半年前,一則鈣鈦礦光伏組件成本將低于1元/瓦的新聞曾引爆光伏行業(yè)。盡管如此,不少人仍認(rèn)為它還只是一個(gè)科創(chuàng)概念,其穩(wěn)定性和鉛含量等細(xì)節(jié)仍有爭(zhēng)議,完全商業(yè)化尚需時(shí)日。無論怎樣,鈣鈦礦這一未來光伏新技術(shù),其商業(yè)化進(jìn)程正在突飛猛進(jìn)。
理論上來說,鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)具有轉(zhuǎn)換效率高、可與晶硅電池疊加、制備過程綠色低碳、且不受稀有金屬儲(chǔ)量限制等優(yōu)勢(shì),其最大亮點(diǎn)是低成本。以中國的纖納光電、協(xié)鑫納米,日本的松下、東芝以及英國牛津光伏等為代表的企業(yè),在鈣鈦礦效率提升的道路上均取得了不同的階段性進(jìn)展,資本的進(jìn)入也為鈣鈦礦技術(shù)的發(fā)展提供了強(qiáng)勁的支持。
此前,中國長江三峽集團(tuán)下屬三峽資本宣布以戰(zhàn)略投資者身份注資杭州纖納光電技有限公司(簡稱“纖納光電”),成為首家投資布局鈣鈦礦技術(shù)的央企;2019年3月,風(fēng)電巨頭金風(fēng)科技宣布投資牛津光伏,拉開了其涉足鈣鈦礦領(lǐng)域的序幕。
實(shí)際上,外界對(duì)鈣鈦礦的質(zhì)疑,無外乎兩點(diǎn):穩(wěn)定性與鉛含量,之前鈣鈦礦電池穩(wěn)定性不佳的質(zhì)疑聲為其產(chǎn)業(yè)化前景增加了一些不確定性。2019年,隨著行業(yè)龍頭企業(yè)在電池穩(wěn)定性方面取得了關(guān)鍵性突破才得以消除這些不確定性,加快了資本布局鈣鈦礦商業(yè)化的速度。
基于國標(biāo)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的“跨越式”效率提升
從2009年發(fā)展至今,鈣鈦礦光伏電池的實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率從3.81%到25.2%,展現(xiàn)出極為迅速的提升趨勢(shì)。根據(jù)Henry Snaith教授刊登在《自然·能源》的論文,新式鈣鈦礦光伏電池的單層理論效率可達(dá)31%;鈣鈦礦疊層電池,包括晶硅/鈣鈦礦的雙節(jié)疊層轉(zhuǎn)換效率可達(dá)35%;鈣鈦礦三節(jié)層電池,理論效率可達(dá)45%以上,接近于目前市場(chǎng)上傳統(tǒng)光伏電池轉(zhuǎn)化效率的2倍。
在單層鈣鈦礦技術(shù)量產(chǎn)方面,雖然國內(nèi)外企業(yè)均起步不久,但我國企業(yè)已屢破世界紀(jì)錄,其中,僅纖納光電一家公司就五次刷新了鈣鈦礦組件轉(zhuǎn)換效率的世界紀(jì)錄。2019年12月,纖納光電宣布,其自主研發(fā)的鈣鈦礦小組件效率又創(chuàng)新高,在面積為19.276cm²的小組件上,光電轉(zhuǎn)換效率突破18%,刷新了由其保持的世界最高效率。短短3年,纖納光電將鈣鈦礦小組件效率提升了6個(gè)百分點(diǎn)。
在量產(chǎn)鈣鈦礦組件方面,光伏們了解到國內(nèi)外企業(yè)基本是在2017年開始布局大面積的涂布中試線。2018年,日本的東芝集團(tuán)在700-800cm²的大組件上實(shí)現(xiàn)了11.7%的效率;2019年8月,纖納光電研發(fā)的大組件效率超越日本東芝公司,達(dá)11.98%;10月,纖納光電將300.74cm²大組件效率提升至14.30 %,該成績被中國可再生能源學(xué)會(huì)光伏專業(yè)委員會(huì)(CPVS)收錄在《2019太陽電池中國最高效率表》中。
值得一提的是,盡管鈣鈦礦電池的轉(zhuǎn)換效率被持續(xù)刷新,但對(duì)電池效率卻說法不一,光伏們了解到,這是由于鈣鈦礦電池的測(cè)試方式不同于傳統(tǒng)光伏電池,對(duì)于設(shè)備和光源的要求較高;測(cè)試方法的不盡相同,給測(cè)試結(jié)果帶來了很大誤差。
根據(jù)“太陽能之父”Martin Green教授和美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室等7家國家級(jí)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合編撰的《太陽能電池效率記錄表》中規(guī)定,目前受到國際認(rèn)可的檢測(cè)方法,其關(guān)鍵點(diǎn)在于:1、采用穩(wěn)態(tài)法的檢測(cè);2、計(jì)算面積時(shí),需要根據(jù)光伏組件的限定輻照面積來進(jìn)行測(cè)算,限定輻照面積包括組件的有效面積和死區(qū)面積。只有通過國際公認(rèn)的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)才能客觀體現(xiàn)出鈣鈦礦技術(shù)的真正潛力。
2019年太陽電池中國最高效率表
此外,對(duì)于鈣鈦礦的質(zhì)疑還來自于鉛的問題。此前有研究認(rèn)為,鈣鈦礦光伏組件在使用過程中因不可抗拒的自然因素(飛石、冰雹、風(fēng)、雪、火)而導(dǎo)致破損后,鉛元素有可能發(fā)生泄漏并對(duì)周圍環(huán)境造成污染。
經(jīng)專家測(cè)算,市面上60片規(guī)格的晶硅組件,每塊含鉛量在16克至18克左右,而同樣尺寸的鈣鈦礦組件,每塊含鉛僅為2克。纖納光電方面也告訴光伏們,鈣鈦礦中的鉛是以鉛的鹵化物形式存在,所以它的物理化學(xué)特性十分穩(wěn)定,并且可以采用多種方式,在組件破碎后阻止金屬離子擴(kuò)散到環(huán)境中。
