极电光能大面积钙钛矿组件又破纪录,达到了20.5%的光电转换效率

   NE人        

4月2日,无锡极电光能科技有限公司(下称“极电光能”)宣布,公司制备的大面积钙钛矿组件,经过全球权威测试机构JET(日本电气安全环境研究所)严格检测,达到了20.5%的光电转换效率,为目前全球范围内大面积钙钛矿组件效率的最高纪录。


极电光能是谁?这则消息的发布,为何会在行业内引发热议?要弄清楚这个问题,还要从钙钛矿开始说起。


和字面的意思不一样,钙钛矿既不含钙,也不含钛,而是一类具有ABX3结构的晶体材料的总称,其中A是较大的阳离子,B是较小的阳离子,X是阴离子,每个A离子被B和X离子一起构成的八面体所包围。(如下图)


极电光能大面积钙钛矿组件又破纪录,达到了20.5%的光电转换效率


历史上发现的第一种钙钛矿,是天然矿物钛酸钙(CaTiO3),它是1839年德国化学家古斯塔夫·罗斯在俄罗斯乌拉尔山探险时发现的。随后,研究人员把所有具有ABX3结构的晶体材料都称为钙钛矿。钙钛矿之所以会被许多研究人员宠爱,那是因为很多种离子都可以在一起组合成ABX3的结构,比如BiFeO3、CsPbI3等。事实上,元素周期表中90%的金属元素都可以成为钙钛矿的A或B离子。当科学家需要一种特别的材料时,研究人员就制造出了大量的有着相同结构但元素组成不同的晶体,通过实验对比,能很快找到表现最佳的材料。


钙钛矿第一次被应用在太阳能发电领域,是2009年。日本横滨大学教授Tsutomu Miyasaka率先将钙钛矿材料用于染料敏化太阳能电池作为吸光材料,获得了3.8%的光电转化效率。自此之后,钙钛矿电池成为国内外顶尖高校实验室研究的目标。


极电光能大面积钙钛矿组件又破纪录,达到了20.5%的光电转换效率


在钙钛矿电池面世八年之后的2017年,Tsutomu Miyasaka又与韩国成均馆大学Nam-Gyu Park、教授牛津大学物理学Henry J. Snaith教授因共同发现并应用钙钛矿材料实现有效的能源转换,荣获化学领域2017年度“引文桂冠奖”(对遴选出的可能摘取诺贝尔奖的全球最具影响力的研究人员所颁发的奖项,自2002年以来,每年发布的引文桂冠奖已成功预测了39位诺贝尔奖得主)。此时钙钛矿电池的效率已经突破了20%。


在我国,2019年6月,科技部发布《国家重点研发计划“可再生能源与氢能技术”等重点专项2019年度项目申报指南》(以下简称《指南》),其中在太阳能行业便率先提到了开展稳定大面积钙钛矿电池关键技术及成套技术研发。关键指标方面要求大面积钙钛矿光伏电池效率≥19%(面积>20cm×20cm),室温25℃,AM1.5光照1000小时后,效率衰减≤10%。


优缺点分明的钙钛矿


之所以提出这样的指标,是因为作为第三代太阳能电池的钙钛矿电池,虽然具有转换效率上限高、成本低廉等优势,但也存在着稳定性差和无法大面积制备等天然缺陷。


钙钛矿太阳能电池的核心是具有钙钛矿晶型(ABX3)的有机金属卤化物吸光材料。在这种钙钛矿ABX3结构中,A为甲胺基(CH3NH3),B为金属铅原子,X为氯、溴、碘等卤素原子。目前在高效钙钛矿型太阳能电池中,最常见的钙钛矿材料是碘化铅甲胺(CH3NH3PbI3),它的带隙约为1.5 eV,消光系数高,几百纳米厚薄膜就可以充分吸收800 nm以下的太阳光。而且,这种材料制备方便,将含有PbI2和CH3NH3I的溶液,在常温下通过旋涂即可获得均匀薄膜。上述特性使得钙钛矿型结构CH3NH3PbI3不仅可以实现对可见光和部分近红外光的吸收,而且所产生的光生载流子不易复合,能量损失小,这是钙钛矿型太阳能电池能够实现高效率的根本原因。


