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钙钛矿光伏技术发展现状与建议
电力规划设计总院 | 来源:电力规划设计总院 浏览次数:591 发布时间:2023年6月1日
摘要:

钙钛矿太阳能电池作为新兴的第三代光伏技术,自2009年面世以来,短短十几年内光电转换效率从3.8%提升到了25.7%。

  钙钛矿太阳能电池作为新兴的第三代光伏技术,自2009年面世以来,短短十几年内光电转换效率从3.8%提升到了25.7%。随着晶硅太阳能电池的效率逐渐接近理论极限值,高效率、低成本的钙钛矿电池越发受到全球光伏行业的关注。在学术研究持续深入开展的同时,钙钛矿光伏的产业化技术也不断取得突破。我国作为全球第一光伏大国,在晶硅光伏领域长期保持领先地位;而在新兴的钙钛矿光伏领域中,与各国处于同一起跑线。为促使我国在钙钛矿光伏产业化初期建立先发优势,需协调“政产学研用”多端发力,引入多种先进技术提升钙钛矿光伏量产水平,加快开展实证和示范应用,及时构建钙钛矿光伏标准体系,确保钙钛矿光伏技术产业化进程全面自主可持续。

  一、钙钛矿光伏技术发展现状

  钙钛矿太阳能电池以钙钛矿结构卤化物作为光吸收层材料,具有带隙可调、吸光系数高、温度系数低、轻薄柔性等特点,是当前最具大规模推广应用前景的一类新型太阳能电池。经过十余年研究,钙钛矿光伏的基本原理、材料配方、性能优化路径等方面已逐步成型。同时,晶硅光伏电池和组件的量产工艺及产线设备的全面国产化为钙钛矿光伏技术产业化提供了先导性的借鉴。近几年,来自高校、科研院所的研发团队和晶硅光伏领域的电池、组件及设备厂商纷纷投入钙钛矿光伏技术研发,在钙钛矿电池、钙钛矿叠层电池、钙钛矿光伏组件和钙钛矿组件生产装备等方面取得了显著进展。

  (一)钙钛矿太阳能电池研究现状

  高效率是钙钛矿太阳能电池最引人注目的优势。钙钛矿电池的理论极限效率为33%,远高于晶硅电池的29.4%。通过优化电池的组分、微观结构、制备工艺等,实验室中制备钙钛矿电池的效率屡创新高。2022年7月,中科院半导体所研发的钙钛矿电池获得了25.6%的认证效率,仅次于韩国蔚山国立科学技术研究院(UNIST)于2021年创造的25.7%的世界最高效率纪录。

  钙钛矿电池的光谱响应范围在300~800纳米,即可见光波段,而晶硅电池、铜铟镓硒(CIGS)电池等可以吸收利用红外光。因此,将钙钛矿电池和晶硅、CIGS等电池组成叠层电池,能够充分利用各波段的光照,获得更高的光电转换效率。而钙钛矿电池自身的吸收光波段范围也可以通过调节带隙作出改变。将宽带隙和窄带隙的钙钛矿电池组成叠层电池,光电转换效率可以显著提高。2022年6月,南京大学研发出效率为28.0%的钙钛矿/钙钛矿叠层电池,刷新了世界纪录。

  适用于建筑物、便携式设备、消费品等应用场景的柔性钙钛矿电池和室内钙钛矿电池也是当前的研究热点。清华大学研发的柔性钙钛矿电池最高效率为23.6%,刷新了世界纪录;目前室内钙钛矿电池的世界最高效率由陕西师范大学保持,在824.5勒克司的室内灯光照射下,电池效率高达40.1%。

  我国的钙钛矿太阳能电池研究与国际上同步发展,多个研究团队处于国际一流水平。实验室研究的丰硕成果为我国钙钛矿光伏产业化提供了充分的理论指导,学术界与产业界开展了深入合作,持续推动实验室研究成果向量产技术的转化。

