3月15日，中國第一大風(fēng)機(jī)制造商金風(fēng)科技宣布，以戰(zhàn)略投資者身份領(lǐng)投英國鈣鈦礦太陽能發(fā)電公司牛津光伏有限公司(Oxford PVTM)D輪融資，投資金額2100萬英鎊。
4月26日，長江三峽集團(tuán)旗下三峽資本聯(lián)合中國三峽新能源與杭州纖納光電科技有限公司(簡稱纖納光電)宣布，三峽資本以戰(zhàn)略投資者身份注資纖納光電，投資金額5000萬人民幣。這家成立不足4年的公司，目前是全球鈣鈦礦太陽能組件光電轉(zhuǎn)換效率的世界紀(jì)錄的保持者。
所謂鈣鈦礦太陽能電池(perovskite solar cells)，是利用鈣鈦礦的有機(jī)金屬鹵化物半導(dǎo)體作為吸光材料的太陽能電池，屬于第三代新概念太陽能電池之一，具有光電轉(zhuǎn)換效率特別高、成本低的特點(diǎn)，目前實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換率水平最高接近30%，是目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率最高的太陽能電池。
不過，從全球來看，雖然鈣鈦礦太陽能電池尚處實(shí)驗(yàn)室階段，并未實(shí)現(xiàn)真正的量產(chǎn)，但隨著技術(shù)進(jìn)步，2020年量產(chǎn)的腳步已越來越近，鈣鈦礦太陽能電池有望成為光伏行業(yè)的“攪局者”。
十年磨一劍
太陽能電池是一種通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)反應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。從結(jié)構(gòu)上來看，太陽能電池一般是由很多層材料堆積起來的，其中起到光吸收作用的層叫做吸收層。太陽能電池也按照吸收層的材料特性來命名，比如晶體硅太陽能電池的吸收層就是單晶硅或者多晶硅;薄膜太陽能電池的吸收層一般是厚度幾個微米的薄膜材料;而鈣鈦礦太陽能電池的吸收層就是鈣鈦礦。
1883年，美國發(fā)明家Charles Fritts成功制造了人類第一塊太陽能電池——硒上覆薄金的半導(dǎo)體/金屬結(jié)太陽能電池, 其光電轉(zhuǎn)換效率僅約1%。1954年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室Pearson、Fuller和Chapin等人研制出了第一塊晶體硅太陽能電池，獲得4.5%的轉(zhuǎn)換效率, 開啟了利用太陽能發(fā)電的新紀(jì)元。
在最近的半個多世紀(jì)里，太陽能技術(shù)發(fā)展大致經(jīng)歷了三個階段：第一代太陽能電池主要指單晶硅和多晶硅太陽能電池，其在實(shí)驗(yàn)室的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)分別達(dá)到25%和20.4%;第二代太陽能電池主要包括非晶硅薄膜電池和多晶硅薄膜電池;第三代太陽能電池主要指具有高轉(zhuǎn)換效率的一些新概念電池, 如鈣鈦礦電池、染料敏化電池、量子點(diǎn)電池以及有機(jī)太陽能電池等。
其中，鈣鈦礦太陽能電池的進(jìn)展最受人關(guān)注。需要解釋的是，鈣鈦礦(Perovskite)材料是以俄國礦物學(xué)家列維·佩羅夫斯基(Lev Perovski)的名字命名。最早被發(fā)現(xiàn)的鈣鈦礦材料是鈣與鈦的復(fù)合氧化物。后來，鈣鈦礦的概念有了很大的延展，它已經(jīng)不特指鈣鈦復(fù)合氧化物，而用來泛指一系列具有ABX3化學(xué)式的化合物，在這里，A可以是甲氨基等有機(jī)分子基團(tuán)，而B可以是鉛原子(也可以是錫原子)，X則一般含有鹵素原子。
在太陽能電池領(lǐng)域，一般使用的是有機(jī)無機(jī)復(fù)合的鈣鈦礦。鈣鈦礦一般是作為太陽能電池的吸收層來使用，在接受太陽光的照射以后，鈣鈦礦吸收了光子以后會產(chǎn)生電子——空穴對。電子帶負(fù)電，而空穴可以看成是帶正電。當(dāng)陽光照射到這些電子——空穴對上時就形成了光電流。
