我国钙钛矿太阳能电池发展情况

2024-07-01 10:22来源:gessey浏览数:161 

(一)钙钛矿技术概述

钙钛矿(perovskite)是指以俄国地质学家Lev Perovski名字命名的一类具有ABX3结构的矿物化合物(如CaTiO3),而具有光伏效应的钙钛矿材料主要是一类具有相同晶体结构的杂化金属卤化物钙钛矿。钙钛矿太阳电池(PerovskiteSolar Cells-PSC)是指使用“有机-无机杂化金属卤化物”作为光敏层的一类薄膜太阳电池。由于所使用的光敏材料与钙钛复合氧化物(CaTiO3)具有相同的晶体结构,所以被称为“钙钛矿太阳电池”。

(二)技术研发进展

1.光电转换效率

截至2024年5月,钙钛矿-晶硅叠层太阳电池的世界最高纪录效率为33.9%(面积:1.0044 cm2),由隆基绿能(LONGi)创造;钙钛矿-晶硅叠层小组件的世界最高纪录效率为28.6%(面积:258.14 cm2),由英国牛津光伏(Oxford PV)保持;钙钛矿-钙钛矿叠层电池的世界最高纪录效率为29.1%(面积:0.0489 cm2),由南京大学和仁烁光能(NanjingU/Renshine)保持;钙钛矿-钙钛矿叠层大面积电池的世界最高纪录效率为28.2%(面积:1.038 cm2),由南京大学和仁烁光能保持;钙钛矿-钙钛矿叠层微型组件的世界最高纪录效率为24.5%(面积:20.25 cm2),也由南京大学和仁烁光能保持。

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2.钙钛矿电池稳定性

钙钛矿商业化组件的稳定性也得到了大幅提升。2022年杭州纤纳1.2m´0.6m的钙钛矿组件经德国电气工程师协会(VDE)权威认证,通过了IEC61215、IEC61730稳定性全体系测试。2023年极电光能1.2m´0.6m的钙钛矿组件经德国莱茵认证公司TUV权威认证,获得了首张IEC61215、IEC61730的商用证书。

事实上,在钙钛矿太阳电池效率和稳定性的研究上,科研人员并没有或者没法同步提升效率和稳定性,即高效率不代表稳定性也高,高稳定性电池不代表效率也高,大多情况下效率和稳定性无法兼顾,因而需要协同提升钙钛矿太阳电池的效率和稳定性是业界新课题。在钙钛矿光伏产业化进程中,大面积、规模化量产的钙钛矿商业化组件在“稳效协同”(即效率和稳定性同步提升)上需要取得新突破。

(三)国内钙钛矿产业化进展

产能不断扩大。截止2024年3月底,国内已有纤纳光电、协鑫光电和极电光能3家百兆瓦级钙钛矿产线通线。仁烁光能、万度光能、曜能科技、脉络能源4家公司百兆瓦级钙钛矿中试线已陆续建成。此外,多家钙钛矿公司正在建设中试线以及更多的实验室小试线建成或在建。隆基绿能、晶科能源、通威、正泰新能、天合光能、阿特斯等晶硅电池企业依托晶硅太阳电池的技术优势,选择钙钛矿-晶硅叠层太阳电池路线,突破晶硅太阳电池的效率限制。宁德时代、比亚迪、京东方等上市公司也有布局钙钛矿行业,进行相关技术和专利储备。

组件迈进商业化门槛。2023年,钙钛矿光伏标准组件也实现了历史性的跨越,向大规模商业化迈出了一大步。纤纳光电、协鑫光电、极电光能均有标准钙钛矿组件发电项目竣工发电。11月底,三峡集团鄂尔多斯1MW钙钛矿电站并网。这些项目将为钙钛矿标准组件实现大规模商业化应用积累宝贵经验。

持续有新入局者。2023年6月,中国核电审议通过了《关于柔性、刚性钙钛矿商业级中试产线研发科研项目立项的议案》,2023年将重点加速钙钛矿太阳能电池产业化进程。2023年11月,显示面板龙头京东方启动钙钛矿光伏项目,正式进军光伏行业;2023年11月,比亚迪在投资者关系活动发布中介绍旗下光伏业务时,提到"比亚迪已积极布局了钙钛矿电池技术"。

持续受资本市场看好。不同于宏观市场环境表现,钙钛矿光伏企业持续受资本市场追捧,2023年全年至少有7家钙钛矿企业完成新一轮股权融资。

(四)存在的主要问题

1.产品稳定性及商业化待验证钙钛矿的稳定性是各界普遍关心的问题。早期的钙钛矿器件稳定性较差,但近几年得到了极大的提升。学术界对影响钙钛矿稳定性的原因有了比较深入的理解,并针对性地提出了各种解决方案。但学术界提出的解决方案需要更多的实验进行验证;在工程上,如何把学术界提出的方案应用到工程之中需要大量的二次开发工作。2023年,头部企业陆续展开钙钛矿电站野外实证数据的收集,预计2024-2025年将会有更多的野外数据对钙钛矿产品稳定性提供验证支撑。

2.产业生态发展不成熟钙钛矿组件的生产制造需要成熟的专门设备。目前,用于大面积钙钛矿组件制备的设备都是从其它领域移植过来的,还没有完成与钙钛矿相关制造技术的融合。未来,应该基于钙钛矿生产涉及到的材料和工艺技术开发出成熟的专用设备。

3.钙钛矿的效率测试及功率标定问题首先,国际认证机构对光伏电池(组件)测试的面积定义仅限三种:全面积、孔径面积和限定辐照面积。全面积与孔径面积一般在成熟商业化组件的测试中采用。而钙钛矿的效率认证普遍采用限定辐照面积法来进行电池和组件的测试。但行业内仍有不少第三方认证机构采用的是“去死区”的方法,造成因组件死区面积比例不同造成的测试结果偏差和应用效果偏差。

其次,两个国际权威的图表只承认所谓的“稳态效率”,而稳态效率的测试非常复杂,无法在生产线上推广使用;光伏行业最常用的功率检测手段“IV扫描法”对于钙钛矿组件而言,测量结果对测量条件(扫描方向、扫描速度等)过于敏感,给准确的功率标定造成了很大的困难。因此需要学术界、产业界、设备方联手,制定一种可靠、快捷的组件电学参数检验检测标准。

第三,钙钛矿组件的弱光性能和温度系数均优于晶硅。在相同条件下,钙钛矿组件发电量高于晶硅。在测试过程中如果按照原来晶硅组件的测试标准,会导致钙钛矿组件的测试结果误差较大。因此,建立一套新的标准来标注钙钛矿组件功率显得至关重要。

4.量产组件的效率与稳定性需要协同提高随着组件面积的放大,其光电转换效率明显降低,而且这些高效率电池和组件基本无法保证其稳定性。如何制备同时具有高效率和高稳定性的大面积钙钛矿组件,即“稳效协同”的量产组件,是各界普遍关注的问题,也是钙钛矿产业化的关键问题。


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