穩(wěn)定性獲突破,鈣鈦礦技術(shù)正式開啟商業(yè)化進(jìn)程
雖然鈣鈦礦光伏電池具有優(yōu)異的光學(xué)性能、制備過程綠色低能耗,但其走向產(chǎn)業(yè)化的過程中卻面臨著電池穩(wěn)定性問題的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)配方、工藝下鈣鈦礦光伏電池在連續(xù)工作一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)明顯的效率衰減,其在使用過程中受到的包括濕、熱、電場(chǎng)和機(jī)械應(yīng)力在內(nèi)的老化應(yīng)力會(huì)使未經(jīng)優(yōu)化的鈣鈦礦材料出現(xiàn)本征性蛻變,致使轉(zhuǎn)換效率下降,制約了光伏電池的壽命。
目前這一問題已經(jīng)有了解決方案,2019年12月,纖納光電鈣鈦礦組件在第三方檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室通過了全球首次IEC穩(wěn)定性測(cè)試,此次全球首例鈣鈦礦組件通過商業(yè)化光伏組件環(huán)境可靠性測(cè)試,標(biāo)志著鈣鈦礦這一新興技術(shù)正式走出實(shí)驗(yàn)室,邁向市場(chǎng)。根據(jù)檢測(cè)報(bào)告顯示,在加速老化情況下,他們的鈣鈦礦組件衰減率小于5%。在器件壽命方面,按晶硅組件的國際標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè),通過測(cè)試后的鈣鈦礦組件使用壽命為20年左右。
了解到,此次穩(wěn)定性測(cè)試由TÜV北德光伏實(shí)驗(yàn)室根據(jù)國際電工委員會(huì)(IEC)制定的國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,通過該標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)是薄膜光伏組件進(jìn)入市場(chǎng)前非常重要的準(zhǔn)入條件。
通過穩(wěn)定性測(cè)試后,意味著由此產(chǎn)出的鈣鈦礦組件初步具備了進(jìn)入市場(chǎng)流通的條件。據(jù)介紹,鈣鈦礦技術(shù)要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化目標(biāo),需要經(jīng)歷基礎(chǔ)性研發(fā)、實(shí)驗(yàn)室效率提升、中試線建設(shè)、工藝優(yōu)化與商業(yè)化效率提升、穩(wěn)定性難題攻克、新產(chǎn)品示范、新廠房建設(shè)和產(chǎn)線擴(kuò)建等步驟。此次纖納光電鈣鈦礦產(chǎn)品通過全球首例穩(wěn)定性測(cè)試具有里程碑意義,意味著鈣鈦礦技術(shù)邁出了正式商業(yè)化的第一步。
商業(yè)化產(chǎn)線建設(shè)啟動(dòng),規(guī)模化生產(chǎn)在即
在穩(wěn)定性以及鉛含量的問題破解之后,纖納光電的商業(yè)化產(chǎn)線也正在著手建設(shè)。據(jù)了解,目前纖納光電已在浙江衢州建設(shè)100MW鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)基地,完成了一期廠房11,000平方米的基建工程,這也是首個(gè)鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化量產(chǎn)項(xiàng)目。
實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的鈣鈦礦太陽能電池,其低廉的成本仍是業(yè)界最為關(guān)心的重點(diǎn)。協(xié)鑫納米報(bào)告指出,由于鈣鈦礦組件成本原材料只有基礎(chǔ)化工材料,不含稀有元素,所以鈣鈦礦組件的成本可達(dá)到單晶硅組件成本的50%。
根據(jù)纖納光電的量產(chǎn)規(guī)劃,2020年計(jì)劃建成小批量產(chǎn)線并投產(chǎn),大型地面電站的鈣鈦礦光伏組件價(jià)格,在未來3-5年預(yù)計(jì)將低于1元/瓦,其發(fā)電成本控制在0.2-0.3元/千瓦時(shí)。
對(duì)比了不同種類太陽電池的全產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)成本( 具體資料參考鏈接詳見文末)
綜上,從目前來看,鈣鈦礦技術(shù)已在多個(gè)環(huán)節(jié)上有了一定的進(jìn)展與突破。從效率提升空間和發(fā)展速度等方面評(píng)估,鈣鈦礦電池的多種技術(shù)路線未來有望實(shí)現(xiàn)與單晶相媲美的轉(zhuǎn)換效率甚至更高,同時(shí)由于生產(chǎn)工藝環(huán)保,規(guī)?;a(chǎn)成本相對(duì)較低,給行業(yè)帶來了豐富的想象空間及光伏度電成本持續(xù)降低的希望。
如何在保證高轉(zhuǎn)換效率的前提下實(shí)現(xiàn)其性能更加穩(wěn)定、衰減率更低、進(jìn)一步提高電池使用壽命仍然是當(dāng)前的研究重點(diǎn),而未來,產(chǎn)線量產(chǎn)情況、市場(chǎng)接受度和后續(xù)的產(chǎn)品工藝提升也將是決定鈣鈦礦光伏組件何時(shí)能夠真正大規(guī)模量產(chǎn)和規(guī)?;瘧?yīng)用的主要因素。
原標(biāo)題:1元以下鈣鈦礦組件計(jì)劃實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)