据了解,在转换效率方面,目前效率最高的晶硅太阳能电池转换效率为24%左右,组件效率为21%左右,而钙钛矿电池转换效率在25%左右,组件最高效率是极电光能刚刚发布的20.5%,两者差距并不大。


除了转换效率,在成本方面,即便晶硅太阳能电池已经进入平价时代,成本也比钙钛矿电池要高出许多。尤其是在硅料消耗上,钙钛矿电池的硅消耗量还不到晶硅电池的百分之一。如果钙钛矿电池可以量产的话,完全不必担心硅料供不应求的问题。


既然拥有这么明显的优势,钙钛矿电池为什么没能实现大规模量产?因为钙钛矿电池存在两大最为致命的缺陷——稳定性差和无法大面积制备。


稳定性方面,钙钛矿电池在潮湿环境下很容易分解,进而影响到其使用寿命。目前钙钛矿电池的寿命多在1000小时左右,而晶硅太阳能电池的工作寿命为20-25年,根本不可同日而语。太阳能电池板工作环境较为恶劣,钙钛矿电池不稳定的缺点,对其发展存在极大的影响。


制备方面。在光伏持续降本增效的情况下,大尺寸组件已成为趋势,182和210组件市场份额也在不断提高。但钙钛矿电池的高效,只能体现在小尺寸上,一旦面积变大,其效率就会快速下降。之所以会出现此种现象,主要是因为在晶体生长过程中,会出现密度不一,不够整齐,相互间存在孔隙的情况,导致其转换效率降低。


某上游钙钛矿设备生产商技术人员告诉世纪新能源网,目前的钙钛矿生产设备,主要面向科研院所和高校等定向销售,还无法大面积量产。已经量产的,也主要停留在中试化量产实验阶段,距离真正的商业化,还有很长的路要走。


钙钛矿电池的研发之路


尽管前路艰难,但为了钙钛矿电池能够早日量产,很多科研团队和光伏企业还是付出了极大心血,也取得了不俗成果。


今年一月,冲绳科学技术研究所(OIST)的戚亚冰研究团队利用一种减少缺陷的新制造技术,制造出稳定性和效率都有所提高的大面积钙钛矿光伏组件,不过其有效面积仅为12平方厘米。


近日,来自西北工业大学黄维院士团队、南京工业大学教授陈永华团队的努力下,成功用一种多功能“离子液体”作溶剂替代传统有毒有机溶剂制备钙钛矿光伏材料,最终成品转换效率达到了24.1%,跟目前领先的硅基太阳能电池保持在同一水平。在长时间的观察和记录后,发现其在未封装,且在85 ℃持续加热和持续光照下500小时的条件下,依然能保持其初始效率的80%和90%,表现非常优异。


除了科研团队,作为钙钛矿电池追随者的众多光伏企业,近些年也在积极探索,不断突破。


2016年,华中科技大学韩宏伟教授团队以印刷介观钙钛矿太阳能电池技术为核心,成立了湖北万度光能,开始生产60cm×60cm的钙钛矿组件,但是目前尚未有公开的效率认证消息。


2015年7月,本科毕业于浙江大学光电系和澳洲新南威尔士州大学光伏学院,读博期间师从著名有机光伏权威、英国皇家科学院院士Jenny Nelson教授的姚冀众联合浙大校友颜步一,在杭州未来科技城一起创办了国内第一家钙钛矿新材料商业化科技公司——杭州纤纳光电科技有限公司(以下简称“纤纳光电”)。


成立一年半后,纤纳光电将钙钛矿光伏小组件(超过16cm )效率提升至15.24%,经NREL认证,刷新了此前该领域12.1%的世界纪录。此后,又分别在2017年5月、2017年12月、2018年7月和2020年四次刷新了该记录。据《光伏电池效率榜》发布的数据,纤纳光电钙钛矿小组件2020年的光电转换效率成绩是18.04%。