  (二)钙钛矿光伏组件技术发展现状

  钙钛矿光伏组件属于薄膜组件,是在玻璃上依次沉积钙钛矿电池的各层薄膜,并封装制成的。电池中的空穴传输层、电子传输层、对电极等各层薄膜通常采用真空沉积法制备,而钙钛矿吸收层的制备工艺分为湿法和干法两类。典型的湿法工艺例如狭缝涂布法,设备构造较为简单,易于将电池薄膜涂布面积从实验室制备的毫米级拓宽到数十厘米,因而为目前大部分试验产线所采用。但考虑到增大组件面积将对薄膜质量提出更高的要求,真空蒸镀等干法工艺可能更适用于一米以上宽度大面积组件的量产产线。

  由于大面积薄膜质量控制难度较高,钙钛矿组件面积越大,效率下降越多。目前,数十平方厘米的小组件效率可达到20%以上,数百平方厘米的组件效率可达到18%,而0.1平方米以上的组件效率仅在16%左右。可见,适合于大规模应用的大尺寸钙钛矿组件效率仍待提高。

  现已初步建成及在建的钙钛矿组件产线均为百兆瓦级及以下的试验线,采用湿法涂布钙钛矿吸收层薄膜。基于与量产相近的产线条件,组件的材料配方、生产工艺、产品规格设计等有望快速优化。

  钙钛矿/晶硅叠层组件与常规钙钛矿组件的主要区别在于,钙钛矿电池薄膜并非直接沉积在整面玻璃上,而是沉积在晶硅电池片上。一方面,较小的薄膜面积降低了对薄膜沉积设备的尺寸要求,与晶硅电池片产线的耦合也有助于降低生产成本;而另一方面,钙钛矿电池需与晶硅电池进行带隙匹配,电池设计难度较大。目前,实验室中制备的20平方厘米钙钛矿/晶硅叠层组件最高效率为26.63%,但尚未有钙钛矿叠层组件中试线建成投产。

  此外,基于钙钛矿电池的轻薄、半透明等特点,也有研究机构和厂商正在研发柔性组件和彩色组件。这些特殊组件有望在可穿戴设备、建筑等场景获得应用。

  二、钙钛矿光伏产业化面临的挑战

  (一)钙钛矿电池长期服役的稳定性问题

  钙钛矿太阳能电池的稳定性问题是实际应用中面临的首要挑战。在水汽、高温、紫外线照射等外界条件刺激下,钙钛矿电池易发生降解,性能严重衰减。提高钙钛矿电池稳定性的措施主要有两个层面,一是优化电池本身的组分和微观结构等,二是优化钙钛矿光伏组件的封装材料和封装工艺。

  已有一些厂商宣布,试制的组件产品通过了根据IEC 61215等光伏行业公认的国际标准进行的组件稳定性测试,并据此推测钙钛矿组件与晶硅组件的使用寿命相当,可确保服役25年后发电效率保持在初始值的80%以上。但是,考虑到钙钛矿组件仍未实现批量生产和应用,其在高温、高湿、高盐雾等实际服役环境中的稳定性仍有待考验。

  (二)大面积钙钛矿组件的效率和品质问题

  大面积钙钛矿组件的效率和质量偏低,主要原因在于大面积薄膜沉积设备和工艺水平受限。不同于晶硅组件将多个小面积电池片串并联的模式,钙钛矿组件的镀膜面积达到平方米级。目前,国产真空镀膜设备的大面积均匀连续镀膜性能与国际先进水平存在差距。此外,大面积镀膜产线上的工艺调试难度也较高。

  (三)光伏产线设备关键部件的短板问题

  我国光伏行业经过多年快速发展,已基本实现全产线设备国产化,但设备的部分关键部件仍依赖进口。例如,真空镀膜设备中的真空泵、射频电源、阀门等,激光刻蚀设备中的激光器、振镜等,技术指标和质量可靠性与国际主流厂商存在较大差距。虽然我国的光伏产线设备厂商较早涉足了钙钛矿组件生产设备开发,并已取得初步成果,使我国的钙钛矿组件小试、中试、量产产线始终保持高度国产化,但关键部件的短板在钙钛矿组件产线中同样存在,可能成为我国钙钛矿光伏产业链中的“卡脖子”环节。

