鈣鈦礦太陽能電池的前世今生和產(chǎn)業(yè)未來

: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(jià)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(bào)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(gè)客觀真實(shí)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(shí)驗(yàn)室測試時(shí)發(fā)現(xiàn)的。2000年代中期，當(dāng)時(shí)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)室和光伏企業(yè)在實(shí)驗(yàn)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(gè)驚人的進(jìn)步，要知道，其他電池技術(shù)普遍花費(fèi)了40多年時(shí)間才達(dá)到實(shí)驗(yàn)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(diǎn)：

它有很寬的帶隙，這意味著更大的光電轉(zhuǎn)換率；

目前的實(shí)驗(yàn)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(gè)可行的路線圖，效率可達(dá)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(jī)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(shí)，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(xiǎn)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(bào)是以幾個(gè)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(gè)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(jìn)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(gè)實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)，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(shí)的生命周期測試(新技術(shù)的光伏產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn))，其中有些甚至高達(dá)10，000小時(shí)。

與機(jī)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(biāo)準(zhǔn)制造方法封裝的鈣鈦礦太陽能組件，成功地完成了標(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(gè)應(yīng)用場合嚴(yán)格控制，特別是當(dāng)鉛以水溶性的形式使用時(shí)，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(gè)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(dá)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(yàn)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(jìn)行研究：

實(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論值之間存在一定程度的差距。據(jù)報(bào)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(jìn)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(gè)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(diǎn)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(fèi)，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(jìn)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(shí)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(rèn)為是鈣鈦礦電池進(jìn)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(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到效率的最大化；此外，還應(yīng)進(jìn)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(bào)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(jìn)入2020這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)室 （NREL） 認(rèn)證。

與此同時(shí)，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(jìn)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(dá)到11.98%，打破了日本東芝公司保持的前世界紀(jì)錄。

2019年2月，協(xié)鑫集團(tuán)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(jì)劃于今年實(shí)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(shí)用化鈣鈦礦組件效率達(dá)到了15.31%。

為了滿足聯(lián)合國減排計(jì)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(kuò)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(dú)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(kuò)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(gè)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(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)應(yīng)用？讓我們拭目以待。

原標(biāo)題:鈣鈦礦太陽能電池的前世今生和產(chǎn)業(yè)未來