协鑫纳米钙钛矿技术能否在平价上网大环境下盈利?




据国际太阳能光伏网2月28日消息,协鑫集团旗下的苏州协鑫纳米科技有限公司(简称协鑫纳米)发布了其在钙钛矿光伏组件技术方面的突破性进展。协鑫纳米已经率先建成10MW级别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,并已开始100MW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。

钙钛矿技术已成为全世界最受瞩目的新兴光伏技术,业界期待钙钛矿技术在进一步提高光电转化效率的同时,能够大幅度降低光伏组件的制造成本。

协鑫纳米的钙钛矿组件

图1:协鑫纳米的钙钛矿组件

协鑫纳米的10MW中试生产线所制造的钙钛矿光伏组件尺寸为45cm*65cm,光电转化效率达到15.3%。这是全世界范围内最大面积的钙钛矿光伏组件,也是大面积钙钛矿组件效率的最高数值。正在建设中的100MW量产生产线,将把组件面积扩大至1m*2m,组件光电转化效率将提高至18%以上。在现有的工艺条件下,100MW量产线制造的钙钛矿光伏组件的制造成本预计将低于1元/W,量产组件的工作寿命将达到25年以上。当产能扩大到1GW以上时,钙钛矿组件的制造成本还将进一步下降到每瓦0.7元左右。如此低的组件成本,意味着光伏系统造价将低于3元/瓦,光伏电力的成本即便在中国东部地区都将显著低于火电。

在平价上网成为行业最重点工作的当下,这项技术的意义不言而喻,可以说钙钛矿技术的成功之日,就是光伏产业实现全面平价之时。

此前的各种光伏电池及组件技术,都是在国外完成全部技术开发之后再引入全套生产设备在国内生产,普通晶硅、PERC、HJT、非晶硅、CIGS、CdTe莫不如是;而钙钛矿技术,是中国企业第一次从材料、设备到工艺全面实现自主研发的产物。大面积钙钛矿组件生产工艺开发的成功,标致着中国的光伏产业正式从技术的追随者变成了引领者。

苏州协鑫能源中心水上钙钛矿试验电站

图2:苏州协鑫能源中心水上钙钛矿试验电站

钙钛矿技术的原理和优势

与传统晶硅技术相比,钙钛矿技术具备若干显著的优势。

首先钙钛矿材料是一种人工合成的晶体材料,材料的配方可以不断地调整、迭代,在提高材料性能的同时降低制造成本。而晶硅材料并没有可以调整之处,只能在提纯工艺上做文章。

其次,钙钛矿材料对杂质不敏感,通常90%左右纯度的钙钛矿材料就可以用于制造效率达到20%以上的太阳能电池。晶硅材料则对杂质非常敏感,纯度必须达到99.9999%以上才能用于制造太阳能电池。对纯度要求的差异自然带来了显著的成本差异。

钙钛矿薄膜的微晶结构

图3:钙钛矿薄膜的微晶结构

钙钛矿材料的吸光能力也远远超过晶硅材料。晶硅太阳能电池中硅片的厚度通常为160至180微米,而钙钛矿太阳能电池中钙钛矿层的厚度仅为0.3微米。一个由60片硅片构成的晶硅组件消耗硅材料约1公斤,而相同尺寸的钙钛矿组件仅消耗2克钙钛矿材料。

由于钙钛矿材料可以溶解在普通溶剂之中,钙钛矿组件可以通过溶液涂布工艺生产,整个生产工艺流程温度不超过150度。而晶硅材料的铸锭和提拉都需要在1500度以上高温,生产能耗的差别可想而知。

基于上述原理性优势,钙钛矿技术自2009年出现以来,迅速得到了学术界和产业界的重视。目前国内外几乎所有与材料科学相关的大学及研究机构都在进行与钙钛矿光伏技术相关的研究,国内外光伏企业也纷纷开始了钙钛矿光伏组件的量产技术开发。截至2019年2月,钙钛矿太阳能电池的实验室效率已经达到23.7%,超过了多晶硅、铜铟镓硒、碲化镉等传统光伏技术的实验室效率。

协鑫纳米技术团队负责人范斌博士介绍:“从发展趋势看,钙钛矿太阳能电池的实验室效率必将在三年内超过单晶硅的实验室效率。鉴于砷化镓(三五族)太阳能电池成本过高(为晶硅电池的数百倍至上千倍),无法在日常应用中推广,钙钛矿届时必将成为效率最高且成本最低的主流光伏技术。”

