鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是指使用鈣鈦復(fù)合氧化物晶體結(jié)構(gòu)的化合物作為吸光半導(dǎo)體材料的太陽(yáng)能電池，其具有理想的禁帶寬度、極高的吸光系數(shù)、很低的電子-空穴對(duì)結(jié)合能、均衡的載流子遷移率和較長(zhǎng)的載流子壽命等光學(xué)和電學(xué)特征。
太陽(yáng)能電池發(fā)展的兩條主線是轉(zhuǎn)換效率和成本，晶硅電池在這兩方面的發(fā)展已接近天花板，而鈣鈦礦電池作為一種新興電池，在效率提升和降本方面的潛力都很大，且應(yīng)用范圍廣。
在電池轉(zhuǎn)換效率方面，2021年12月德國(guó)海姆霍茲柏林材料所(HZB)的鈣鈦礦/硅疊層電池最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了29.8%，鈣鈦礦/銅銦鎵硒疊層電池最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)到24.2%，韓國(guó)蔚山科學(xué)技術(shù)大學(xué)(UNIST)的單結(jié)鈣鈦礦電池最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)到25.7%。
可以看出，不論是單結(jié)還是疊層電池，轉(zhuǎn)換效率都較高，尤屬鈣鈦礦/硅疊層電池的轉(zhuǎn)換效率最高。
在組件轉(zhuǎn)換效率方面，鈣鈦礦組件尚不及晶硅組件。目前全球鈣鈦礦小組件實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18.6%，組件面積只有29.539cm2；日本松下公司達(dá)到了大組件實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率，在804cm2的面積上實(shí)現(xiàn)17.9%±0.5%的轉(zhuǎn)換效率。
表1按照實(shí)驗(yàn)室和商業(yè)化兩個(gè)階段，對(duì)比了鈣鈦礦與晶硅組件在面積和轉(zhuǎn)換效率上的區(qū)別。
可以看出，目前鈣鈦礦組件的效率相比晶硅組件仍有明顯差距，組件面積也小得多。尤為重要的是，只有大面積組件才具有商業(yè)性價(jià)值。
鈣鈦礦電池作為新興電池，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：
2009年，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)化效率為3.8%，短短11年，實(shí)驗(yàn)室小面積器件轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)可以達(dá)到29.5%，效率提升速度驚人。
理論上，單結(jié)鈣鈦礦電池轉(zhuǎn)換效率可達(dá)33%，雙結(jié)的理論轉(zhuǎn)換效率可達(dá)40%以上，表明未來(lái)轉(zhuǎn)換效率還有很大提升潛力。
鈣鈦礦材料吸光系數(shù)大，厚度僅需微米級(jí)就能實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光的有效利用，可采用輕薄、柔性基底，不僅降低了電池質(zhì)量，柔性特點(diǎn)還可以應(yīng)用于多種場(chǎng)景，這是目前晶硅電池難以匹敵的。
鈣鈦礦電池的不足也不容忽視。首先是尺寸小，轉(zhuǎn)換效率較高的鈣鈦礦電池其尺寸均為實(shí)驗(yàn)室級(jí)別，未達(dá)到商業(yè)化尺寸。目前較難生產(chǎn)薄且均勻的大面積鈣鈦礦層，一旦電池尺寸增大，光電轉(zhuǎn)換效率隨之下降，這是技術(shù)上亟需解決的首要問題。其次，穩(wěn)定性差導(dǎo)致電池壽命較短。
鈣鈦礦電池對(duì)潮濕環(huán)境敏感，暴露在潮濕空氣中會(huì)很快分解，晝夜溫差造成的水蒸氣也將對(duì)其造成傷害，因此對(duì)防水封裝的要求十分嚴(yán)苛。此外，氧氣氧化、光輻照、紫外線等都會(huì)對(duì)其穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。
目前，鈣鈦礦電池持續(xù)光照實(shí)驗(yàn)最長(zhǎng)達(dá)到10000h，若按照全天平均日照時(shí)長(zhǎng)4h計(jì)算，理論壽命也只有6.8年。再考慮到每天實(shí)際日照時(shí)間會(huì)多于4h，以及其他日常損耗，正常壽命將會(huì)小于6.8年，這與目前晶硅電池的理論壽命25年相比，有很大差距。
為了扭轉(zhuǎn)鈣鈦礦電池的劣勢(shì)，業(yè)界正在探索從技術(shù)和工藝多方面來(lái)提升轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。例如，鈣鈦礦電池與晶硅異質(zhì)結(jié)電池串聯(lián)疊層，利用鈣鈦礦的可調(diào)節(jié)性，使其吸收光譜中不能被晶硅電池利用的部分，未被吸收的光可以穿過(guò)被晶硅吸收，從而達(dá)到最大限度吸收能量的效果。制備工藝采用噴墨方法或者改進(jìn)卷對(duì)卷涂布工藝等。
