3月15日，中國第一大風(fēng)機制造商金風(fēng)科技宣布，以戰略投資者身份領(lǐng)投英國鈣鈦礦太陽(yáng)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(wàn)英鎊。
4月26日，長(cháng)江三峽集團旗下三峽資本聯(lián)合中國三峽新能源與杭州纖納光電科技有限公司(簡(jiǎn)稱(chēng)纖納光電)宣布，三峽資本以戰略投資者身份注資纖納光電，投資金額5000萬(wàn)人民幣。這家成立不足4年的公司，目前是全球鈣鈦礦太陽(yáng)能組件光電轉換效率的世界紀錄的保持者。
所謂鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(perovskite solar cells)，是利用鈣鈦礦的有機金屬鹵化物半導體作為吸光材料的太陽(yáng)能電池，屬于第三代新概念太陽(yáng)能電池之一，具有光電轉換效率特別高、成本低的特點(diǎn)，目前實(shí)驗室轉換率水平最高接近30%，是目前已經(jīng)發(fā)現的實(shí)驗室光電轉換效率最高的太陽(yáng)能電池。
不過(guò)，從全球來(lái)看，雖然鈣鈦礦太陽(yáng)能電池尚處實(shí)驗室階段，并未實(shí)現真正的量產(chǎn)，但隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步，2020年量產(chǎn)的腳步已越來(lái)越近，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池有望成為光伏行業(yè)的“攪局者”。
十年磨一劍
太陽(yáng)能電池是一種通過(guò)光電效應或者光化學(xué)反應直接把光能轉化成電能的裝置。從結構上來(lái)看，太陽(yáng)能電池一般是由很多層材料堆積起來(lái)的，其中起到光吸收作用的層叫做吸收層。太陽(yáng)能電池也按照吸收層的材料特性來(lái)命名，比如晶體硅太陽(yáng)能電池的吸收層就是單晶硅或者多晶硅;薄膜太陽(yáng)能電池的吸收層一般是厚度幾個(gè)微米的薄膜材料;而鈣鈦礦太陽(yáng)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(lèi)第一塊太陽(yáng)能電池——硒上覆薄金的半導體/金屬結太陽(yáng)能電池, 其光電轉換效率僅約1%。1954年，美國貝爾實(shí)驗室Pearson、Fuller和Chapin等人研制出了第一塊晶體硅太陽(yáng)能電池，獲得4.5%的轉換效率, 開(kāi)啟了利用太陽(yáng)能發(fā)電的新紀元。
在最近的半個(gè)多世紀里，太陽(yáng)能技術(shù)發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一代太陽(yáng)能電池主要指單晶硅和多晶硅太陽(yáng)能電池，其在實(shí)驗室的光電轉換效率已經(jīng)分別達到25%和20.4%;第二代太陽(yáng)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(yáng)能電池主要指具有高轉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)電池以及有機太陽(yáng)能電池等。
其中，鈣鈦礦太陽(yáng)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)現的鈣鈦礦材料是鈣與鈦的復合氧化物。后來(lái)，鈣鈦礦的概念有了很大的延展，它已經(jīng)不特指鈣鈦復合氧化物，而用來(lái)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分子基團，而B(niǎo)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(yáng)能電池領(lǐng)域，一般使用的是有機無(wú)機復合的鈣鈦礦。鈣鈦礦一般是作為太陽(yáng)能電池的吸收層來(lái)使用，在接受太陽(yáng)光的照射以后，鈣鈦礦吸收了光子以后會(huì )產(chǎn)生電子——空穴對。電子帶負電，而空穴可以看成是帶正電。當陽(yáng)光照射到這些電子——空穴對上時(shí)就形成了光電流。
最早將鈣鈦礦應用到電池上的是日本橫濱大學(xué)教授A(yíng)kihiro Kojima。2009年，他首次將有鈣鈦礦結構的有機金屬鹵化物(CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3)制成吸光層用到染料敏化太陽(yáng)能電池，得到3.8%的轉換效率，后來(lái)由于液態(tài)電解質(zhì)導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(yáng)光，還能運送電荷。
就這樣，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池誕生了。
穩定性成瓶頸
經(jīng)過(guò)十年的發(fā)展，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的實(shí)驗室光電轉換效率已經(jīng)高達27%，在太陽(yáng)能電池行業(yè)遙遙領(lǐng)先。
換句話(huà)說(shuō)，以鈣鈦礦為原料制造的太陽(yáng)能電池可以將大約1/4的太陽(yáng)光直接轉化為電能。
從光電轉化率提升速度來(lái)看，鈣鈦礦也具有明顯優(yōu)勢。以目前市場(chǎng)份額最高的多晶硅太陽(yáng)能電池為例。1985年，多晶硅太陽(yáng)能電池的實(shí)驗室轉化率為15%左右，在2004年達到20.4%;而后其轉化率雖略有提升，但微乎其微。
對比之下，2009年鈣鈦礦太陽(yáng)能電池實(shí)驗室轉化率為3.8%，如今實(shí)驗室小面積器件(面積大小在幾平方毫米)轉化率在22%～23%，效率提升速度驚人，目前仍在繼續提升中。
從全球來(lái)看，英國牛津光伏公司的太陽(yáng)能電池轉換效率居于領(lǐng)先地位。其推出的鈣鈦礦疊層電池光電轉換效率已經(jīng)達到了28%的世界紀錄，這也超過(guò)了26.7%的單晶硅電池效率紀錄。同時(shí)，牛津光伏公司的鈣鈦礦疊層電池技術(shù)路線(xiàn)圖顯示，其光電轉化效率將超過(guò)30%。
