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硅料暴涨,新品现世,光伏行业或将迎来巨变!

中国电力网发布时间:2021-10-19 18:20:57

据安泰科的多晶硅价格公布,硅料已从年初87.6元/KG(单晶复投料)涨至现在的269.9元/KG,足足翻了3倍,而光伏组件的涨幅却不足50%…


面对这种极寒情况有一种技术却在悄悄发展,渐成惊人之势!

一、薄膜电池的发展

早期的学者们已经在薄膜电池的道路上留下了探索的脚步,比如硫化镉(CdS)薄膜电池诞生于1962年,虽然在商业化的道路上迟迟没有更大的进展,但是,它的出现引发了薄膜电池的研究热潮。在随后的几十年间,多种薄膜电池材料被开发了出来,如硒化镉、锑化铟、碲化镉、铜铟镓硒、非晶体硅、砷化镓、以及近年来大热的钙钛矿等等。

在NREL的太阳能电池效率追踪表中可以看到钙钛矿电池在近10年内发展迅速,目前实验室效率已经在20%以上,或将成为近几年最有希望大规模应用的薄膜电池技术,目前钙钛矿产业化技术较为成熟的企业有杭州纤纳、协鑫光电等等。紧随其后的是碲化镉与铜铟镓硒太阳能电池,FirstSolar与汉能等企业均有相应的量产化开发。


薄膜电池的优势有几个方面:

1.理论成本低;

2.轻薄透光,适用于BIPV设计,构建未来绿色建筑;

3.色彩多变,在发电的同时可以为建筑带来不一样的风采;

4.像钙钛矿、碲化镉、铜铟镓硒这类的材料,能带宽度大于晶体硅电池,能够用于制备晶体硅叠层电池,拓宽光谱的利用率,进一步提高太阳能电池的理论效率。

由钙钛矿电池和晶体硅组成的叠层电池理论转换率极限可达43%。


二、各类薄膜电池的特点

1. 钙钛矿电池

钙钛矿(perovskite)是一种结构为ABX3晶型的材料,其中A为有机阳离子(如CH3NH3+),B为金属离子(如Pb+、Sn+),X为卤素阴离子(如Cl-、Br-、I-)或者SCN-。在2009年,日本的宫坂教授最早将钙钛矿材料用于太阳能电池,并获得了3.8%的光电转换效率。在全球科学家的努力下,钙钛矿太阳能电池的效率突破20%,接近传统的单结薄膜太阳能和晶体硅太阳能电池的效率。同时钙钛矿材料的能带有着可调节性,更有益于叠层电池的应用。


钙钛矿太阳能电池结构

Source:Inorganic caesiumlead iodide perovskite solar cells

某些材料在特定条件下,会形成规则化的排布,如下图所示。这种结构便是常见的钙钛矿材料结构,在这种结构下,材料本身的颜色也会呈现出常见的棕褐色。


Source:Inorganic caesium lead iodideperovskite solar cells

目前来看,钙钛矿材料对水汽或高温较为敏感。直接暴露的高湿环境下,形成的钙钛矿结构将会快速失效,变为非钙钛矿结构,同时特有的棕褐色也会发生变化(如下图,水滴滴在钙钛矿材料表面时,颜色发生了明显的变化。所以,材料稳定性与封装的研究至关重要。在2021年初,杭州纤纳重磅宣布了全球首个通过了基于IEC61215标准的加严稳定性证书,迈出了钙钛矿组件商业化坚实的一步。


2. 碲化镉电池

目前碲化镉光伏产品在薄膜细分领域做得相对更加成熟,特别是欧美等区域,这种材料在炎热潮湿的环境中发电表现效果好。在这一细分领域,Firstsolar产品做的相对较好,效率达到了18%+,同时在十几年的发展中主导了这一细分领域,在气相运输沉积等关键技术上形成了很高的壁垒。

但是碲化镉组件中含有大量重金属元素,组件回收将成为一项需要重点关注的问题。同时在生产过程中有剧毒物质需要排放,所以在危废处理及环保环节需要重点进行考量。同时带隙相对固定在1.44ev,在叠层电池方向的应用或受到一定限制。


Source:A review of thin film solar cell technologies and challenges

3.铜铟镓硒电池

与钙钛矿类似,带隙同样可调(1-1.6eV),也有用于叠层电池的潜力。相比于目前常见的170-180um厚度的晶硅硅片,铜铟镓硒电池所需的材料厚度仅需1.2-4um,明显薄于现有的晶硅电池。同时,现在的实验室电池效率也已经在22%以上,未来非常有希望进入现有光伏发电市场。

但目前铜铟镓硒电池相较于碲化镉电池来说,价格上仍有一定的路需要走。


Source:A review of thin film solar cell technologies and challenges

三、薄膜电池的展望

目前钙钛矿、CdTe和CIGS的商业化在国内已经走了好几个年头,投了不少钱,也扩了许多产线, 降本也在不断实现, 比起晶硅组件还是有一段路需要走。但随着电价的上浮、技术的不断完备,相信在BIPV,甚至于地面电站上,将会逐步有更多薄膜电池的身影出现。

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