  三、推进钙钛矿光伏产业化的建议

  (一)有效发挥政府引导作用

  钙钛矿光伏技术作为最具大规模应用前景的新一代光伏技术,已获得国家能源和科技主管部门、学术界、产业界及各类投资主体的重视。但是,当前市场上存在炒作概念、盲目跟风等现象,对钙钛矿光伏技术产业化的扎实推进可能造成不利影响。

  为助力钙钛矿光伏技术的产业化进程高效有序推进,应充分发挥国家能源和科技主管部门规范和引导作用,制定技术指标,出台激励政策;建立“政产学研用”协同机制,鼓励各种技术路线、各类研发和市场主体广泛参与钙钛矿光伏技术的产业化进程;秉持开放与合作理念,引导技术、人才、资金等国内国际双向流动,坚持“请进来”和“走出去”并重,主动营造全面深度融合的国际行业生态;鼓励国有资本以多种形式对钙钛矿光伏技术产业化予以支持,通过市场手段引导产业健康发展。

  地方各级政府应切实落实《“十四五”能源领域科技创新规划》《科技支撑碳达峰碳中和实施方案(2022—2030年)》等国家政策要求,制定推进钙钛矿光伏产业化的具体方案和激励政策,遵循科学、务实、严谨的原则,促进适合本地区的钙钛矿光伏产业链环节健康发展。

  (二)多专业领域协作形成合力

  钙钛矿光伏技术的实验室研发工作主要由材料学、化学、物理学等领域的学者主导,而进入产业化阶段,涉及的技术领域更丰富,产业链环节更多,多专业领域协作的必要性凸显,特别是有必要积极引入各专业领域的先进技术,以提升钙钛矿光伏产业化的效率和效果。例如,利用机器学习、大数据等技术,在一定程度上代替全人工方式,开展高通量试验,高效精准筛选钙钛矿光伏组件的材料、配方和制造工艺条件,大幅度提高产线材料和工艺优化的速度;借鉴大面积显示面板镀膜、半导体加工、光学元件加工等领域及其生产装备领域的先进技术,助力钙钛矿光伏组件镀膜质量提升。

  (三)加快推进钙钛矿光伏产品的实证和示范应用

  钙钛矿光伏组件的不稳定性、有毒金属泄漏等潜在风险将对其大规模推广应用造成阻碍。因此,有必要尽快通过大量实证试验和示范应用,摸清其实际服役性能和安全性,从而准确评估其应用风险,为推广应用提供科学支撑。

  钙钛矿光伏产品的实证和示范应用的顺利开展,需要用户单位和电网企业与钙钛矿光伏产品生产厂商、光伏系统设备厂商、检测认证单位、设计和施工单位等协作,打通项目落地各环节,营造开放包容的应用环境。

  (四)及时构建钙钛矿光伏技术标准体系,积极争取掌握国际标准话语权

  为确保钙钛矿光伏产品的生产和应用技术具备规范性、系统性、可推广性及与现有光伏应用技术体系的兼容性,应在钙钛矿光伏产业化过程中同步建立标准体系。钙钛矿光伏标准体系的构建,应以现行光伏技术标准体系为基础,面向应用需求,充分体现钙钛矿光伏产品生产和应用的特点,并考虑到钙钛矿光伏技术仍在不断发展变化的实际情况,兼顾规范性和灵活性。

  现行光伏国际标准体系的建立起源于上世纪八十年代,我国的晶硅光伏行业作为后起之秀,是在既有的国际标准体系框架下发展起来的,在国际标准制定中的原创性贡献较少,在国际标准组织中的参与度偏低,话语权较弱。而在钙钛矿光伏领域,我国与国际上研究水平相当,且产业化进度和规模略有优势,故应抓住时机,积极支持我国钙钛矿光伏领域,特别是产业化一线的技术专家加入国际光伏标准组织,深度参与钙钛矿光伏标准制定工作,在国际标准体系中争取更大的话语权,从而提升我国钙钛矿光伏产业的国际竞争力。

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