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麦耀华:钙钛矿还需进一步提升效率和稳定性

2023-02-16 06:46    来源:证券之星   阅读量:5873   

2月15日,由索比光伏网主办的2023“光能杯”跨年分享会暨2022第十届光伏行业颁奖盛典,在苏州市苏州园区香格里拉大酒店隆重举办。

暨南大学教授、博导、新能源技术研究院院长麦耀华出席了本届“光能杯”跨年分享会分论坛——创新分享会,并作主题为《钙钛矿太阳电池的研究现状与产业化前景》的分享。

麦耀华谈到,钙钛矿电池产业化已经开始,但不是说钙钛矿电池没有问题。首先,稳定性问题,我们发现钙钛矿电池在水的作用和高温条件下有可能发生分解,在电场的作用下,离子会离开原来的位置,也容易和金属电子产生反应,产生不可逆的过程;第二,大面积制备问题,钙钛矿电池的制备目前利用最多的是涂布法,钛矿要涂布出来的是半导体薄膜,这必须考虑结晶动力学,是后续要研究的领域。

双碳目标给太阳能光伏技术带来重大的发展机遇,钙钛矿电池成本低、效率高、应用范围广,具有广阔的市场前景。但是钙钛矿需要进一步提升效率、稳定性,开发大面积制备、叠层电池、柔性电池等技术,开拓包括室内弱光应用在内的新市场。

下文为现场致辞实录整理:

首先非常感谢索比光伏网的邀请,也感谢光伏CTO俱乐部,很开心在这里学到了很多东西。

今天我做的报告主要是钙钛矿电池目前来说热门的主题,这是我报告的主要内容首先从钙钛矿电池的背景开始,这个图大家非常清楚,实现碳达峰、碳中和的目标,就给光伏产业带来了很大的发展前景。这个图是在过去的40年时间里头,在上世纪80年代2020年时候薄膜电池达到了30%左右,晶体硅电池硅碳电池取得了很大的成绩,市场占有率达到了95%,未来可能达到99%,从我个人角度来说,我不特别认可,未来不好预测,晶体硅碳电池也有不少的问题,比如说隆基去年实现了26.81%。

对于技术来说,94%的人都住在东部,这是最需要电的地方,但是也没有太多可以安装光伏组件的地方,晶体硅碳的电池提供有限,那是不是新的技术可以提高转化效率呢?未来是不是一定是晶体硅,很有可能,但是是不是能够达到99%,我们都不是算命的,我们不是特别清楚。

现在大家也在努力寻找不同的技术方案钙钛矿就是其中一个。首先简单介绍一下什么钙钛矿,钙钛矿名字是来自于天然的碳酸钙材料,具有类似晶体材料种类非常多,但是用在光伏材料里面,是有机、无物杂化的,具有ABx3分子子材料。钙钛矿电池有很多优势,首先具有非常高的高吸收系数,对缺陷、杂志容忍度很高,在钙钛矿里面通常用两个九、三个九的材料就可以获得非常好的薄膜材料,这给钙钛矿电池转化提高带来很高的转化性,另外就是带隙连续可调,可制备叠层电池,可以做成叠层电池,可以获得更高的转化效率,利用两极电池的理论体现从30%左右提升到44.8%。

二是低成本,可以用非真空方法制备,制备温度是200度以下,能耗相当低,而且可以做成柔性电池,也可以在室内照明光上使用,可以提供一些免充电的解决方案,用电范围非常广泛,因此这也是钙钛矿电池广受关注的原因。

钙钛矿太阳电池游戏规则改变者,钙钛矿电池的成本都做过很多计算,成本大概是0.7元/W左右,效率是钙钛矿电池的优势,寿命是钙钛矿的短板,一开始是按秒计的,现在可以通过IEC16125的测试,它可以晶体在地面上竞争。另外可以和很多电池结合,包括柔性、室内和电子产品的结合也给了钙钛矿电池很多的应用场景,这很有可能使钙钛矿电池成为游戏的规则改变者。

钙钛矿电池产业化已经开始,但是也不是说钙钛矿电池没有问题,首先就是寿命问题,有两个产品已经通过了IEC61215的测试,所有具有一定的寿命,有足够长的寿命,这个毫无疑问。但是作为一个新的产品,你必须要说服客户,打消客户的疑虑,钙钛矿电池可以看到的还需要很多的实证测试需要做,证明我们IEC61215是满足钙钛矿的要求。

钙钛矿电池有一个新的技术,目前绝大部分的人都做了小面积的电池,基本上95%以上的文章都是基甲钙,钙钛矿的转化面积是随着面积增大迅速下降,这个问题也可以解决,另外就是移动能源、室内光能采集还需要逐步的拓展。

我介绍一下钙钛矿电池的技术挑战,首先是稳定性问题。IEC61215的测试是基于一个已知的资质,钙钛矿电池满足这个要求,就认为满足这个要求,但是这个已知的资质是不是和钙钛矿电池一致呢,这个值得研究的。实际上我们发现钙钛矿电池在水的作用下有可能分解,在高温条件下有可能发生分解的过程,同时钙钛矿电池也会存在离子迁移问题,在电场的作用下,离子会离开原来的位置,也容易和金属电子产生反应,产生不可逆的过程。在一定程度上几乎和晶体硅碳电池不大一样,是不是需要新的测试机制,需要更多的实证机制来验证。