钙钛矿技术面世之初,由于材料设计尚不成熟,其稳定性受到了很多质疑。2016年以来,随着新型多离子混合型钙钛矿材料的应用,以及缓冲层材料逐渐无机化,钙钛矿太阳能电池的工作寿命稳步提高,在实验室中已可实现连续1000小时工作衰减低于5%。协鑫纳米针对钙钛矿光伏组件开发的材料和封装工艺,可以保证钙钛矿组件25年以上的稳定工作寿命。

钙钛矿一般为立方体或八面体形状,具有光泽,浅色到棕色。它们可用于提炼钛、铌和稀土元素,但必须是大量聚集时才有开采价值。

钙钛矿是指一类陶瓷氧化物,其分子通式为 ABO3 ;此类氧化物最早被发现,是存在于钙钛矿石中的钛酸钙(CaTi)化合物,因此而得名。由于此类化合物结构上有许多特性,在凝聚态物理方面应用及研究甚广,所以物理学家与化学家常以其分子公式中各化合物的比例(1:1:3)来简称之,因此又名“113结构”。呈立方体晶形。在立方体晶体常具平行晶棱的条纹,系高温变体转变为低温变体时产生聚片双晶的结果。

钙钛矿是以俄罗斯地质学Preosvik的名子命名的,其结构通常有简单钙钛矿结构、双钙钛矿结构和层状钙钛矿结构。简单钙钛矿化合物的化学通式是,其中X通常为半径较小的或,双钙钛矿结构( Double-Perovskite) 具有 组成通式,层状钙钛矿结构组成较复杂, 研究较多的是具有通式以及具有超导性质的和三方层状钙钛等。研究最多的是组成为的钙钛矿结构类型化合物。

组成为的钙钛矿结构类型化合物, 所属晶系主要有正交、立方、菱方、四方、单斜和三斜晶系。,A位离子通常是稀土或者碱土具有较大离子半径的金属元素,它与12个氧配位,形成最密立方堆积,主要起稳定钙钛矿结构的作用;B位一般为离子半径较小的元素(一般为过渡金属元素,如Mn、Co、Fe等),它与6个氧配位,占据立方密堆积中的八面体中心,由于其价态的多变性使其通常成为决定钙钛矿结构类型材料很多性质的主要组成部分。与简单氧化物相比,钙钛矿结构可以使一些元素以非正常价态存在,具有非化学计量比的氧,或使活性金属以混合价态存在,使固体呈现某些特殊性质。由于固体的性质与其催化活性密切相关,钙钛矿结构的特殊性使其在催化方面得到广泛应用。

钙钛矿型复合氧化物ABO3是一种具有独特物理性质和化学性质的新型无机非金属材料,A位一般是 稀土或碱土元素离子,B位为过渡元素离子,A位和B位皆可被半径相近的其他金属离子部分取代而保持其晶体结构基本不变,因此在理论上它是研究催化剂表面及 催化性能的理想样品。由于这类化合物具有稳定的晶体结构、独特的电磁性能以及很高的氧化还原、氢解、异构化、电催化等活性,作为一种新型的功能材料,在环境保护和工业催化等领域具有很大的开发潜力。

钙钛矿复合氧化物具有独特的晶体结构,尤其经掺杂后形成的晶体缺陷结构和性能,或可被应用在固体燃料电池、固体电解质、传感器、高温加热材料、固体电阻器及替代贵金属的氧化还原催化剂等诸多领域,成为化学、物理和材料等领域的研究热点。

标准钙钛矿中A或B位被其它金属离子取代或部分取代后可合成各种复合氧化物,形成阴离子缺陷或不同价态的B位离子,是一类性能优异、用途广泛的新型功能材料。

协鑫新能源控股有限公司(HK.0451)是协鑫集团旗下以太阳能发电为主,集开发、建设、运营于一体的新能源企业,于2014年在香港联交所上市,集中式光伏电站和分布式光伏电站两大业务并重发展,持续为社会提供清洁、安全、高效的绿色普惠能源。

协鑫新能源在国内拥有16个区域分公司,业务覆盖全国,并在北美、日本及非洲设有三个区域分公司,在海外关键目标市场设立代表处或派驻开发人员。截至2018年6月底,协鑫新能源总装机容量约7139MW,居全球第二。公司的电站建设布局全球,截至2018年6月底,已在全球持有211座电站。

文章来源: 国际太阳能光伏网

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