CPIA：我國鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展情況

(一)鈣鈦礦技術(shù)概述

鈣鈦礦(perovskite)是指以俄國地質(zhì)學(xué)家LevPerovski名字命名的一類具有ABX3結(jié)構(gòu)的礦物化合物(如CaTiO3)，而具有光伏效應(yīng)的鈣鈦礦材料主要是一類具有相同晶體結(jié)構(gòu)的雜化金屬鹵化物鈣鈦礦。鈣鈦礦太陽電池(PerovskiteSolarCells-PSC)是指使用“有機(jī)-無機(jī)雜化金屬鹵化物”作為光敏層的一類薄膜太陽電池。由于所使用的光敏材料與鈣鈦復(fù)合氧化物(CaTiO3)具有相同的晶體結(jié)構(gòu)，所以被稱為“鈣鈦礦太陽電池”。

(二)技術(shù)研發(fā)進(jìn)展

1.光電轉(zhuǎn)換效率

截至2024年5月，鈣鈦礦-晶硅疊層太陽電池的世界最高紀(jì)錄效率為33.9%(面積：1.0044cm2)，由隆基綠能(LONGi)創(chuàng)造;鈣鈦礦-晶硅疊層小組件的世界最高紀(jì)錄效率為28.6%(面積：258.14cm2)，由英國牛津光伏(OxfordPV)保持;鈣鈦礦-鈣鈦礦疊層電池的世界最高紀(jì)錄效率為29.1%(面積：0.0489cm2)，由南京大學(xué)和仁爍光能(NanjingU/Renshine)保持;鈣鈦礦-鈣鈦礦疊層大面積電池的世界最高紀(jì)錄效率為28.2%(面積：1.038cm2)，由南京大學(xué)和仁爍光能保持;鈣鈦礦-鈣鈦礦疊層微型組件的世界最高紀(jì)錄效率為24.5%(面積：20.25cm2)，也由南京大學(xué)和仁爍光能保持。

2.鈣鈦礦電池穩(wěn)定性

鈣鈦礦商業(yè)化組件的穩(wěn)定性也得到了大幅提升。2022年杭州纖納1.2m´0.6m的鈣鈦礦組件經(jīng)德國電氣工程師協(xié)會(huì)(VDE)權(quán)威認(rèn)證，通過了IEC61215、IEC61730穩(wěn)定性全體系測試。2023年極電光能1.2m´0.6m的鈣鈦礦組件經(jīng)德國萊茵認(rèn)證公司TUV權(quán)威認(rèn)證，獲得了首張IEC61215、IEC61730的商用證書。

事實(shí)上，在鈣鈦礦太陽電池效率和穩(wěn)定性的研究上，科研人員并沒有或者沒法同步提升效率和穩(wěn)定性，即高效率不代表穩(wěn)定性也高，高穩(wěn)定性電池不代表效率也高，大多情況下效率和穩(wěn)定性無法兼顧，因而需要協(xié)同提升鈣鈦礦太陽電池的效率和穩(wěn)定性是業(yè)界新課題。在鈣鈦礦光伏產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中，大面積、規(guī)模化量產(chǎn)的鈣鈦礦商業(yè)化組件在“穩(wěn)效協(xié)同”(即效率和穩(wěn)定性同步提升)上需要取得新突破。

(三)國內(nèi)鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

產(chǎn)能不斷擴(kuò)大。截止2024年3月底，國內(nèi)已有纖納光電、協(xié)鑫光電和極電光能3家百兆瓦級(jí)鈣鈦礦產(chǎn)線通線。仁爍光能、萬度光能、曜能科技、脈絡(luò)能源4家公司百兆瓦級(jí)鈣鈦礦中試線已陸續(xù)建成。此外，多家鈣鈦礦公司正在建設(shè)中試線以及更多的實(shí)驗(yàn)室小試線建成或在建。隆基綠能、晶科能源、通威、正泰新能、天合光能、阿特斯等晶硅電池企業(yè)依托晶硅太陽電池的技術(shù)優(yōu)勢，選擇鈣鈦礦-晶硅疊層太陽電池路線，突破晶硅太陽電池的效率限制。寧德時(shí)代、比亞迪、京東方等上市公司也有布局鈣鈦礦行業(yè)，進(jìn)行相關(guān)技術(shù)和專利儲(chǔ)備。

組件邁進(jìn)商業(yè)化門檻。2023年，鈣鈦礦光伏標(biāo)準(zhǔn)組件也實(shí)現(xiàn)了歷史性的跨越，向大規(guī)模商業(yè)化邁出了一大步。纖納光電、協(xié)鑫光電、極電光能均有標(biāo)準(zhǔn)鈣鈦礦組件發(fā)電項(xiàng)目竣工發(fā)電。11月底，三峽集團(tuán)鄂爾多斯1MW鈣鈦礦電站并網(wǎng)。這些項(xiàng)目將為鈣鈦礦標(biāo)準(zhǔn)組件實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。