第二个问题就是大面积制备,钙钛矿电池的制备方法有很多种,目前利用最多的就是涂布法,占蓝产业化80%-90%以上的份额。对于涂布法来说,对于钙钛矿是一个很新的工艺,但是对于传统来说这是常用的领域,涂布法是被广泛使用的,而且对均匀性的要求非常高,因此要涂得均匀,我相信不是关键问题,真正的关键问题是钙钛矿要涂布出来的是半导体薄膜,这个就必须考虑结晶动力学,这是后续要研究的地方。蒸发法在一定程度上和我们之前大家所说的低成本,低设备成本角度上有差别,因此还需要进一步加强对设备的研究,降低蒸发法设备成本的要求。

叠层技术是钙钛矿电池非常大的优势,有四端和两端叠层电池,两层叠层电池应用起来更加方便,对电站的设计更加简单,对于叠层电池的理论计算大家都做了很多,左下角两幅图体现了转化效率,对于双叠层电池,在最优化的代谢情况下超过40%以上的效率,如果做到60%以上,转化效率是接近60%的,右上角是不同叠层技术以及其SQlimit,如果可以按照最优化来选择,双层叠层理论效果达到44.8%。目前叠层电池的转化效率取得了很大的成果,钙钛矿/硅的两端叠层电池转换效率达到了32.5%。钙钛矿/钙钛矿电池转换效率已经达到了29%。

对于钙钛矿做叠层电池还有很多问题要解决,一是光管理策略,首先要做到的是电力的匹配,硅碳电池的光管理已经做了很多研究,进展非常快,如果我们在油面的硅碳电池上面,首先要做一个钙钛矿薄膜,还要做好光管理,最大限度的提高光的吸收是非常重要的。另外是电学损失等等这些都是非常关键的,硅碳电池双波组件达到30年的寿命,这是大家都基本上认可的,钙钛矿电池寿命有多长,在一定程度上还没有得到最后的验证,因此提高钙钛矿电池的稳定性也是极其关键的。

钙钛矿电池有一个很重要的应用场景就是室内的光能采集,有很多应用场景,例如说物联网传感器网络,我们不可能每一个地方都拉电线或者锂电池,锂电池更换业带来麻烦。另外就是智能家居和智能箱包也有应用场景,但是这些应用都是室内,室内光能采集会为上述的应用提供免充电的方案。室内光伏和室外光伏有很大的差异的,太阳光的光谱范围比较宽的,而室内光光谱范围窄,辐照度低,因此在电池设计上还有很多问题要解决。

以上就是钙钛矿电池的应用场景和碰到的技术难点,下面介绍一下钙钛矿电池产业化现状。

我们知道目前钙钛矿电池挺受大家关注,这个表列了主要的钙钛矿电池的企业,但是我想说的是非常抱歉,因为企业太多了,我们这个空间太小了,没有全部列下来,我们目前看到比较好的就是协鑫、纤纳、极电等等,也有人宣称根据大家的计划,钙钛矿电池明年有1GW的产能,但是我觉得计划还是计划,但是我们看到类似的声音有很多,大家在百兆瓦有很多,因此钙钛矿电池的产业化用如火如荼来形容应该是没有问题。

设备企业也有很多也看到了钙钛矿电池的机会,有捷佳伟创、大族等等,如果大家要了解哪些企业究竟在设备这块进入了产业,我建议大家多看很多基金公司的分析,我相信他们描述的比我这里要多得多。

最后简单介绍一下广东脉络能源科技有限公司,,广东脉络能源科技有限公司主要依托于暨南大学新能源技术研究院,成立于2016年我们总共有60多人的团队,目前实验室面积超过2000平米,而且已经建成20cm×20cm大面积钙钛矿组件小试平台,可以完成测试和表征的功能,也可以制备一些器件。

脉络能源是去年8月份成立的,2022年11月完成天使轮融资,2023年2月中试生产线建设完成,我们也希望尽快达到转换效率,目的是为了研究和开发钙钛矿的产业技术。

2021年认证玻璃衬底组件世界最高效率是21.37%室内光是我们的优势,我们实现了柔性和刚性最高效率,同时最近我们也获得了室内光伏电池转换效率提升到44.72%,在大面积和钙钛矿叠层也获得了转化30.5%的效率。

这是我们后续的计划,目前已经完成了中试线的完成厂房装修,2023年06月100/MW产线开始产线设计及设备采购。

最后做一个总结,双碳目标给太阳能光伏技术带来重大的发展机遇,钙钛矿电池成本低、效率高、应用范围广,具有广阔的市场前景。但是钙钛矿需要进一步提升效率、稳定性,开发大面积制备、叠层电池、柔性电池等技术,开拓包括室内若光应用在内的信市场。脉络能源完成了天使轮融资,开始了相关的产业化,谢谢大家!

致敬时代 拥抱变革

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