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钙钛矿风起

   日期:2020-09-18     来源:世纪威尼斯网    编辑:小强    浏览:912    评论:0    

近日,钙钛矿电池上太空和动力电池巨头宁德时代正筹建钙钛矿研究团队进军光伏领域两则消息,让钙钛矿电池再一次站到台前。

 

1/4太阳光转化 成本低至每平米100元

究竟什么是钙钛矿电池?要弄清这个问题,先要了解太阳能电池的原理。

太阳能电池是一种通过光电效应或者光化学反应直接把光能转化成电能的装置。从结构上来看,太阳能电池一般由很多层材料堆积而来,其中起到光吸取作用的层叫做吸取层。吸取层根据材料特性的不同,又有不同的命名,比如晶体硅太阳能电池的吸取层就是单晶硅或者多晶硅;薄膜太阳能电池的吸取层一般是厚度几个微米的薄膜材料;而钙钛矿太阳能电池的吸取层就是钙钛矿。

钙钛矿材料是以俄国矿物学家列维·佩罗夫斯基(Lev Perovski)的名字命名。最早被发现的钙钛矿材料是钙与钛的复合氧化物。后来概念有了延展,不再特指钙钛复合氧化物,而用来泛指一系列具有ABX3化学式的化合物。钙钛矿材料可以制作成非常轻薄柔软的太阳能电池,安装在汽车、手机、屋顶、玻璃幕墙上等。

最早将钙钛矿应用到电池上的是日本横滨大学教授Akihiro Kojima。2009年,他首次将有钙钛矿结构的有机金属卤化物(CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3)制成吸光层用到染料敏化太阳能电池,得到3.8%的转换效率,后来由于液态电解质导致钙钛矿材料很快分解,从而使电池效率很快衰减。但是研究人员很快意识到钙钛矿既善于吸取阳光,还能运送电荷,钙钛矿太阳能电由此开始被更多研究人员关注。

经过十年的发展,如今钙钛矿太阳能电池的实验室光电转换效率已经高达27%,在太阳能电池行业遥遥领先。换句话说,以钙钛矿为原料制造的太阳能电池可以将大约1/4的太阳光直接转化为电能。而目前市场份额最高的多晶硅太阳能电池,1985年的实验室转化率为15%左右,2004年达到20.4%;而后其转化率虽有提升,但增长缓慢。

成本方面,钙钛矿太阳能电池由于材料吸光能力强、对杂质不敏感和生产工艺能耗低,其综合成本大大降低。

研究表明,钙钛矿电池对光的吸取能力是传统太阳能电池材料的100倍,也就是钙钛矿电池只需使用1/100的厚度,即可产生相同的能量输出,相应减少了所需材料数量,而且产生的电压更高,还能增加能量产出。

此外,钙钛矿材料对杂质不敏感,通常90%左右纯度的钙钛矿材料就可以用于制造效率达到20%以上的太阳能电池;作为对比,晶硅材料则对杂质非常敏感,纯度必须达到99.9999%以上才能用于制造太阳能电池。

这种不同材料体系的成本,体现在数据上的表现为:晶硅太阳能电池每平方米造价为500—700元,薄膜太阳能电池每平方米造价1300—1400元,钙钛矿太阳能电池每平米预计成本将低至100元。

优势巨大为何没能大规模推广?

太阳能电池领域拼的就是低成本、高转换率,既然钙钛矿电池在这两方面有这么大的优势,那为什么没能在市场上大规模推广开来呢?一个问题是,制备大面积均匀钙钛矿涂层比较困难;另一个原因是,当在实验室中使用微小电池时,科学家们使用TCO薄膜收集电流,这些TCO薄膜可以通过大量光线,但具有微小电阻,这意味着它们会使电流变小。在较大的面积上,这种电阻率的问题将变得更加的明显。例如,在松下企业,研究人员报道了一块6.25平方厘米的钙钛矿电池,效率为20.6%。但当35个电池片组合成412平方厘米的组件时,效率降至12.6%。

这还不是最为难的,阻碍钙钛矿电池大规模量产的最主要挑战,是它们的耐久性。

由于钙钛矿材料晶体本身,在某些情况下,会随着钙钛矿的升温,结构发生变化;尽管变化是可逆的,但它会影响其以后的性能表现;另一个问题是当光线照射到钙钛矿晶体上时,小的“X”阴离子在结构内部移动。如果阴离子存在任何间隙(可能会发生这种情况),就会导致一系列连锁反应,这些连锁反应可能会改变晶体的构成和效率,或导致失效。

