钙钛矿的工业化视角:牛津光伏眼中的钙钛矿

作者:光伏协会    浏览:3    发布时间:2019-12-27 16:36:17

增效和降本是实现光伏平价上网的关键,作为主流光伏技术,晶硅市场份额超95%,尽管发电成本也在持续缓慢下降,但其效率已越来越接近极限。如目前普遍采用的晶硅PERC技术,通常能达到22%左右转化效率,其技术路线图预计最大量产效率接近24 %。留给晶硅组件通过提质增效降本的空间已经很小。

平价带来的降本压力,让行业开始关注一种更低成本、更高效率的电池结构:钙钛矿-硅异质结电池。

电池效率极限

专家预测,到2020年末,光伏电池的最高效率会通过钙钛矿-硅叠层串联结构实现。

自2009年首次发现太阳能吸收特性以来,钙钛矿已成为光伏行业最突出的研究课题之一。在过去五年中,随着效率和稳定性的提高,钙钛矿光伏发电正在迅速进入工业化阶段。

图1.与传统的晶硅技术相比,钙钛矿光伏效率显著提高

牛津光伏作为布局钙钛矿电池技术的制造商之一,将钙钛矿技术建立在传统的156 mm × 156 mm硅太阳能电池之上。

图2. 钙钛矿-硅异质结叠层电池的示例

使用低成本解决方案、与钙钛矿结合可以使硅电池效率显著提高到25-30%。2018年,牛津光伏公布了钙钛矿-硅叠层电池28.0%转化效率,突破世界纪录,通过了美国国家可再生能源实验室 (NREL) 认证。

1.可靠性测试

钙钛矿电池商业化的一个关键挑战是从实验室尺寸扩展到 156 mm × 156 mm 的商业尺寸。2016 年,牛津光伏收购德国一家前薄膜电池制造工厂,并在工厂配备钙钛矿电池生产所需设备,现已成功将钙钛矿光伏技术应用到工业化生产中。

2016 年以来,牛津光伏与合作伙伴一直在验证该技术的可靠性。

商用尺寸钙钛矿-硅电池在牛津光伏德国试验线生产

光伏组件的可靠性是度电成本(LCOE)的关键决定因素,直接影响到组件发电量及环境效益。

光伏产品要保证 25 年的质量,要求进行机械载荷、热循环和环境试验(.H 1000、TC200、UV老化等),并要求组件衰减达到特定的要求。为满足25年使用寿命预期,制造商通常设定比IEC61215更严苛的条件,如DH2000小时、TC600,测试标准是通常条件的两到三倍。

2. 组件设计

对于任何电池技术,都需要精心设计组件,以保护电池免受环境的影响。封装材料的选择、串焊技术以及背板的选择都会影响组件的可靠性。此外,组件的选择可以通过优化光吸收、减少电阻损耗和双面设计来增加发电量。

双面组件可以将发电量提高10%以上。凭借自由调节钙钛矿吸收体的间隙,钙钛矿-硅叠层电池首先通过提高效率来提高能量转化率;其次通过优化钙钛矿-硅组件结构,设计双面异质结也可以提高发电量。

3. 量产化进展

为加快钙钛矿-硅叠层太阳能电池和组件量产技术的发展,牛津光伏今年与光伏设备供应商梅耶博格签署了合作协议,率先在牛津光伏德国试验工厂内安装了一条100兆瓦硅异质结太阳能电池生产线,并安装了钙钛矿电池生产设备,以制造钙钛矿-硅异质结电池和组件,并计划到2020年底将钙钛矿叠层电池的产能扩大到250MW, 其首要目标是达到30%以上的产业化电池转换效率。

与此同时,国内光伏企业对钙钛矿的布局也在加快钙钛矿电池的量产化进程。

杭州纤纳光电首条20MW钙钛矿量产产线生产的钙钛矿组件(200cm-800cm)效率达到11.98%,打破了日本东芝公司保持的前世界纪录。

今年2月,协鑫集团旗下苏州协鑫纳米科技有限公司率先建成10兆瓦级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。领跑者创新论坛《2019首届钙钛矿产业化大会》上,协鑫宣布并已开始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。在1241.16平方厘米的有效面积上,协鑫纳米实用化钙钛矿组件效率达到了15.31%。

总结

2018年全球光伏装机增长达到109GW,同时晶硅光伏组件价格迅速下降,加上组件效率的稳步提高,使硅成为首选技术类型,并有效地遏制了其它非硅新技术获得一定市场份额。然而,随着晶硅电池逐渐接近达到实际效率极限,加上光伏电池成本的降低对整个系统成本影响越来越小极小,提高太阳能电池的效率几乎成为降本增效唯一选择。成本分析表明,硅太阳能电池结合钙钛矿太阳能电池技术,将显著降低光伏系统的LCOE; 这对于加快太阳能的利用至关重要。

图5.牛津光伏钙钛矿-硅异质结技术与主流硅太阳能电池技术的LCOE对比

实现平价上网,光伏行业正关注着最新的钙钛矿、异质结电池技术。