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数十家公司瞄准钙钛矿电池技术

作者: | 发布日期: 2023 年 11 月 17 日 10:14 | 分类: 产业资讯

近日,我国科研团队又取得了新的突破,找到了全钙钛矿叠层太阳能电池性能提升新途径。

根据武汉大学官方消息,北京时间11月9日凌晨,Nature(《自然》杂志)在线发表了武汉大学物理科学与技术学院柯维俊、方国家团队关于全钙钛矿叠层太阳能电池的最新研究成果。论文题目为《天冬氨酸盐一体化掺杂策略实现高效全钙钛矿叠层电池》。据悉,这是该科研团队经过长期探索研究,取得的最新进展。柯维俊教授、方国家教授团队非常具有前沿性的提出天冬氨酸盐酸盐一体化掺杂策略,从而有效提高了窄带隙钙钛矿子电池的效率和稳定性,为进一步提升电池性能找到新的方向。

全新技术突破

由于具备高光电转换效率和较低的生产成本,目前钙钛矿电池的发展十分迅速,正在光伏领域酝酿全新的一场技术革命。

查阅相关资料可知,新型金属卤化物钙钛矿作为一种晶体材料,有着简单的制备工艺,高吸收系数和高缺陷容忍度和载流子扩散长度长等优势。因此,其被认为是最具发展前景的光伏材料之一。目前,单节钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经与传统硅基电池相当,想要提升效率越来越艰难。

但是,全钙钛矿叠层电池却可以突破单结太阳能电池的肖克利-奎伊瑟效率极限,理论效率可达44%。与此同时,全钙钛矿叠层电池的性能还尚待挖掘,潜力无穷。据了解,全钙钛矿叠层电池由顶部的宽带隙钙钛矿子电池和底部的窄带隙钙钛矿子电池一体化叠加组成。论文通讯作者之一、武汉大学物理科学与技术学院教授柯维俊表示,由于窄带隙钙钛矿子电池的性能不够优越,导致全钙钛矿叠层电池很难实现大规模的商业化应用。

同时,如何抑制窄带隙钙钛矿子电池中不稳定的二价锡金属离子自发氧化也是行业内的共同挑战之一。根据该项研究结果表明,天冬氨酸盐酸盐可以有效抑制二价锡金属离子氧化,减少有害的四价锡杂质。

面对行业内的共同挑战,方国家、柯维俊团队通过天冬氨酸盐一体化掺杂策略同时提高了窄带隙钙钛矿子电池的效率和稳定性,实现了稳态效率27.62%(第三方权威认证效率27.34%)。据悉,这是目前世界最高的两端全钙钛矿叠层电池效率之一。

在此项研究中,方国家、柯维俊团队将天冬氨酸盐酸盐(AspCl)引入到底部空穴传输层、钙钛矿体吸光层和上界面层中,开发了一种采用同一分子处理的一体化掺杂策略。不仅将钙钛矿薄膜的质量进行改善,而且还让钙钛矿材料的性能和稳定性有了进一步的提升,对于促进光电领域的发展有着极其深远的影响。

钙钛矿企业布局

目前,钙钛矿电池正在成为全球光伏行业发展的又一突破性关注点之一。作为新兴的第三代光伏技术,自面世以来,短短十几年内光电转换效率实现了飞速提升。在之这样的情况之下,钙钛矿技术在各产业内掀起了一轮又一轮的投资高潮。

目前,协鑫光电、纤纳光电、极电光能100MW产线已建成投产,众能光电、光晶能源等众多企业已开启100MW产线建设,预计2023年年底建成。

光伏行业作为以降本增效为主旋律的行业,钙钛矿的高转换效率无疑引发众多企业的追捧,钙钛矿技术的发展越来越如日中天,国内的协鑫光电、极电光能、纤纳光电等光伏企业都在钙钛矿领域完成了多轮融资。与此同时,钙钛矿领域的各技术研发效率正在不断突破当中,多项记录也在不断的被刷新当中。

