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鈣鈦礦,會革晶硅電池的命嗎?

鈣鈦礦,會革晶硅電池的命嗎?

近年來,鈣鈦礦材料正迅速成為太陽能領(lǐng)域的一種熱門候選材料。不過它的主要缺點之一,就是容易在陽光直射下,其性能會隨著時間的流逝而退化。據(jù)報道,來自美國、中國和韓國的科學(xué)家組成一支研究團隊,研發(fā)成功一種可用于鈣鈦礦光伏面板的新涂層,特點是能夠提升其在陽光下的穩(wěn)定性??蒲袌F隊在材料表明沉積一層有機離子,使表面帶負(fù)電,再讓帶正電的離子與表面帶負(fù)電的離子配對,這使表面電子變得更中性且穩(wěn)定。測試結(jié)果表明,這些電池能在2000多個小時內(nèi)保持最初光電轉(zhuǎn)化效率的87%。相比之下,在同樣條件下,經(jīng)歷相同時間后,未經(jīng)處理的太陽能電池性能下降到原來的65%。

該研究為鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)商業(yè)化和廣泛采用奠定了基礎(chǔ)。作為目前主流的光伏技術(shù),晶硅光伏發(fā)電效率已越來越接近極限。鈣鈦礦作為一種人工合成材料,在2009年首次被嘗試應(yīng)用于光伏發(fā)電領(lǐng)域后,因為性能優(yōu)異、成本低廉、商業(yè)價值巨大,被《科學(xué)》(Science)期刊評為年度十大突破性科技進展之一。

光伏發(fā)電

一米寬兩米長的鈣鈦礦電池組件

目前鈣鈦礦電池成為研發(fā)熱點,鈣鈦礦電池或?qū)⒃?年之后,成為真正具有市場競爭力的一股光伏新勢力,如果各項技術(shù)參數(shù)能獲得進一步突破,鈣鈦礦取代晶硅也不是不可能。鈣鈦礦電池目前取得的進展如下所示:

1、鈣鈦礦電池效率獲得突破

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如上圖所示,鈣鈦礦用了大概10年左右的時間,將轉(zhuǎn)換效率從最初的3.8%提升至目前超過25%的實驗室效率記錄,趕上了過去晶硅四五十年的發(fā)展。

2、鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)鏈短,投資成本低

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對于晶硅來說,硅料、拉晶、切片、電池、組件需要四個以上不同工廠生產(chǎn)加工,倘若所有環(huán)節(jié)無縫對接,一片組件完工最快也需要一個多月的時間;而100兆瓦的鈣鈦礦組件,從玻璃、膠膜、靶材、化工原料進入,到組件成型,總共只需45分鐘。

以1GW產(chǎn)能投資來對比,晶硅的硅料、硅片、電池、組件全部加起來,需要大約9億、接近10億元的投資規(guī)模,而鈣鈦礦1GW的產(chǎn)能投資,在達到一定成熟度后,約為5億元左右,是晶硅的1/2。

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3、鈣鈦礦用量少

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晶硅組件中的硅片,厚度通常為180微米,而鈣鈦礦組件中,鈣鈦礦層厚度大概是0.3微米,這里有三個數(shù)量級的差異。

目前全球晶硅電池每年大概需要60萬噸太陽能級硅料,倘若把這60萬噸硅料完全替換成鈣鈦礦,大概1000噸就可以滿足需求,所以,鈣鈦礦原料沒有任何瓶頸,一是用量少,二是不存在稀缺性。

4、鈣鈦礦電池生產(chǎn)成本低

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1、每1瓦單晶組件制造的能耗,大約是1.52KWh,而鈣鈦礦組件能耗為0.12KWh,單瓦能耗只有晶硅的1/10;

2、單片組件成本結(jié)構(gòu)中,鈣鈦礦占比約為5%,玻璃、靶材等占到另外的2/3,總成本約為5毛到6毛錢左右,是晶硅組件極限成本的50%。

5、鈣鈦礦穩(wěn)定性獲得突破

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單質(zhì)硅為原子晶體,要想獲得單晶硅片,需要將多晶硅料加熱到1410度,才能將硅料熔接,再通過CZ直拉單晶的方法獲得單晶硅棒,因此晶硅電池非常穩(wěn)定。

鈣鈦礦是一種六方晶的離子晶體結(jié)構(gòu),它的分解溫度大概是攝氏200度-300度。由于生成溫度相對較低,之前鈣鈦礦電池不穩(wěn)定,衰減大,但時至今日,鈣鈦礦穩(wěn)定性一點都不比晶硅差。因為太陽能電池在地球表面使用,溫度很難超過75度-85度這個區(qū)間,所以,兩三百度足夠用,而1400度則成為一個巨大冗余。

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2016年,有高校針對一塊巴掌大小的鈣鈦礦組件做了一個實驗——在標(biāo)準(zhǔn)光源下,讓該組件連續(xù)工作12000個小時,結(jié)果沒有任何衰減。

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因為不同的封裝,會帶來不同的衰減效果,2020年,協(xié)鑫納米圍繞封裝又進行了一系列工作和實驗,發(fā)現(xiàn)對于封裝不好的組件,很快就會衰減,但良好封裝的組件,在雙85(85℃、85%RH)條件下,2000個小時之內(nèi)沒有任何衰減。

這一年年底,一個更有力量的實驗數(shù)據(jù)也表明鈣鈦礦的競爭力。在晶硅IEC61215標(biāo)準(zhǔn)下,鈣鈦礦組件連續(xù)工作9000個小時沒有任何衰減,可以明確說,這個結(jié)果,同樣沒有任何一種晶硅能夠達到。

參考文獻:協(xié)鑫納米范斌:5年后,鈣鈦礦崛起

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