日本推动钙钛矿电池产业化,能颠覆中国光伏优势?
观察者网
《华尔街日报》中文版12日刊登文章“中国在太阳能市场的霸主地位面临新对手：一种超薄膜电池”，表示日本正在通过补贴和其他支持来推动钙钛矿超薄膜电池的研究和产业化，试图凭借此项技术颠覆中国在光伏领域的优势。
文中提到，现在中国企业控制着全球硅太阳能电池板供应链的80%以上，而在作为电池板核心材料的多晶硅市场上，中国所占份额更高。国际能源署（IEA）发表报告显示：“到2025年，全球太阳能电池板生产的关键构件几乎将完全依赖中国供应。”
日本EneCoat首席技术官Tamotsu Horiuchi展示该公司开发的太阳能薄片
日本EneCoat首席技术官Tamotsu Horiuchi展示该公司开发的太阳能薄片 图片来源：《华尔街日报》
为了重塑相关供应链，美国日本等国都在推进太阳能电池板供应链的本土替代，并将未来的赌注放在了不使用任何硅的钙钛矿太阳能电池上。
为什么美日打算押注钙钛矿？
美日押注钙钛矿的核心原因就是它的上限遥遥领先于现在的硅光伏电池。
钙钛矿材料起源于钙钛氧化物（CaTiO3），该化合物由德国化学家Gustav于19世纪发现，之后被俄罗斯矿物学家Lev A. Perovski表征，钙钛矿（perovskite）从而得名。2012年，牛津大学的Henry Snaith发现钙钛矿可以用作太阳能电池的主要成分。此后关于钙钛矿光伏效应的相关研究就在这十多年来突飞猛进。
钙钛矿电池工作原理同硅基太阳能电池类似，都是光生伏特效应。但是不同的是，钙钛矿电池有以下三个特点：1、高吸光系数，可以捕获更大范围的光子能量。2、带隙可调：晶硅电池带隙固定，约1.1eV；而钙钛矿电池可以通过调节钙钛矿组分，其带隙可在1.4~2.3eV之间变化；所以可设计不同带隙的钙钛矿电池与晶硅电池叠加，从而达到更高的光电转化效率。（注：带隙是导带的最低点和价带的最高点的能量之差，也称能隙。带隙越大，电导率也就越低）3、温度系数低：晶硅电池温度系数为-0.3左右，即温度上升1℃功率会下降0.3%，因此实际工作中其发电效率受温度影响很小。
根据相关研究，钙钛矿单结电池理论功率转换效率可达33%，钙钛矿-晶硅叠层电池理论功率转换效率可达到43%，钙钛矿-钙钛矿叠层理论功率转换效率可达到45%。而与之相对的是，传统商用硅电池板的功率转换效率在大约18%至22%之间。对于光伏产业来说，光伏功率转换效率每提高1%，对应度电成本下降5%到7%。这1%背后可能需要耗费行业最顶尖人才3-5年的时间和天量的研发投资。
钙钛矿对于光伏行业的颠覆似乎就在路上。
2023年7月，加拿大多伦多大学工程学院团队在《Nature》上发表文章，宣布制备了开路电压为3.21伏和功率转换效率为24.3%（准稳态功率转换效率为23.3%）的全钙钛矿三结太阳能电池。该电池在最大功率点工作420小时以后，依然能够保持80%的初始效率。
加拿大多伦多大学工程学院团队
团队合照 图片来源：多伦多大学工程学院
11月，美国西北大学团队在《Science》上发布文章，宣布该团队成功制备了倒置钙钛矿太阳能电池。该电池准稳态功率转换效率达到了25.1%，在环境空气中在65°C下可稳定运行超过2000小时。他们还宣称制造了功率转换效率为28.1%的单片全钙钛矿串联太阳能电池。
更高的转化效率和颠覆性的材料，意味着未来电池设计将更加轻便和灵活。根据《华尔街日报》报道，日本现在重点攻克的钙钛矿电池里的钙钛矿层只有1微米厚。所制作电池的重量只有目前太阳能电池的十分之一，厚度只有二十分之一。所以钙钛矿电池可以安装在墙壁或曲面上，在较弱的阳光下发电，甚至在室内也能发电。
由于钙钛矿电池具有上述特点，所以国际巨头们都下巨资推进相关研究，美国、日本、韩国等国都更是将其视作规则颠覆者。
