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      鈣鈦礦十年:光伏行業的最大烏龍事件回溯

      “我非常建議那位作者能夠仔細看下文章”范斌,協鑫納米總經理忍不住吐槽,“那篇文章實際上是說經過12000小時的連續AM1.5光照測試,鈣鈦礦組件的效率不但沒有下降,反而還上升了將近20%。”而根據晶硅組件的IEC 61215曝露測試標準,只要積累光照功率達到60kW(相當于AM1.5光照條件下累積照射60小時),晶硅組件的衰減不超過5%就算合格。也就是說這篇論文本來證明的是鈣鈦礦的光照穩定性顯著優于晶硅,卻被國內的翻譯者錯誤地解讀成了鈣鈦礦組件只能工作一萬多個小時。

      兩年來,業內常常引用這篇文章來抨擊他所從事的事業,也有專家認為鈣鈦礦屬于有機物,從原理上就無法像晶硅電池那樣穩定。

      可以說,這是近年來光伏業界鬧的最大烏龍。

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      12000小時,按實際有效小時數計算,相當于上海江蘇8年的使用時間。組件效率上升了20%,也就是說如果用鈣鈦礦組件建一座5kW的電站,8年后,這座電站變成了6kW。

      根據協鑫納米的鈣鈦礦組件在戶外連續工作三個半月的結果顯示,組件效率不降反升。而晶硅組件通常每個月會衰減0.1%左右。從目前的數據看,鈣鈦礦組件的工作壽命優于晶硅組件。

      光致增益

      “鈣鈦礦光致增益的原因比較復雜,原理在業界現在還沒有完全弄清楚”范斌說,“但有個機制可以確定,我們在顯微鏡下觀測到,經過長時間光照,鈣鈦礦晶體的尺寸會逐漸變大,小晶體會互相融合變成大晶體。”

      材料科學

      鈣鈦礦材料是一類有著與鈦酸鈣(CaTiO3)相同晶體結構的材料,是 Gustav Rose 在 1839年發現,后來由俄羅斯礦物學家L.A.Perovski命名。鈣鈦礦材料結構式一般為ABX3,其中A和B是兩種陽離子,X是陰離子。這種奇特的晶體結構讓它具備了很多獨特的理化性質,比如吸光性、電催化性等等,在化學、物理領域有不小的應用。2009年,Tsutomu Miyasaka首次選用有機-無機雜化的鈣鈦礦材料CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3取代傳統DSSCs中的染料作為新型光敏化劑,制備出首個真正意義的鈣鈦礦太陽能電池,從此拉開了鈣鈦礦吸光材料的序幕。

      通過調節比例,鈣鈦礦系列幾乎可以得到近乎無限的配方,擁有各種不同的特性,所以鈣鈦礦的研發重點在于材料科學。而材料學科的特性也注定了這是一門研發周期長、投入巨大的工作,國內外許多頂級研究機構和企業都在從事這方面研究。

      范斌,2000-2006清華大學化學系本科、碩士,2007-2010瑞士EPFL博士,國家千人計劃特聘專家,2010年與兩位清華的同學田清勇和白華共同創辦了惟華光能,后被協鑫集團收購,更名為協鑫納米。

      國內清華大學、暨南大學、上海交通大學、東南大學、華中科技大學、北京大學,國外牛津大學、Fraunhofer實驗室、瑞士洛桑高等理工大學(EPFL)也都在進行鈣鈦礦光伏電池關鍵材料的研發或進行量產實驗。

      十年時間,鈣鈦礦電池實驗室轉換效率從3.8%到24.2%。

      “目前鈣鈦礦技術發展最快的是中國和韓國”范斌說,“協鑫納米專注的是量產工藝的開發,我們去年建成了全世界第一條10MW級別中試生產線,現在正在建設100MW級別的量產生產線。

      穩定性分析

      鈣鈦礦到底“靠不靠譜”?