在稳定性方面,大多数钙钛矿电池研究企业尚未公布其稳定性结果。他们给出的说法是,遵循由瑞士日内瓦国际电工委员会(IEC)制定的硅太阳能电池板认证标准。该标准称为IEC61215,涉及室内测试,其中组件在85%相对湿度下加热至85°C,持续1000小时;组件面板在-40°C至90°C之间循环至100次,甚至采用冰雹模拟测试。如果在这些测试之后硅电池板仍然可以工作,那么在常规的天气下它应该有25年性能保证。虽然通过了这些测试,但在现实环境中可能仍然不适用,这是一个很大的隐患。

钙钛矿电池的另一个潜在隐患是材料中含有铅,铅是一种有毒金属。研究人员尝试过使用替代品,如锡,不过电池性能下降。但这并不意味着钙钛矿电池不能使用。Oxford PV的串联电池的生命周期分析表明,少量铅泄漏对环境毒性没有太大影响。该分析还认为,在电池生产过程中,硅电池使用的资源对整体环境的影响更大。

尽管如此,还是有一些企业退出了钙钛矿市场。跨国企业富士胶片是钙钛矿太阳能专利的第三大持有者。但是,在对钙钛矿太阳能电池进行基础研究后,宣布不再开发用于制造电池或材料;澳大利亚的钙钛矿开发商GreatCell Solar也曾经与晶科建立了合作伙伴关系,但未能吸引足够的投资来建造设施。

宁德时代加入会引爆市场吗?

有退出者就有新进入者。2009—2019年的十年里,全球顶尖科研机构和大型跨国企业,如英国牛津大学,瑞士洛桑联邦理工学院,中国科学院、南方科大,日本松下、夏普、东芝等都投入了大量人力物力,致力于实现钙钛矿太阳能电池的量产。特别是2019年,突然成为风险投资关注的焦点。

2019年2月,协鑫集团旗下苏州协鑫纳米科技发布了其在钙钛矿光伏组件技术方面的突破性进展。协鑫纳米已经率先建成10兆瓦级别大面积钙钛矿组件中试生产线,完成了相关材料合成及制造工艺的开发,并已开始100兆瓦量产生产线的建设工作,计划于2020年实现钙钛矿光伏组件的商业化生产。

2019年3月,牛津光伏有限企业(以下简称“牛津光伏”)从其最大股东梅耶博格技术企业购买了一条200兆瓦异质结生产线用于钙钛矿电池试生产,此生产线将于2020年底在牛津光伏哈弗尔河畔勃兰登堡的工厂中试运行。牛津光伏将这一生产线电池转换率的初始目标定为27%。同年3月15日,中国第一大风机制造商金风科技宣布,以战略投资者身份领投牛津光伏有限企业D轮融资,投资金额2100万英镑。2020年8月,牛津光伏宣布,如果进展顺利,他们的产品有望在2021年实现销售。

2019年4月26日,长江三峡集团旗下三峡资本联合中国三峡威尼斯与杭州纤纳光电科技有限企业(以下简称“杭州纤纳”)宣布,三峡资本以战略投资者身份注资纤纳光电,投资金额5000万人民币。

2020年7月31日,杭州纤纳投资的全球首个钙钛矿产业园在衢州纤落地建成。该项目总体规划5GW,总投资54.6亿元,总用地面积600亩。一期厂房11000方包含半导体车间、动力、合成、仓库、办公、宿舍等相关配套,不过今年计划年产的却是20-25万平方米光伏发电玻璃。

  据了解,杭州纤纳钙钛矿电池技术的材料成本仅为传统光伏材料的1/20,大规模应用后,可降低至目前传统电池的一半左右,与当前煤电价格相当,有望实现光伏发电的平价上网。纤纳光电的全球首个钙钛矿产业园的建设,加速推进了第三代光伏薄膜技术的大规模工业化应用。根据全球光伏界权威榜单《光伏电池效率榜》2020年中发布的数据,杭州纤纳以18.04%的钙钛矿小组件光电转换效率成绩,三年来第七次蝉联钙钛矿小组件世界效率纪录榜首。此外,杭州纤纳光电的钙钛矿电池组件也于2019年末通过国际电工委员会(IEC)标准第三方独立检测。

另据了解,杭州众能光电企业、上海黎元威尼斯企业、湖北万度光能企业等,也都在积极推动钙钛矿太阳能光伏电池的产业化发展。

尽管牛津光伏、杭州纤纳率先开启了钙钛矿电池的大规模量产化之路的尝试,但从已披露的消息看,距离真正引爆市场,还有很长的路要走。宁德时代的加入,会改变这一现状吗?

业内人士表示,作为国内动力电池巨头,宁德时代此前在锂电池领域一枝独秀,而锂电池的工艺与钙钛矿电池最为相似,它的加入,会加快钙钛矿电池的研发和推广速度,对于光伏行业来说当然是好事,但想要在短时间内占据主流市场,目前看来还为时尚早。

 

    

 

 

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