早在2020年9月，韩国贸易工业和能源部就更新了太阳能组件行业的新路线图，表示之后五年将投入1900亿韩元（约合1.597亿美元）用于串联光伏技术的研究，并最终在2030年，将太阳能电池的光电功率转换效率提升至35%。2021年5月和2022年7月，日本和美国也先后发布相关政策，开发下一代太阳能电池技术、将钙钛矿光伏技术推向商业化。
串联光伏钙钛矿
串联光伏钙钛矿 图片来源：柏林亥姆霍兹中心材料与能源研究所
根据相关规划，积水化学和东芝等公司预计最早将于2025年开始量产钙钛矿电池。而日本政府也已拨出4亿多美元预算，帮助企业大规模生产钙钛矿电池。日本政府在去年4月还放出豪言，计划将在2030年普及以钙钛矿电池为核心的柔性太阳能电池板，并且将太阳能电池的光电功率转换效率提升至35%。
但是现在依旧有三大难题阻碍钙钛矿电池发展：1、电池易受潮，相比于单晶硅和多晶硅，钙钛矿材料是一种离子材料，更容易受潮或氧化降解，这对于需要持续工作10年以上乃至30年以上的电池来说是个巨大的考验。2、电池难做宽，由于钙钛矿并不是一种晶体，所以电池越宽就越难形成薄而均匀的钙钛矿层，这导致大面积尺寸电池的功率转换效率低于20%，并且电池内部短路等问题会导致光电转换效率下降。3、GW级规模化生产钙钛矿电池依旧有难度。
针对以美日为首的试图利用钙钛矿电池改变现有光伏格局的尝试。我国产业也在加快钙钛矿电池相关研究的军备竞赛。
我国钙钛矿电池产业化正在加速
2023年5月，中国科学技术大学的徐集贤教授团队将单结钙钛矿太阳能电池的认证功率转换效率提升到了26.1%，打破世界纪录。该记录在7月得到了国际认证。
2023年11月3日，我国光伏巨头隆基绿能表示，据美国国家可再生能源实验室最新认证报告，隆基绿能自主研发的晶硅-钙钛矿叠层电池功率转换效率达到33.9%，刷新全球晶硅-钙钛矿叠层电池功率转换效率最高纪录。此前，该电池功率转换效率的世界记录是33.7%，由沙特国王科技大学于23年5月突破。
隆基绿能宣布刷新晶硅-钙钛矿叠层电池效率世界纪录
隆基绿能宣布刷新晶硅-钙钛矿叠层电池效率世界纪录 图片来源：中国日报网
之后在12月5日，极电光能宣布，经国际权威检测机构认证，极电光能研发的810.1cm²大尺寸钙钛矿组件稳态功率转换效率达到19.5%。这是该公司继6月以18.6%稳态功率转换效率打破日本松下保持3年之久的世界纪录之后，再次刷新最大尺寸钙钛矿组件功率转换效率纪录。
而在我们的优势领域，产业化方面，我国似乎也已经隐隐领先于美日。
早在2022年8月，极电光能宣布与无锡锡山经济技术开发区达成协议布局全球首条GW级钙钛矿光伏组件及BIPV产品生产线。预计将在2024年下半年建成投产。
此后在2023年12月27日，总投资50亿元的协鑫光电钙钛矿GW级项目在昆山高新区奠基，该项目将建设全球首条大规格（1.2米×2.4米）2GW钙钛矿生产线，此次奠基的协鑫光电2GW项目计划分两期建设，预计2024年下半年建成投产，2027年产值有望突破百亿元。
今年1月11日，“光伏新势力”仁烁光能在江苏常熟举行150MW钙钛矿光伏组件项目竣工暨出片仪式，预计该产线将在2024年年中实现1.2米*0.6米钙钛矿组件量产，量产组件的转换功率转换效率将达20%。
更值得注意的是，全球首个商业化运行的兆瓦级钙钛矿地面光伏项目纤纳光电的1兆瓦钙钛矿地面光伏电站已于2023年11月29日成功并网。这是内蒙古鄂尔多斯市杭锦旗库布其沙漠腹地的蒙西基地库布其200万千瓦光伏治沙项目的配套建设，采用了1.12万片纤纳光电自主研发和制造的钙钛矿α组件。
沙漠里的钙钛矿组件
沙漠里的钙钛矿组件 图片来源：纤纳光电
对于我国钙钛矿电池的飞速发展，协鑫集团董事长朱共山之前曾表示，“从2023年开始，钙钛矿电池技术将正式步入量产元年”。
相信随着我国科研人员的不断努力，美日将很难通过钙钛矿电池颠覆我国在光伏领域的优势地位。
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发表于 2024-1-13 09:27:16
