已經(jīng)被很好的理解了：主要障礙是鈣鈦礦電池兩側(cè)電子轉(zhuǎn)移層材料的選擇。多個實驗室已經(jīng)成功替代了新材料并解決了該問題。
在風(fēng)化方面，就像其他薄膜和晶硅太陽能電池一樣，暴露在潮濕空氣和其他常見的環(huán)境物質(zhì)中會導(dǎo)致鈣鈦礦組件的快速降解。采用標準的組件包裝方案，環(huán)境的影響得到了很大程度的解決。這不得不提到早期的銅銦鎵硒化鎵(CIGS)組件的發(fā)展，在當(dāng)時，人們普遍提到的是對水分的不耐受性。但是現(xiàn)在基于CIGS的組件已經(jīng)被廣泛使用，沒有重大的環(huán)境穩(wěn)定性問題。
鈣鈦礦光伏電池的光誘導(dǎo)降解參數(shù)已經(jīng)通過了超過1，000小時的生命周期測試(新技術(shù)的光伏產(chǎn)業(yè)標準)，其中有些甚至高達10，000小時。
與機械耐久性、外加電壓加熱以及電流-電壓行為有關(guān)的其他穩(wěn)定性問題在測試過程中也同樣被解決。
在光誘導(dǎo)和環(huán)境穩(wěn)定性方面，TNO、imec和Eindhoven大學(xué)最近的一篇論文展示了采用標準制造方法封裝的鈣鈦礦太陽能組件，成功地完成了標準光伏產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定性測試，包括光浸、濕熱和熱循環(huán)。
鉛
鈣鈦礦組件結(jié)構(gòu)是一種最常見的甲基銨鉛鹵化物，然而鈣鈦礦電池鉛的用量很小，一塊鈣鈦礦電池組件僅含2g鉛，相比之下，平均一塊晶硅板含鉛量達16g。（☞☞穩(wěn)定性？毒性？協(xié)鑫告訴你鈣鈦礦到底行不行）
由于鉛是一種有毒的金屬物質(zhì)，所以它需要在從制造到壽命結(jié)束的各個應(yīng)用場合嚴格控制，特別是當(dāng)鉛以水溶性的形式使用時，比如鈣鈦礦太陽能電池。鉛回收是世界上最大和最完整的材料產(chǎn)業(yè)，鈣鈦礦電池行業(yè)在一定程度上來說將只使用總量的0.0007g。
鈣鈦礦的下一個十年
未來10年鈣鈦礦電池發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)是什么？除致力于達到理論效率極限外，需要將小面積鈣鈦礦電池積累的技術(shù)經(jīng)驗轉(zhuǎn)移到大面積組件和疊層結(jié)構(gòu)器件的商業(yè)化生產(chǎn)中，也需要保證鈣鈦礦電池的長期穩(wěn)定性。除此，未來可能會發(fā)展可回收的鈣鈦礦電池材料。因此，預(yù)測將在以下方面進行研究：
實現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率的理論極限值。根據(jù)相關(guān)參數(shù)分析，開路電壓（VOC）和填充因子(FF)實驗數(shù)據(jù)與理論值之間存在一定程度的差距。據(jù)報道，VOC和FF與非輻射復(fù)合有關(guān)，包括Shockley-Read-Hall復(fù)合和界面復(fù)合。因此，需要對界面和晶界進行研究，以便更好地理解復(fù)合的起源。人們提出了不同的界面工程技術(shù)，但觀察到的數(shù)據(jù)仍顯示與理論上值VOC(1.33V)和FF(0.91)存在差異。目前需要尋求一個通用有效的方法在單結(jié)鈣鈦礦電池上獲得超過30%的轉(zhuǎn)換效率。
大面積涂層溶液的研究。大面積涂層旋涂過程中的向心力允許在涂層溶液中使用高沸點極性非質(zhì)子溶劑形成鈣鈦礦薄膜。然而，用于旋涂方法的極性非質(zhì)子溶劑溶液僅適用于超過10×10 cm的大面積涂層，這意味著需要為沒有向心力的大面積涂層開發(fā)新的涂層溶液。
回收技術(shù)。為避免鉛浪費，回收技術(shù)是十分重要的�？梢詫U棄的鈣鈦礦太陽能組件進行化學(xué)處理以溶解鈣鈦礦，需要開發(fā)有效的收集鉛的方法，特別是收集鉛I2、導(dǎo)電襯底和金屬電極，實現(xiàn)完全可循環(huán)利用。