在更大面积的钙钛矿组件方面,NREL发布的效率图显示,纤纳光电的首条20MW钙钛矿量产产线的钙钛矿量产模组(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。


相比新成立的纤纳光电,协鑫集团在钙钛矿上的布局,是通过并购重组完成的。


2010年,从瑞士洛桑联邦理工大学毕业后的范斌创立了厦门惟华光能有限公司(以下简称”厦门惟华”),从2013年开始转向钙钛矿光伏技术的开发,那一年钙钛矿电池横空出世,引发科学界的研究热潮。


2015年,厦门惟华建成第一条钙钛矿组件试验生产线,并在一年后被协鑫集团并购,在苏州成立了现在的协鑫纳米。


截至目前,协鑫纳米具备一条10MW的钙钛矿中试产线,并取得光伏组件认证机构德国莱茵TüV认证的1200cm 有效面积上13.5%的钙钛矿组件效率认证。


在国内,除了纤纳光电和协鑫纳米,同样看中钙钛矿晶硅叠层电池的还有光伏巨头——通威集团。


2019年,通威成立钙钛矿团队,采用的是高效硅基底电池和低成本和无毒稳定钙钛矿材料叠加的技术路线。并在当的SNEC展会上,和西南石油大学共同推出了大面积156.75mmx156.75mm钙钛矿小组件(非常规版型),并宣称将在钙钛矿晶硅叠层太阳电池稳定性方面做改进。


按照通威的规划,在未来3-5年内,将进行叠层钙钛矿电池的中试化量产实验,并与主流设备企业合作开发可大规模化的叠层钙钛矿电池的制备技术,并评估进行叠层钙钛矿电池的可稳定规模化制造性和产品长期稳定性等问题,并在5-10年内进行钙钛矿叠层电池的大规模量产。


除了上述四家企业,杭州众能光电公司、上海黎元新能源公司、北京曜能科技有限公司等,近年来也都布局了钙钛矿电池领域。


资本入局的推动


钙钛矿电池的崛起,吸引了资本市场的注意。2019年4月26日,长江三峡集团旗下三峡资本联合中国三峡新能源宣布,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。


资本注入后,2020年7月31日,纤纳光电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,计划年产20-25万平方米光伏发电玻璃。


而就在三峡集团战略投资钙钛矿的前一个月,风电巨头金风科技也宣布,以战略投资者身份领投英国钙钛矿太阳能发电公司牛津光伏有限公司(下简称“牛津光伏”)D轮融资(共计3500万英镑),投资金额2100万英镑。


牛津光伏是从牛津大学分离出来的一家公司,主要研究以晶硅作为底电池的钙钛矿叠层太阳能电池。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。


时间进入到2021年,对于钙钛矿电池的热情仍在继续。


2021年3月31日,晶澳科技发布公告,公司将对N型电池、钙钛矿等电池技术加大研发投入力度,技术储备不断完善,其中N型高效电池中试线转换效率近24%,将继续通过工艺提升降低生产成本,以达到大规模量产条件。


2021年4月2日,极电光能宣布,公司制备的大面积钙钛矿组件,经过全球权威测试机构JET(日本电气安全环境研究所)严格检测,达到了20.5%的光电转换效率,为目前全球范围内大面积钙钛矿组件效率的最高纪录。


企查查数据显示,极电光能是保定市长城控股集团有限公司(下称“长城控股”)旗下全资孙公司,通过保定市瑞茂企业管理咨询有限公司进行控股。


除了极电光能,保定市瑞茂企业管理咨询有限公司还有未势能源科技有限公司和蜂巢能源科技有限公司两个子公司,分别属于氢能和动力电池企业。


在传统汽车领域之外,长城汽车又开启了新能源赛道,它的入局,不知道能否让钙钛矿电池跑赢晶硅电池?


文章来源: 世纪新能源网

最新评论(0)条评论
不吐不快,我来说两句

还没有人评论哦,抢沙发吧~

相关新闻推荐