最早將鈣鈦礦應(yīng)用到電池上的是日本橫濱大學(xué)教授Akihiro Kojima。2009年，他首次將有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的有機(jī)金屬鹵化物(CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3)制成吸光層用到染料敏化太陽能電池，得到3.8%的轉(zhuǎn)換效率，后來由于液態(tài)電解質(zhì)導(dǎo)致鈣鈦礦材料很快分解，從而使電池效率很快衰減。但是研究人員很快意識到鈣鈦礦既善于吸收陽光，還能運(yùn)送電荷。
就這樣，鈣鈦礦太陽能電池誕生了。
穩(wěn)定性成瓶頸
經(jīng)過十年的發(fā)展，鈣鈦礦太陽能電池的實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)高達(dá)27%，在太陽能電池行業(yè)遙遙領(lǐng)先。
換句話說，以鈣鈦礦為原料制造的太陽能電池可以將大約1/4的太陽光直接轉(zhuǎn)化為電能。
從光電轉(zhuǎn)化率提升速度來看，鈣鈦礦也具有明顯優(yōu)勢。以目前市場份額最高的多晶硅太陽能電池為例。1985年，多晶硅太陽能電池的實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)化率為15%左右，在2004年達(dá)到20.4%;而后其轉(zhuǎn)化率雖略有提升，但微乎其微。
對比之下，2009年鈣鈦礦太陽能電池實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)化率為3.8%，如今實(shí)驗(yàn)室小面積器件(面積大小在幾平方毫米)轉(zhuǎn)化率在22%～23%，效率提升速度驚人，目前仍在繼續(xù)提升中。
從全球來看，英國牛津光伏公司的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率居于領(lǐng)先地位。其推出的鈣鈦礦疊層電池光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到了28%的世界紀(jì)錄，這也超過了26.7%的單晶硅電池效率紀(jì)錄。同時，牛津光伏公司的鈣鈦礦疊層電池技術(shù)路線圖顯示，其光電轉(zhuǎn)化效率將超過30%。
需要注意的是，目前，轉(zhuǎn)換效率較高的鈣鈦礦太陽能電池的尺寸均為實(shí)驗(yàn)室級別，但隨著電池尺寸的增加，其光電轉(zhuǎn)換效率會隨之下降。
從成本來看，鈣鈦礦太陽能電池由于材料吸光能力強(qiáng)、對雜質(zhì)不敏感和生產(chǎn)工藝能耗低，其綜合成本大大降低。
研究表明，鈣鈦礦電池對光的吸收能力是傳統(tǒng)太陽能電池材料的100倍，因此鈣鈦礦電池只需使用1/100的厚度，即可產(chǎn)生相同的能量輸出，相應(yīng)減少了所需材料數(shù)量，而且產(chǎn)生的電壓更高，還能增加能量產(chǎn)出。
同時，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(dá)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(dá)到99.9999%以上才能用于制造太陽能電池。
由于鈣鈦礦材料可以溶解在普通溶劑之中，鈣鈦礦組件可以通過溶液涂布工藝生產(chǎn)，整個生產(chǎn)工藝流程溫度不超過150度。而晶硅材料的鑄錠和提拉都需要在1500度以上高溫，生產(chǎn)能耗差距可想而知。
這種不同材料體系的成本差異具體體現(xiàn)為：晶硅太陽能電池每平方米造價為500～700元，薄膜太陽能電池每平方米造價1300～1400元，鈣鈦礦太陽能電池每平米預(yù)計成本將低至100元。
盡管具備轉(zhuǎn)化效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但鈣鈦礦太陽能電池也面臨穩(wěn)定性差導(dǎo)致的壽命較短的問題，這也是其最致命的弱點(diǎn)。
由于鈣鈦礦太陽能電池對潮濕環(huán)境敏感，暴露在潮濕空氣中會很快分解，就連晝夜溫差造成的水蒸氣也可能對它造成傷害，因此必須對其進(jìn)行防水封裝。
