截至2020年底，晶體硅光伏組件是市場的絕對主流產(chǎn)品，市場占有率為95.6%。然而從2019年7月開始，硅料的價格持續(xù)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，導致光伏發(fā)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(zhuǎn)換效率高、峰瓦成本低、生產(chǎn)能耗小、功率溫升損失小等優(yōu)勢，在提升光伏電站發(fā)電量、降低度電成本方面具有極大的應用潛力。
鈣鈦礦材料對雜質(zhì)不敏感，通常90%左右純度的鈣鈦礦材料就可以用于制造效率達到20%以上的太陽能電池。晶硅材料則對雜質(zhì)非常敏感，純度必須達到99.9999%以上才能用于制造太陽能電池。對純度要求的差異自然帶來了顯著的成本差異。
但目前鈣鈦礦光伏組件的發(fā)展尚處于初步階段，雖然鈣鈦礦太陽電池的光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率損失，導致鈣鈦礦光伏組件的光電轉(zhuǎn)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(xiàn)狀的基礎上，根據(jù)當前鈣鈦礦光伏組件的生產(chǎn)成本和技術水平，對此類光伏組件進行技術性及經(jīng)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。
2009年，Kojima等首次將MAPbI3及MAPbBr3作為染料劑應用到液態(tài)染料敏化太陽電池中，但由于液態(tài)電解質(zhì)對鈣鈦礦材料有很強的破壞作用，導致器件只能工作數(shù)秒，穩(wěn)定性極差。
2012年，Kim等以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(zhuǎn)換效率；
同年，Lee等以Al2O3作為支撐，制備了一種具有介觀超結(jié)構的鈣鈦礦太陽電池，其光電轉(zhuǎn)換效率達到10.9%。
2013年，Burschka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(zhuǎn)換效率為14.1%的鈣鈦礦太陽電池。
2020年，Zyga將鈣鈦礦太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率提升至25.5%。
在鈣鈦礦太陽電池光電轉(zhuǎn)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1cm2的鈣鈦礦太陽電池獲得了19.6%的光電轉(zhuǎn)換效率；
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(zhuǎn)換效率提升至19.7%。
對于平面反式結(jié)構鈣鈦礦太陽電池，2015年日本國立物質(zhì)材料研究所的韓禮元課題組首次報道了面積為1cm2的平面反式結(jié)構鈣鈦礦太陽電池，其光電轉(zhuǎn)換效率為15.0%；隨后該課題組進一步獲得了面積為36cm2的微型鈣鈦礦光伏組件，其光電轉(zhuǎn)換效率為12.0%。
在鈣鈦礦太陽電池穩(wěn)定性方面，中國華中科技大學的韓宏偉團隊研發(fā)的3層介觀結(jié)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(xiàn)了IEC61215:2016-2要求的測試條件下持續(xù)最大功率點跟蹤(MPPT)時輸出功率無明顯衰減。3層介觀結(jié)構鈣鈦礦太陽電池的結(jié)構如圖1所示。
圖1 3層介觀結(jié)構鈣鈦礦太陽電池的結(jié)構
目前，鈣鈦礦光伏組件的光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率仍存在一定差距。
但在鈣鈦礦太陽電池發(fā)展的10余年中，其實驗室光電轉(zhuǎn)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(nèi)，通過改進生產(chǎn)工藝，大面積鈣鈦礦光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率有望突破20.0%。
在器件穩(wěn)定性方面，成熟穩(wěn)定的封裝工藝和特殊的結(jié)構都可以大幅提高光伏組件的穩(wěn)定性和使用壽命。3層介觀結(jié)構鈣鈦礦光伏組件目前已在實驗室中證明了其穩(wěn)定性，在9000h內(nèi)MPPT情況下功率持續(xù)輸出無明顯衰減。
從封裝工藝角度來看，鈣鈦礦光伏組件的結(jié)構與雙玻晶體硅光伏組件的結(jié)構十分接近，因此可以將其工藝應用到鈣鈦礦光伏組件的生產(chǎn)線，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(chǎn)成本最低、最具商業(yè)潛力的3層介觀結(jié)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(chǎn)成本進行測算，測算結(jié)果如表1所示。