不得不提的就是专门从事钙钛矿光伏、钙钛矿光电产品研发和制造的极电光能。自从布局钙钛矿领域以来,极电光能生产的组件效率不断提高,钙钛矿量产化技术也开始走向成熟。

2023年7月,在美国国家可再生能源实验室(NREL)发布的最新版“Champion Module Efficiencies”光伏组件效率世界纪录图中,极电光能18.6%(809.9cm²)大尺寸钙钛矿组件稳态效率被收录其中。在面积放大的同时还能保持高转换效率,也说明极电光能量产化技术的领先性。

11月8日,极电光能获全球权威认证检测机构TÜV南德颁发钙钛矿组件认证证书,这是继今年4月300x300mm小试组件通过IEC61215(2021版)标准认证后,再一次在1200x600mm商用钙钛矿组件上通过IEC 61215、IEC 61730标准认证,极电光能也成为第一家获得TÜV南德证书的钙钛矿光伏组件企业。

得益于自主开发的钙钛矿量产技术,极电光能在各个级别的商用尺寸组件上均取得了突破性进展,转换效率不断刷新记录。除此之外,极电光能在组件稳定性方面也取得了出色的表现,极电光能的30*30cm²钙钛矿组件已经通过IEC61215 2021版认证,0.72m²钙钛矿量产组件的认证测试也正在推进中。

与此同时,协鑫光电的表现也值得关注。作为专注于钙钛矿太阳能组件的研发、生产的光伏企业,协鑫光电已经建成100 MW钙钛矿太阳能电池生产线。

在技术成就方面,早在2019年,协鑫光电就完成了尺寸为45cm×65cm的钙钛矿组件效率认证,目前效率已经提升至17%,这是目前为止全球面积最大、组件效率认证最高的钙钛矿组件。

公开消息显示,2020年,协鑫光电开始建设全球第一条100MW钙钛矿光伏组件量产线,并于2021年9月建设完成。2022年5月,协鑫光电宣布完成数亿元人民币B轮融资,此次融资将用于进一步完善协鑫光电100MW钙钛矿生产线和工艺。据协鑫光电预计,在工艺和产能稳定后,公司大尺寸钙钛矿组件(1m×2m)转换效率已超过16%,预计2023年底将突破18%。

总之,作为国内最早从事钙钛矿组件生产线开发的企业之一,协鑫光电在钙钛矿大尺寸的转换效率和量产上处于行业的领先位置。

另外,像是光伏头部企业也在钙钛矿领域有着相关布局。诸如隆基绿能、天合光能、通威股份等光伏电池组件龙头企业都在钙钛矿技术方面进行研发,布局重点方向以钙钛矿/晶硅两端叠层为主。毕竟,头部企业掌握着领先的晶硅技术,布局叠层技术可以延伸其原有产业链,更进一步的发挥其相关技术优势。

在光伏技术更迭的关键时期,各家企业都明白这是行业洗牌的关键时刻。相比于单层钙钛矿电池,叠层钙钛矿电池被不少企业认为是未来更有前景的产品形态。

协鑫光电董事长范斌此前在接受采访时表示:“钙钛矿产品在市场里面的主流形态会是叠层,应该说绝大部分钙钛矿都会在叠层上得到应用”。

在钙钛矿叠层电池领域,隆基绿能作为最早开展叠层电池研究的公司之一,在钙钛矿技术方面已经取得相关专利20项。

11月3日,根据隆基绿能官方消息,美国国家可再生能源实验室(NREL)最新认证报告显示,由中国企业隆基绿能科技股份有限公司(以下简称隆基绿能)自主研发的晶硅—钙钛矿叠层电池效率达到33.9%。据悉,该效率刷新了此前由沙特国王科技大学保持的该领域电池效率33.7%的世界纪录,成为目前全球晶硅—钙钛矿叠层电池效率的最高纪录,也是第一次由中国企业刷新该项世界记录。

对于在钙钛矿领域取得的重大突破,隆基绿能创始人、总裁李振国表示,“太阳能电池光电转换效率是评价光伏技术潜力的关键指标和风向标。作为占据90%以上市场份额的主流电池技术,晶硅单结电池的转换效率不断提升,越来越接近其理论效率极限29.4%。而晶硅-钙钛矿叠层电池的理论效率极限可达43%,被公认为突破单结晶硅电池效率极限的主流技术方案。晶硅-钙钛矿叠层电池技术的出现为开发下一代高效太阳电池技术开辟了全新的赛道。这意味着同样的面积,吸收同样的光,能发出更多的电”。从中也能看出,隆基绿能对于钙钛矿技术的的肯定。