目前，鈣鈦礦電池已經(jīng)經(jīng)過了1萬小時的持續(xù)光照實(shí)驗(yàn)，按照全天平均日照時長4小時計算，鈣鈦礦電池理論壽命為6.8年，考慮到實(shí)際日照時間以及日常損耗，鈣鈦礦電池正常壽命應(yīng)小于6.8年。相比于硅電池的理論壽命25年，還有很大差距。
可喜的是，2016年以來，隨著新型多離子混合型鈣鈦礦材料的應(yīng)用，以及緩沖層材料逐漸無機(jī)化，鈣鈦礦太陽能電池的工作壽命正在穩(wěn)步提高，在實(shí)驗(yàn)室中已可實(shí)現(xiàn)連續(xù)1000小時工作衰減低于5%。
2020年量產(chǎn)可期
目前，鈣鈦礦太陽能電池正處于量產(chǎn)的前夜。
在過去十年里，全球頂尖科研機(jī)構(gòu)和大型跨國公司，如英國牛津大學(xué)，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院，中國科學(xué)院、南方科大，日本松下、夏普、東芝等都投入了大量人力物力，致力于實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦太陽能電池的量產(chǎn)。
纖納光伏聯(lián)合創(chuàng)始人姚冀眾公開表示，“鈣鈦礦技術(shù)發(fā)展到今天已經(jīng)不是簡單的技術(shù)儲備，自技術(shù)興起以來，得到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界極大的關(guān)注和投入。短短幾年轉(zhuǎn)換效率及穩(wěn)定性都有了很大提高，已經(jīng)具備了產(chǎn)業(yè)化條件。”
姚冀眾透露，纖納光電正在為接下來的量產(chǎn)做最后準(zhǔn)備，組建全球首條20兆瓦鈣鈦礦太陽能電池生產(chǎn)線。未來，在15%～16%的光電轉(zhuǎn)化率條件下，纖納光電的鈣鈦礦太陽能組件每瓦成本將低于1元。
比纖納光伏更進(jìn)一步，中國民營能源集團(tuán)協(xié)鑫集團(tuán)和英國牛津光伏公司都提出了鈣鈦礦太陽能電池量產(chǎn)的時間表。
今年2月，協(xié)鑫集團(tuán)旗下蘇州協(xié)鑫納米科技發(fā)布了其在鈣鈦礦光伏組件技術(shù)方面的突破性進(jìn)展。協(xié)鑫納米已經(jīng)率先建成10兆瓦級別大面積鈣鈦礦組件中試生產(chǎn)線，完成了相關(guān)材料合成及制造工藝的開發(fā)，并已開始100兆瓦量產(chǎn)生產(chǎn)線的建設(shè)工作，計劃于2020年實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦光伏組件的商業(yè)化生產(chǎn)。
據(jù)介紹，協(xié)鑫納米10兆瓦中試生產(chǎn)線所制造的鈣鈦礦光伏組件尺寸為45厘米×65厘米，光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到15.3%。這是全世界范圍內(nèi)最大面積的鈣鈦礦光伏組件，也是大面積鈣鈦礦組件效率的最高數(shù)值。協(xié)鑫納米正在建設(shè)中的100兆瓦量產(chǎn)生產(chǎn)線，將把組件面積擴(kuò)大至1米×2米，組件光電轉(zhuǎn)化效率將提高至18%以上。在現(xiàn)有的工藝條件下，100兆瓦量產(chǎn)線的鈣鈦礦光伏組件的成本預(yù)計將低于1元/瓦，量產(chǎn)組件的工作壽命將達(dá)到25年以上。當(dāng)產(chǎn)能擴(kuò)大到1吉瓦以上時，鈣鈦礦組件的制造成本還將進(jìn)一步下降到每瓦0.7元左右。
在國外，今年3月，牛津光伏從其最大股東梅耶博格技術(shù)公司購買了一條200 兆瓦異質(zhì)結(jié)生產(chǎn)線用于鈣鈦礦電池試生產(chǎn)，此生產(chǎn)線將于2020年底在牛津光伏哈弗爾河畔勃蘭登堡的工廠中試運(yùn)行。牛津光伏將這一生產(chǎn)線電池轉(zhuǎn)換率的初始目標(biāo)定為27%。
人們有理由相信，2020年或?qū)⒊蔀槿祟惞夥l(fā)電歷史上的拐點(diǎn)。