目前，進(jìn)行鈣鈦礦電池研發(fā)的研究機(jī)構(gòu)和團(tuán)隊(duì)眾多，研發(fā)成果層出不窮(見表2)，部分成果已獲得商業(yè)支持，正在進(jìn)行初步產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化(見表3)。
除此以外，還有不少企業(yè)也有過(guò)相關(guān)研究或表達(dá)過(guò)前期技術(shù)布局意向。
從國(guó)別來(lái)看，目前美國(guó)處于鈣鈦礦電池技術(shù)領(lǐng)先地位，且正在投入大量資金用于研發(fā)。
目前有三家公司公布過(guò)其鈣鈦礦電池的生產(chǎn)成本。纖納光電：100MW生產(chǎn)線約0.15美元/W，擴(kuò)大至GW級(jí)產(chǎn)線后約0.1美元/W；協(xié)鑫納米：GW級(jí)產(chǎn)線可低于0.1美元/W；牛津光伏：0.4美元/W，鈣鈦礦-硅異質(zhì)結(jié)(HJT)疊層電池。
對(duì)比已經(jīng)商業(yè)化的單晶硅組件來(lái)看，垂直一體化廠商的單晶硅組件最優(yōu)內(nèi)部生產(chǎn)成本目前約為0.21～0.22美元/W，按較低生產(chǎn)成本數(shù)據(jù)來(lái)比較，鈣鈦礦電池比單晶硅電池?fù)碛谐杀緝?yōu)勢(shì)。
目前已經(jīng)建成鈣鈦礦電池的示范電站，但尚未有大規(guī)模的成熟商業(yè)電站建成，精確衡量其實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性存在一定難度。可以假設(shè)鈣鈦礦組件穩(wěn)定性能夠滿足使用要求，壽命25年，將其與目前成熟的晶硅電池電站做經(jīng)濟(jì)性方面的初步比較，假設(shè)邊界條件見表4。
考慮到鈣鈦礦電池轉(zhuǎn)換效率低，要達(dá)到與單晶硅相同的輸出功率，就需要更多數(shù)量的組件。按容配比1.27計(jì)算，鈣鈦礦組件的數(shù)量將是單晶硅組件數(shù)量的1.24倍，由此帶來(lái)占地面積、支架等投資成本相應(yīng)增加，計(jì)算時(shí)也按增加24%考慮。據(jù)此，使用單晶硅和鈣鈦礦組件的工程投資估算見表5。
鈣鈦礦組件比單晶硅組件便宜，假設(shè)其商業(yè)化售價(jià)為1.5元/W。第一項(xiàng)的光伏發(fā)電設(shè)備及安裝費(fèi)中，單晶硅光伏組件設(shè)備費(fèi)用134013萬(wàn)元(1.76元/W)，而替換為鈣鈦礦電池的設(shè)備及安裝費(fèi)只有114216萬(wàn)元，僅為單晶硅組件的85%。
為實(shí)現(xiàn)相同的輸出功率，使用鈣鈦礦組件需要更多的安裝面積和塊數(shù)(比單晶硅增加24%)，由此帶來(lái)支架用鋼、匯流及變配電設(shè)備及安裝、集電線路、接地、分系統(tǒng)調(diào)試、整套啟動(dòng)調(diào)試以及建筑工程、建設(shè)用地費(fèi)用(土地使用稅)均增加至1.24倍。
計(jì)算結(jié)果表明，若該項(xiàng)目由單晶硅組件改為鈣鈦礦組件，不含外送費(fèi)用，單瓦靜態(tài)投資為3.22元/W，動(dòng)態(tài)投資為3.27元/W，而單晶硅組件則分別為3.18元/W和3.22元/W，使用鈣鈦礦組件單瓦靜態(tài)投資和動(dòng)態(tài)投資分別增加1.2%和1.4%。
目前，組件在投資成本中所占的比例越來(lái)越小(2020年約占39%)，節(jié)省組件費(fèi)用對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響越來(lái)越弱，而非組件成本，特別是土地使用費(fèi)用在投資成本中所占比例越來(lái)越大。
所以，鈣鈦礦僅憑組件投資成本低，并不擁有決定性優(yōu)勢(shì)，關(guān)鍵還是要提高轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。
根據(jù)前述假設(shè)計(jì)算，雖然鈣鈦礦電池制造成本低，但是由于其轉(zhuǎn)換效率較晶硅電池低，要達(dá)到與單晶硅相同的輸出功率就需要更多組件。
使用鈣鈦礦組件相比單晶硅組件，單瓦靜態(tài)投資和動(dòng)態(tài)投資分別增加1.2%和1.4%，成本有所上漲，加之鈣鈦礦組件實(shí)際使用壽命尚不能達(dá)到商業(yè)壽命20年以上，因此項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性并不理想。
而且目前尚無(wú)國(guó)際公認(rèn)的鈣鈦礦測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)可靠數(shù)據(jù)支持，投資商不敢貿(mào)然使用，大規(guī)模商業(yè)化項(xiàng)目的建設(shè)腳步緩慢。
鈣鈦礦電池技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景十分廣泛，不僅適用于大型電站，還因其輕薄、柔性和可定制的特性，將來(lái)可以廣泛適用于光伏建筑一體化、電子消費(fèi)產(chǎn)品、傳感器、布料等多種場(chǎng)景。 一旦突破了關(guān)鍵技術(shù)問題，鈣鈦礦及其疊層電池有可能替代和補(bǔ)充晶硅產(chǎn)品，獲得可觀的市場(chǎng)份額。
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