      雖然百年來光到底是一種粒子還是波我們都沒有弄清楚,但這不妨礙我們了解光生伏打效應的原理。

      光生伏打效應的來源是光照之下,半導體材料由基態向激發態躍遷所導致的電壓差。晶硅的基態和激發態都是單線態 ,電子的自由躍遷很容易“跳上去”,但也很容易“跳下來”,因此雜質對晶硅電池的擾動非常的大;而鈣鈦礦電池的基態是單線態,激發態是三線態,電子 “跳上去”以后,不容易掉下來。而且晶硅里的光生電荷一旦復合,就會變成熱消散掉,而鈣鈦礦晶體里的電荷復合之后有很高的概率會把光子重新釋放出來,再被附近的晶格吸收掉,產生新的電荷。

      因此,鈣鈦礦電池對于材料純度要求并不如晶硅一樣要求具備6N級以上純度,通常只需要90%左右。這不但節約了提純的成本,也從原理上提升了組件的壽命。晶硅的功率衰減主要就是源自雜質向硅片的擴散,只要存在電極與硅片的接觸,雜質的擴散就是不可避免的。因此單晶硅組件第一年的衰減是3%,此后每年約衰減0.8%。而鈣鈦礦對雜質本來就不敏感,自然雜質的擴散不容易導致鈣鈦礦組件的衰減,所以才能在12000個小時的連續光照下沒有任何衰減。

      同時,人工設計的鈣鈦礦材料,其帶隙可以無限接近于理論最優帶隙,因此鈣鈦礦的理論效率上限能比晶硅高3到4個百分點。而且鈣鈦礦材料的吸光能力強,0.3微米厚就可以 實現對太陽光的飽和吸收,而晶硅電池里的硅片厚度通常是180微米。按60片組件計算,原本需要消耗1kg的硅料,變成只需要2g的鈣鈦礦材料,每年國內30多萬噸的多晶硅需求轉換成鈣鈦礦,只需要幾百噸,而且由于純度要求很低,所以需要的能量遠遠小于晶硅電池。

      在筆者看來,全球最大的多晶硅企業協鑫集團,正在尋求自我突破和自我顛覆。

      這也是鈣鈦礦可以降低成本的關鍵。范斌測算,如果量產100MW的鈣鈦礦電池,效率18%,成本可以做到0.94元/W,是晶硅組件的50%,如果規模突破GW級,每瓦成本可以低至7毛錢。

      但度電成本還需要考慮綜合因素,并不是組件價格低廉就更具備整體成本優勢,目前鈣鈦礦組件效率15.3%仍然需要進一步提升。對此范斌表示,通過不斷改進鈣鈦礦材料配方,優化專用設備設計,提升工藝水平,鈣鈦礦組件的效率明年會達到18%,2021年則將突破20%。

      疊層電池

      商業化第一步及后續

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      如圖所示,1.4eV是為最優帶隙,半導體材料的帶隙越接近于此則效率越高。

      晶體硅的帶隙約為1.1eV,理論效率為29.3% 。人工設計的鈣鈦礦材料,帶隙可以非常接近于最優帶隙,因此單層鈣鈦礦電池的理論效率為33% ,雙層鈣鈦礦電池的理論可達到43%以上。

      目前英國鈣鈦礦太陽能公司-牛津光伏(Oxford PV)已經在小面積的鈣鈦礦-晶硅疊層電池上做到28%的效率。2019年3月,金風科技已成為牛津光伏的股東。

      如目前火熱的光伏汽車,如果采用砷化鎵電池,目前的成本約在2000元/W,但用了鈣鈦礦和晶硅結合,完全可以實現經濟性上的突破。

      同時,鈣鈦礦制備溫度在100℃以下,因此除玻璃之外,還可以采用塑料等材料,可以很好地鋪滿整個車身或建筑,大大提升建筑節能或車輛續航能力。

      筆者不由感慨:地球50%的礦物以鈣鈦礦形式存在,萬物皆是鈣鈦礦,在未來,或許這將成為全球最主要的發電形式并衍生出多種應用場景,萬物皆可鈣鈦礦。

      作者:Mr曹宇

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