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淺談鈣鈦礦光伏組件在集中式光伏電站中的發展趨勢

發布時間：2024-01-31 來源：元祿光電

摘　要：在光伏發電競價、平價上網已成為市場基本態勢的背景下，高光電轉換效率、低成本的光伏組件是光伏產業持續快速發展的必然需求。當前，占據市場主導地位的晶體硅光伏組件的光電轉換效率提升有限，且生產成本持續上漲，而發展和應用新一代高光電轉換效率、低成本的光伏發電技術是破局核心。鈣鈦礦太陽電池具有理論光電轉換效率高、峰瓦成本低、生產能耗小、功率溫升損失小等優勢，發展潛力巨大。根據當前鈣鈦礦光伏組件的生產成本和技術水平，通過對其進行技術性及經濟性分析，并與單晶硅光伏組件進行對比，分析鈣鈦礦光伏組件在集中式光伏電站中的應用前景。

關鍵詞：集中式光伏電站；鈣鈦礦光伏組件；光電轉換效率；成本；應用前景

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

　　截至 2020 年底，晶體硅光伏組件是市場的絕對主流產品，市場占有率為 95.6%[1]。然而從 2019 年 7 月開始，硅料的價格持續上漲，截至 2021 年 5 月，PERC 單晶硅光伏組件的價格已增至 1.7 元 /W[2]，導致光伏發電的度電成本也相應提高。

　　鈣鈦礦太陽電池是第三代太陽電池的代表，具有理論光電轉換效率高、峰瓦成本低、生產能耗小、功率溫升損失小等優勢，在提升光伏電站發電量、降低度電成本方面具有非常大的應用潛力。但目前鈣鈦礦光伏組件的發展尚處于初步階段，雖然鈣鈦礦太陽電池的光電轉換效率已接近晶體硅太陽電池，然而在光伏組件制作的過程中往往伴隨較高的光電轉換效率損失，導致鈣鈦礦光伏組件的光電轉換效率比晶體硅光伏組件的低。本文在研究鈣鈦礦太陽電池技術現狀的基礎上，根據當前鈣鈦礦光伏組件的生產成本和技術水平，對此類光伏組件進行技術性及經濟性分析，并與單晶硅光伏組件進行對比，分析鈣鈦礦光伏組件在集中式光伏電站中的應用前景。

1 鈣鈦礦技術概述

1.1 鈣鈦礦太陽電池的發展歷程

　　2009 年，Kojima 等 [3] 將 MAPbI3 及 MAPbBr3 作為染料劑應用到液態染料敏化太陽電池中，但由于液態電解質對鈣鈦礦材料有很強的破壞作用，導致器件只能工作數秒，穩定性非常差。2012 年，Kim 等 [4] 以 MAPbI3 作為敏化劑，以 spiro-OMeTAD 作為空穴傳輸材料制備了鈣鈦礦敏化太陽電池，獲得了 9.7% 的光電轉換效率；同年，Lee 等 [5] 以 Al2O3 作為支撐，制備了一種具有介觀超結構的鈣鈦礦太陽電池，其光電轉換效率達到 10.9%；2013 年，Burschka[6] 等進一步通過兩步法，基于 MAPbI3，以 spiro-OMeTAD 作為電子阻擋層及金對電極，獲得了光電轉換效率為 14.1% 的鈣鈦礦太陽電池。2020 年，Zyga[7] 將鈣鈦礦太陽電池的光電轉換效率提升至 25.5%。

1.2 鈣鈦礦光伏組件技術的現狀

　　在鈣鈦礦太陽電池光電轉換效率方面，2016 年，瑞士的 Gr?tzel 課題組利用真空閃蒸處理方式，使面積為 1 cm2 的鈣鈦礦太陽電池獲得了 19.6% 的光電轉換效率 [8]；韓國的 Seok 課題組通過采用抑制鈣鈦礦中缺陷密度的方法，將鈣鈦礦太陽電池的光電轉換效率提升至 19.7%[9]。對于平面反式結構鈣鈦礦太陽電池，2015 年日本國立物質材料研究所的韓禮元課題組報道了面積為 1 cm2 的平面反式結構鈣鈦礦太陽電池，其光電轉換效率為 15.0%[10]；隨后該課題組進一步獲得了面積為 36 cm2 的微型鈣鈦礦光伏組件，其光電轉換效率為 12.0% [11]。

　　在鈣鈦礦太陽電池穩定性方面，中國華中科技大學的韓宏偉團隊研發的 3 層介觀結構鈣鈦礦太陽電池，通過利用 5-AVA(5 氨基戊酸 ) 對 MAPbI3 進行修飾，實現了 IEC 61215: 2016-2 要求的測試條件下持續大功率點跟蹤 (MPPT) 時輸出功率無明顯衰減。3 層介觀結構鈣鈦礦太陽電池的結構如圖 1 所示 [12]。

2 鈣鈦礦光伏組件的應用可行性分析

　　目前，鈣鈦礦光伏組件的光電轉換效率大多在 14.0%～16.0% 之間，與單晶硅光伏組件 20.5% 的光電轉換效率仍存在一定差距。但在鈣鈦礦太陽電池發展的 10 余年中，其實驗室光電轉換效率已從 3.8% 提升至 25.5%，提升速度迅速，因此，在未來 3～5 年內，通過改進生產工藝，大面積鈣鈦礦光伏組件的光電轉換效率有望突破 20.0%。

　　在器件穩定性方面，成熟穩定的封裝工藝和特殊的結構都可以大幅提高光伏組件的穩定性和使用壽命。3 層介觀結構鈣鈦礦光伏組件目前已在實驗室中證明了其穩定性，在 9000 h 內 MPPT 情況下功率持續輸出無明顯衰減。

　　從封裝工藝角度來看，目前晶體硅光伏組件已有一套完善的封裝工藝，而鈣鈦礦光伏組件的結構與雙玻晶體硅光伏組件的結構十分接近，因此可以將雙玻晶體硅光伏組件的封裝工藝應用到鈣鈦礦光伏組件的生產線，這樣鈣鈦礦光伏組件的封裝工藝將得到保障，該類光伏組件的使用壽命有望達到 20～25 年。

　　在成本方面，由于鈣鈦礦太陽電池可與晶體硅太陽電池制成疊層鈣鈦礦太陽電池，雖然疊層技術路線的制造成本較高，但單位面積的疊層鈣鈦礦光伏組件的輸出功率更高，因此可降低土地、光伏支架、電纜等的建設成本。以目前各類鈣鈦礦光伏技術路線中生產成本低、具商業潛力的 3 層介觀結構鈣鈦礦光伏組件為例，按照 2020 年 7 月的物價對此類光伏組件的單位面積生產成本進行測算，測算結果如表 1 所示。

　　從表 1 可以看出：3 層介觀結構鈣鈦礦光伏組件的單位面積生產成本為 121.06 元 /m2 。其中，光伏組件的單位面積封裝成本為 86.50 元 /m2 ，占其單位面積生產成本的 71.50%；太陽電池的單位面積印刷成本為 21.64 元 /m2 ，占其單位面積生產成本的 17.90%。而封裝成本中，FTO 玻璃成本占總封裝成本的 48.6%。因此，若想實現此類光伏組件的產業化，那么需提升產業鏈中 FTO 玻璃的產能，當 FTO 玻璃成本下降，則鈣鈦礦光伏組件的生產成本有望進一步下降。