另一光伏龙头企业晶科能源也不甘示弱,近日,晶科能源基于N型TOPCon的钙钛矿叠层电池经中科院上海微系统与信息技术研究所检测,其转化效率达到32.33%,大幅提升了同类叠层电池的转换效率水平。晶科能源的金浩博士表示,“以TOPCon为底电池与钙钛矿实现高效叠层电池,在工艺实现方面存在优势。TOPCon因其出色的高温稳定性,可以为顶层钙钛矿电池各层功能材料选择提供更大的工艺窗口”。

产能方面,2023年4月,极电光能全球首条1GW钙钛矿光伏生产线已开工,预计2024年底搭建完成,这也意味着行业真正从0到1走向GW级时代。极电光能表示,计划在2023年建设1GW产能,2024年达产;2024年、2025年再分别追加2GW和3GW产能,到2025年6GW产能将全部达产。

从规划产线来看,头部光伏企业已经在布局GW级产线,预计2025年末、2030年末钙钛矿产能预计分别达到25.8GW、177GW,2023-2030复合增速88%。

与此同时,随着钙钛矿产能的不断建设和释放,对应的设备需求空间约885亿元。因此,像是京山轻机、帝尔激光、宝馨科技等企业都已经在设备端有所布局。

钙钛矿技术与HJT、TOPCon技术对比

随着光伏技术的不断革新,目前光伏电池已经发展到了第三代。第一代是以单晶硅/多晶硅为代表的晶硅太阳能电池;第二代是以铜钢嫁硒、筛化镐等化合物材料为主的薄膜太阳能电池;第三代是利用钙钛矿型有机金属卤化物半导体作为吸光材料的钙钛矿太阳能电池。

值得注意的是TOPCon电池、异质结(HJT/HIT)电池都是属于传统晶硅电池。而钙钛矿电池则是非硅薄膜电池的代表。

从理论极限转换效率上看,HJT、TOPCon和钙钛矿单层电池的极限效率分别为27.5%、28.7%和31%。这样看来,钙钛矿电池在效率方面发展前景巨大。

自从P型技术转换效率逐步达到理论极限,N型技术正在成为目前电池发展的主要方向。在N型技术中,TOPCon技术凭着极高的经济型,性价比高、兼容度强、运营风险可控等特点在市场上率先占据一席之地,产能已经大规模落地。而异质结电池转换效率更高且工艺更为简单,有着广阔的发展前景。各自有优势。

TOPCon目前的投资公司更多一些。不过新入局光伏行业的企业,因为没有之前的产线束缚,更愿意在异质结上进行投资。不过,随着光伏设备厂商技术的不断升级,硅片走向薄片化、靶材和银浆等关键材料国产化,异质结电池经济性开始凸显,有望同TOPCon形成强有力的竞争。

而更新一代的钙钛矿技术,则更被市场所看好。钙钛矿原材料十分丰富且易于合成,具备光电特性非常好、生产工艺流程短,理论转换效率高和成本低等显著优势。其中,钙钛矿/晶硅叠层电池则是这两条技术路线的结合应用,也就是将钙钛矿电池串联在晶硅电池表面。当前,单节钙钛矿电池存在效率衰减过快的问题,因此钙钛矿/晶硅叠层电池正在朝着产业化方向迅速发展。据悉,与异质结等晶硅技术叠成后,叠层钙钛矿电池理论电池效率可达40%-50%。

总之,不管是当前发展势头不错的TOPCon、异质结等N型技术,还是以叠层为基础,有着明显效率优势的钙钛矿技术,未来哪种光伏电池技术会领先仍是未知数,也可能出现多种技术路线并存发展的状况。

因此,面对技术的革新和选择,各光伏企业的布局和研发显得更为重要。经过时间的沉淀后,市场自然会对各光伏技术的未来发展给予答案。

参考来源:中国证券报、武汉大学、国泰君安、中国银河证券、爱生活、全球光伏、各企业公开信息

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