需要注意的是，目前，轉換效率較高的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的尺寸均為實(shí)驗室級別，但隨著(zhù)電池尺寸的增加，其光電轉換效率會(huì )隨之下降。
從成本來(lái)看，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池由于材料吸光能力強、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太陽(yáng)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，相應減少了所需材料數量，而且產(chǎn)生的電壓更高，還能增加能量產(chǎn)出。
同時(shí)，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(yáng)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(yáng)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(guò)溶液涂布工藝生產(chǎn)，整個(gè)生產(chǎn)工藝流程溫度不超過(guò)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為：晶硅太陽(yáng)能電池每平方米造價(jià)為500～700元，薄膜太陽(yáng)能電池每平方米造價(jià)1300～1400元，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池每平米預計成本將低至100元。
盡管具備轉化效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但鈣鈦礦太陽(yáng)能電池也面臨穩定性差導致的壽命較短的問(wèn)題，這也是其最致命的弱點(diǎn)。
由于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池對潮濕環(huán)境敏感，暴露在潮濕空氣中會(huì )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(guò)了1萬(wàn)小時(shí)的持續光照實(shí)驗，按照全天平均日照時(shí)長(cháng)4小時(shí)計算，鈣鈦礦電池理論壽命為6.8年，考慮到實(shí)際日照時(shí)間以及日常損耗，鈣鈦礦電池正常壽命應小于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(lái)，隨著(zhù)新型多離子混合型鈣鈦礦材料的應用，以及緩沖層材料逐漸無(wú)機化，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的工作壽命正在穩步提高，在實(shí)驗室中已可實(shí)現連續1000小時(shí)工作衰減低于5%。
2020年量產(chǎn)可期
目前，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池正處于量產(chǎn)的前夜。
在過(guò)去十年里，全球頂尖科研機構和大型跨國公司，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)現鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的量產(chǎn)。
纖納光伏聯(lián)合創(chuàng )始人姚冀眾公開(kāi)表示，“鈣鈦礦技術(shù)發(fā)展到今天已經(jīng)不是簡(jiǎn)單的技術(shù)儲備，自技術(shù)興起以來(lái)，得到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界極大的關(guān)注和投入。短短幾年轉換效率及穩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(lái)的量產(chǎn)做最后準備，組建全球首條20兆瓦鈣鈦礦太陽(yáng)能電池生產(chǎn)線(xiàn)。未來(lái)，在15%～16%的光電轉化率條件下，纖納光電的鈣鈦礦太陽(yáng)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(yíng)能源集團協(xié)鑫集團和英國牛津光伏公司都提出了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池量產(chǎn)的時(shí)間表。
今年2月，協(xié)鑫集團旗下蘇州協(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(xiàn)，完成了相關(guān)材料合成及制造工藝的開(kāi)發(fā)，并已開(kāi)始100兆瓦量產(chǎn)生產(chǎn)線(xiàn)的建設工作，計劃于2020年實(shí)現鈣鈦礦光伏組件的商業(yè)化生產(chǎn)。
據介紹，協(xié)鑫納米10兆瓦中試生產(chǎn)線(xiàn)所制造的鈣鈦礦光伏組件尺寸為45厘米×65厘米，光電轉化效率達到15.3%。這是全世界范圍內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值。協(xié)鑫納米正在建設中的100兆瓦量產(chǎn)生產(chǎn)線(xiàn)，將把組件面積擴大至1米×2米，組件光電轉化效率將提高至18%以上。在現有的工藝條件下，100兆瓦量產(chǎn)線(xiàn)的鈣鈦礦光伏組件的成本預計將低于1元/瓦，量產(chǎn)組件的工作壽命將達到25年以上。當產(chǎn)能擴大到1吉瓦以上時(shí)，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(mǎi)了一條200 兆瓦異質(zhì)結生產(chǎn)線(xiàn)用于鈣鈦礦電池試生產(chǎn)，此生產(chǎn)線(xiàn)將于2020年底在牛津光伏哈弗爾河畔勃蘭登堡的工廠(chǎng)中試運行。牛津光伏將這一生產(chǎn)線(xiàn)電池轉換率的初始目標定為27%。
人們有理由相信，2020年或將成為人類(lèi)光伏發(fā)電歷史上的拐點(diǎn)。
