據(jù)安泰科的多晶硅價(jià)格公布，硅料已從年初87.6元/KG(單晶復(fù)投料)漲至現(xiàn)在的269.9元/KG，足足翻了3倍，而光伏組件的漲幅卻不足50%…
面對(duì)這種極寒情況有一種技術(shù)卻在悄悄發(fā)展，漸成驚人之勢(shì)!
一、薄膜電池的發(fā)展
早期的學(xué)者們已經(jīng)在薄膜電池的道路上留下了探索的腳步，比如硫化鎘(CdS)薄膜電池誕生于1962年，雖然在商業(yè)化的道路上遲遲沒(méi)有更大的進(jìn)展，但是，它的出現(xiàn)引發(fā)了薄膜電池的研究熱潮。在隨后的幾十年間，多種薄膜電池材料被開(kāi)發(fā)了出來(lái)，如硒化鎘、銻化銦、碲化鎘、銅銦鎵硒、非晶體硅、砷化鎵、以及近年來(lái)大熱的鈣鈦礦等等。
在NREL的太陽(yáng)能電池效率追蹤表中可以看到鈣鈦礦電池在近10年內(nèi)發(fā)展迅速，目前實(shí)驗(yàn)室效率已經(jīng)在20%以上，或?qū)⒊蔀榻鼛啄曜钣邢Ｍ笠?guī)模應(yīng)用的薄膜電池技術(shù)，目前鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化技術(shù)較為成熟的企業(yè)有杭州纖納、協(xié)鑫光電等等。緊隨其后的是碲化鎘與銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池，F(xiàn)irstSolar與漢能等企業(yè)均有相應(yīng)的量產(chǎn)化開(kāi)發(fā)。
薄膜電池的優(yōu)勢(shì)有幾個(gè)方面:
1.理論成本低;
2.輕薄透光，適用于BIPV設(shè)計(jì)，構(gòu)建未來(lái)綠色建筑;
3.色彩多變，在發(fā)電的同時(shí)可以為建筑帶來(lái)不一樣的風(fēng)采;
4.像鈣鈦礦、碲化鎘、銅銦鎵硒這類的材料，能帶寬度大于晶體硅電池，能夠用于制備晶體硅疊層電池，拓寬光譜的利用率，進(jìn)一步提高太陽(yáng)能電池的理論效率。
由鈣鈦礦電池和晶體硅組成的疊層電池理論轉(zhuǎn)換率極限可達(dá)43%。
二、各類薄膜電池的特點(diǎn)
1. 鈣鈦礦電池
鈣鈦礦(perovskite)是一種結(jié)構(gòu)為ABX3晶型的材料，其中A為有機(jī)陽(yáng)離子(如CH3NH3+)，B為金屬離子(如Pb+、Sn+)，X為鹵素陰離子(如Cl-、Br-、I-)或者SCN-。在2009年，日本的宮坂教授最早將鈣鈦礦材料用于太陽(yáng)能電池，并獲得了3.8%的光電轉(zhuǎn)換效率。在全球科學(xué)家的努力下，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率突破20%，接近傳統(tǒng)的單結(jié)薄膜太陽(yáng)能和晶體硅太陽(yáng)能電池的效率。同時(shí)鈣鈦礦材料的能帶有著可調(diào)節(jié)性，更有益于疊層電池的應(yīng)用。
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)
Source：Inorganic caesiumlead iodide perovskite solar cells
某些材料在特定條件下，會(huì)形成規(guī)則化的排布，如下圖所示。這種結(jié)構(gòu)便是常見(jiàn)的鈣鈦礦材料結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)下，材料本身的顏色也會(huì)呈現(xiàn)出常見(jiàn)的棕褐色。
Source：Inorganic caesium lead iodideperovskite solar cells
目前來(lái)看，鈣鈦礦材料對(duì)水汽或高溫較為敏感。直接暴露的高濕環(huán)境下，形成的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)將會(huì)快速失效，變?yōu)榉氢}鈦礦結(jié)構(gòu)，同時(shí)特有的棕褐色也會(huì)發(fā)生變化(如下圖，水滴滴在鈣鈦礦材料表面時(shí)，顏色發(fā)生了明顯的變化。所以，材料穩(wěn)定性與封裝的研究至關(guān)重要。在2021年初，杭州纖納重磅宣布了全球首個(gè)通過(guò)了基于IEC61215標(biāo)準(zhǔn)的加嚴(yán)穩(wěn)定性證書(shū)，邁出了鈣鈦礦組件商業(yè)化堅(jiān)實(shí)的一步。
2. 碲化鎘電池
目前碲化鎘光伏產(chǎn)品在薄膜細(xì)分領(lǐng)域做得相對(duì)更加成熟，特別是歐美等區(qū)域，這種材料在炎熱潮濕的環(huán)境中發(fā)電表現(xiàn)效果好。在這一細(xì)分領(lǐng)域，F(xiàn)irstsolar產(chǎn)品做的相對(duì)較好，效率達(dá)到了18%+，同時(shí)在十幾年的發(fā)展中主導(dǎo)了這一細(xì)分領(lǐng)域，在氣相運(yùn)輸沉積等關(guān)鍵技術(shù)上形成了很高的壁壘。
但是碲化鎘組件中含有大量重金屬元素，組件回收將成為一項(xiàng)需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。同時(shí)在生產(chǎn)過(guò)程中有劇毒物質(zhì)需要排放，所以在危廢處理及環(huán)保環(huán)節(jié)需要重點(diǎn)進(jìn)行考量。同時(shí)帶隙相對(duì)固定在1.44ev，在疊層電池方向的應(yīng)用或受到一定限制。
Source：A review of thin film solar cell technologies and challenges
3.銅銦鎵硒電池
與鈣鈦礦類似，帶隙同樣可調(diào)(1-1.6eV)，也有用于疊層電池的潛力。相比于目前常見(jiàn)的170-180um厚度的晶硅硅片，銅銦鎵硒電池所需的材料厚度僅需1.2-4um，明顯薄于現(xiàn)有的晶硅電池。同時(shí)，現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)室電池效率也已經(jīng)在22%以上，未來(lái)非常有希望進(jìn)入現(xiàn)有光伏發(fā)電市場(chǎng)。
但目前銅銦鎵硒電池相較于碲化鎘電池來(lái)說(shuō)，價(jià)格上仍有一定的路需要走。
Source：A review of thin film solar cell technologies and challenges
三、薄膜電池的展望
目前鈣鈦礦、CdTe和CIGS的商業(yè)化在國(guó)內(nèi)已經(jīng)走了好幾個(gè)年頭,投了不少錢(qián),也擴(kuò)了許多產(chǎn)線, 降本也在不斷實(shí)現(xiàn), 比起晶硅組件還是有一段路需要走。但隨著電價(jià)的上浮、技術(shù)的不斷完備，相信在BIPV，甚至于地面電站上，將會(huì)逐步有更多薄膜電池的身影出現(xiàn)。
評(píng)論