持續(xù)有新入局者。2023年6月，中國核電審議通過了《關(guān)于柔性、剛性鈣鈦礦商業(yè)級(jí)中試產(chǎn)線研發(fā)科研項(xiàng)目立項(xiàng)的議案》，2023年將重點(diǎn)加速鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。2023年11月，顯示面板龍頭京東方啟動(dòng)鈣鈦礦光伏項(xiàng)目，正式進(jìn)軍光伏行業(yè);2023年11月，比亞迪在投資者關(guān)系活動(dòng)發(fā)布中介紹旗下光伏業(yè)務(wù)時(shí)，提到"比亞迪已積極布局了鈣鈦礦電池技術(shù)"。

持續(xù)受資本市場看好。不同于宏觀市場環(huán)境表現(xiàn)，鈣鈦礦光伏企業(yè)持續(xù)受資本市場追捧，2023年全年至少有7家鈣鈦礦企業(yè)完成新一輪股權(quán)融資。

(四)存在的主要問題

1.產(chǎn)品穩(wěn)定性及商業(yè)化待驗(yàn)證鈣鈦礦的穩(wěn)定性是各界普遍關(guān)心的問題。早期的鈣鈦礦器件穩(wěn)定性較差，但近幾年得到了極大的提升。學(xué)術(shù)界對影響鈣鈦礦穩(wěn)定性的原因有了比較深入的理解，并針對性地提出了各種解決方案。但學(xué)術(shù)界提出的解決方案需要更多的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證;在工程上，如何把學(xué)術(shù)界提出的方案應(yīng)用到工程之中需要大量的二次開發(fā)工作。2023年，頭部企業(yè)陸續(xù)展開鈣鈦礦電站野外實(shí)證數(shù)據(jù)的收集，預(yù)計(jì)2024-2025年將會(huì)有更多的野外數(shù)據(jù)對鈣鈦礦產(chǎn)品穩(wěn)定性提供驗(yàn)證支撐。

2.產(chǎn)業(yè)生態(tài)發(fā)展不成熟鈣鈦礦組件的生產(chǎn)制造需要成熟的專門設(shè)備。目前，用于大面積鈣鈦礦組件制備的設(shè)備都是從其它領(lǐng)域移植過來的，還沒有完成與鈣鈦礦相關(guān)制造技術(shù)的融合。未來，應(yīng)該基于鈣鈦礦生產(chǎn)涉及到的材料和工藝技術(shù)開發(fā)出成熟的專用設(shè)備。

3.鈣鈦礦的效率測試及功率標(biāo)定問題首先，國際認(rèn)證機(jī)構(gòu)對光伏電池(組件)測試的面積定義僅限三種：全面積、孔徑面積和限定輻照面積。全面積與孔徑面積一般在成熟商業(yè)化組件的測試中采用。而鈣鈦礦的效率認(rèn)證普遍采用限定輻照面積法來進(jìn)行電池和組件的測試。但行業(yè)內(nèi)仍有不少第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)采用的是“去死區(qū)”的方法，造成因組件死區(qū)面積比例不同造成的測試結(jié)果偏差和應(yīng)用效果偏差。

其次，兩個(gè)國際權(quán)威的圖表只承認(rèn)所謂的“穩(wěn)態(tài)效率”，而穩(wěn)態(tài)效率的測試非常復(fù)雜，無法在生產(chǎn)線上推廣使用;光伏行業(yè)最常用的功率檢測手段“IV掃描法”對于鈣鈦礦組件而言，測量結(jié)果對測量條件(掃描方向、掃描速度等)過于敏感，給準(zhǔn)確的功率標(biāo)定造成了很大的困難。因此需要學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界、設(shè)備方聯(lián)手，制定一種可靠、快捷的組件電學(xué)參數(shù)檢驗(yàn)檢測標(biāo)準(zhǔn)。

第三，鈣鈦礦組件的弱光性能和溫度系數(shù)均優(yōu)于晶硅。在相同條件下，鈣鈦礦組件發(fā)電量高于晶硅。在測試過程中如果按照原來晶硅組件的測試標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)導(dǎo)致鈣鈦礦組件的測試結(jié)果誤差較大。因此，建立一套新的標(biāo)準(zhǔn)來標(biāo)注鈣鈦礦組件功率顯得至關(guān)重要。

4.量產(chǎn)組件的效率與穩(wěn)定性需要協(xié)同提高隨著組件面積的放大，其光電轉(zhuǎn)換效率明顯降低，而且這些高效率電池和組件基本無法保證其穩(wěn)定性。如何制備同時(shí)具有高效率和高穩(wěn)定性的大面積鈣鈦礦組件，即“穩(wěn)效協(xié)同”的量產(chǎn)組件，是各界普遍關(guān)注的問題，也是鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵問題。