基于鈣鈦礦的串聯(lián)技術(shù)。疊層結(jié)構(gòu)被認為是鈣鈦礦電池進入光伏市場的有效途徑之一。鈣鈦礦電池可以用作頂部單元，較窄的帶隙Si或CIGS放置在底部。需要對最佳帶隙進行設(shè)計，以達到效率的最大化；此外，還應(yīng)進行光電管理方面的研究，以改善最終疊層結(jié)構(gòu)中的光伏參數(shù)；就疊層電池結(jié)構(gòu)而言，鈣鈦礦頂部電池的正向或反向結(jié)構(gòu)取決于半導(dǎo)體Si的類型。例如，使用p型Si底部電池和在Si底部電池頂部的倒置鈣鈦礦結(jié)構(gòu)報告了超過25%的轉(zhuǎn)換效率；除了雙結(jié)之外，三結(jié)也可能得到更高的轉(zhuǎn)換效率。模擬結(jié)果預(yù)測，底部具有1.1 eV 硅，中部具有1.44 eV鈣鈦礦，頂部具有1.95 eV鈣鈦礦的三結(jié)單元可產(chǎn)生約39%的效率。
鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
進入2020這個轉(zhuǎn)折點，單結(jié)鈣鈦礦-硅疊層太陽能電池便以29.15%的最新效率再次刷新效世界記錄，打破了此前牛津光伏公布了鈣鈦礦-硅疊層電池28.0%轉(zhuǎn)化效率（☞☞28%，接連打破記錄的鈣鈦礦電池橫空出世�。�，牛津光伏作為最早一批布局鈣鈦礦的光伏企業(yè)其28.0%轉(zhuǎn)化效率通過了美國國家可再生能源實驗室 （NREL） 認證。
與此同時，國內(nèi)光伏企業(yè)對鈣鈦礦的布局也在加快鈣鈦礦電池的量產(chǎn)化進程。
杭州纖納光電首條20MW鈣鈦礦量產(chǎn)產(chǎn)線生產(chǎn)的鈣鈦礦組件（200cm-800cm）效率達到11.98%，打破了日本東芝公司保持的前世界紀錄。
2019年2月，協(xié)鑫集團旗下蘇州協(xié)鑫納米科技有限公司率先建成10兆瓦級大面積鈣鈦礦組件中試生產(chǎn)線，完成了相關(guān)材料合成及制造工藝的開發(fā)。領(lǐng)跑者創(chuàng)新論壇《☞☞2019首屆鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化大會》上，協(xié)鑫宣布并已開始100兆瓦量產(chǎn)生產(chǎn)線的建設(shè)工作，計劃于今年實現(xiàn)鈣鈦礦光伏組件的商業(yè)化生產(chǎn)。在1241.16平方厘米的有效面積上，☞☞協(xié)鑫納米實用化鈣鈦礦組件效率達到了15.31%。
為了滿足聯(lián)合國減排計劃所需的全球能源總量的20%，光伏產(chǎn)業(yè)將需要在未來30年內(nèi)每年安裝300至500 GW的線性增長，這使供應(yīng)鏈面臨的巨大挑戰(zhàn)。晶硅組件工業(yè)的大型資本密集問題將太陽能供應(yīng)限制在全球能源總量的5%。人們普遍誤解，晶硅組件的低利潤率主要是由于它們是高度商品化的產(chǎn)品，資本密集正在阻止巨大而持久的利潤率，加劇了供應(yīng)鏈規(guī)模擴大的融資挑戰(zhàn)。
太陽能的成本仍然很高，從許多研究來看，太陽能的安裝成本需要低于2.1元/W才能解決這一問題，即使與低成本的儲能相結(jié)合也是如此，而鈣鈦礦太陽能以其獨特的簡化制造屬性、原材料、性能和小的環(huán)境影響，使其具有高度的可擴展性。根據(jù)不同的商業(yè)模式，鈣鈦礦組件可以在比其他太陽能工廠便宜50%的設(shè)施中制造，而且使用的材料也較少。支持鈣鈦礦電池制造的供應(yīng)鏈也很小，工廠更靠近終端市場。下一個階段，鈣鈦礦電池能夠以多快的速度通過某一特定生產(chǎn)方法從而實現(xiàn)大批量生產(chǎn)應(yīng)用？讓我們拭目以待。
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