表1 3層介觀結(jié)構鈣鈦礦光伏組件的單位面積生產(chǎn)成本測算
從表1可以看出：3層介觀結(jié)構鈣鈦礦光伏組件的單位面積生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)成本的17.90%。
鈣鈦礦光伏組件應用在集中式光伏電站的經(jīng)濟性分析
以位于貴州省關嶺布依族苗族自治縣的某集中式光伏電站為例，在該光伏電站分別使用單晶硅光伏組件和鈣鈦礦光伏組件的情況下，對其建造成本和內(nèi)部收益率進行模擬分析，從而對比這2種光伏組件的經(jīng)濟效益。
式中：Q0為水平面天文輻照量；S為日照百分率；ag、bg均為經(jīng)驗系數(shù)。
在推算年總太陽輻照量時，多是以季節(jié)(月)的實測太陽輻照量數(shù)據(jù)與日照百分率等常規(guī)氣象數(shù)據(jù)來擬合得到經(jīng)驗系數(shù)，從而計算得到理論年總太陽輻照量。
根據(jù)本光伏電站所在地附近的4個氣象站(興仁站、水城站、威寧站、紫云站)在2011年1月至2016年2月期間觀測得到的各月太陽輻照量數(shù)據(jù)與日照時數(shù)數(shù)據(jù)，分別計算得到各月的太陽輻照百分率(即Q/Q0)和日照百分率，為分析這二者之間的關系，將相應數(shù)據(jù)繪制到坐標系中，具體如圖2所示。
從圖2可以看出：各月的太陽輻照百分率和日照百分率具有較好的線性關系，且Q/Q0=0.6259S+0.1639，R2=0.80。結(jié)合式(1)，可得到經(jīng)驗系數(shù)ag、bg分別為0.1639和0.6259。在此基礎上可得到本光伏電站所在地的年總太陽輻照量。
根據(jù)本光伏電站所在地多年內(nèi)各月太陽輻照量數(shù)據(jù)，求平均值后可得到各月太陽輻照量均值，具體如表2所示。
表2 本光伏電站所在地的各月太陽輻照量均值
從表2可以看出：本光伏電站所在地的全年總太陽輻照量為4263.1 MJ/m2。
光伏電站的建設成本主要由光伏組件、逆變器、匯流箱、箱變、電纜、光伏支架、土地使用及土建安裝等費用構成。其中，電纜、光伏支架及土地使用等費用與所采用光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率呈反比關系。
本文對光伏電站分別采用單晶硅光伏組件和鈣鈦礦光伏組件時的單位建設成本進行了測算，測算結(jié)果分別如表3、表4所示。
從表3、表4可以看出：采用單晶硅光伏組件時，光伏電站的單位建設成本約為 3.33元/W；采用鈣鈦礦光伏組件時，單位建設成本約為 3.12元/W。
若該光伏電站以系統(tǒng)效率為84%，上網(wǎng)電價為0.3515元/kWh，光伏組件首年功率衰減為2.5%、之后每年衰減0.7%作為邊界條件，分別計算采用2種光伏組件時光伏電站25年的資本金內(nèi)部收益率，結(jié)果顯示：該光伏電站采用單晶硅光伏組件時25年的資本金內(nèi)部收益率為8.21%，采用鈣鈦礦光伏組件時25年的資本金內(nèi)部收益率為9.33%。
但考慮到鈣鈦礦光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率提升迅速，且擁有較大的成本下降空間，因此，對鈣鈦礦光伏組件技術發(fā)展到不同階段時對應的25年資本金內(nèi)部收益率分別進行測算，測算結(jié)果如表5所示。
表5 不同單位面積生產(chǎn)成本和光電轉(zhuǎn)換效率的鈣鈦礦光伏組件對應的25年資本金內(nèi)部收益率
從表5可以看出：當鈣鈦礦光伏組件的單位面積生產(chǎn)成本能低至100元/m2且光電轉(zhuǎn)換效率達到22%時，該光伏電站的25年資本金內(nèi)部收益率可達到19.97%。
綜上，本文對鈣鈦礦光伏組件在集中式光伏電站中的應用前景進行了分析，鈣鈦礦光伏技術是新能源領域的革命性技術，此類光伏產(chǎn)品的光電轉(zhuǎn)換效率提升和成本下降空間均巨大，是未來光伏發(fā)電領域提質(zhì)增效的重要手段之一。
以當前的技術水平，雖然鈣鈦礦太陽電池的穩(wěn)定性尚待驗證，但考慮到其生產(chǎn)成本，其已在部分區(qū)域具備了實際應用的可能性；并且在經(jīng)濟性測算中，若鈣鈦礦光伏組件的單位面積生產(chǎn)成本能低至100元/m2且光電轉(zhuǎn)換效率達到22%時，光伏電站的25年資本金內(nèi)部收益率可達到19.97%，有望在未來逐步完成對晶體硅光伏組件的替代，降低光伏發(fā)電的度電成本。
參考資料：鈣鈦礦光伏組件在集中式光伏電站中的應用前景分析，華電電力科學研究院等
原文始發(fā)于微信公眾號（光伏產(chǎn)業(yè)通）：?鈣鈦礦光伏組件的應用前景分析
