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关于钙钛矿电池的一些知识
智齿要拔光
不讲武德的老司机
2023-01-25 20:14:18

核心观点

本文是关于钙钛矿电池的一些知识转载,个人认为写的比较全面易懂,对了解当前市场大热点有帮助的

钙钛矿和硅材料的显著区别从本质上决定了电池器件的表现。硅材料是由硅原子通过共价键连接而形成的一种十分稳定的材料,这种既稳定又单一的结构意味着其具有固定光电性质、加工困难、对缺陷的包容性差等特点。相比之下,钙钛矿材料由多种元素组成,且不同元素之间更多地通过离子键连接,赋予了这种材料在带隙等光电性质上可调、可溶性加工以及对缺陷具有良好包容性等优势。

钙钛矿电池结构是对晶硅电池的颠覆性创新。晶硅电池的技术迭代主要是针对界面层的改进,而钙钛矿电池是对电池结构的一次颠覆性改变,目前以平面结构为主。在钙钛矿层的制备上,原材料利用率更高、能连续生产、成本更低的溶液法更受业界重视。小组件方面,硅电池是并联结构,然后不同的硅片在通过“串联”或者并联的方式组成模组;而钙钛v矿电池是小面积模组通常串联结构。

钙钛矿正处于产业尝试阶段,未来交付方式除了器件模组外,也存在以交钥匙工程模式进行交付的可能。学术界的研究已为产业化铺平道路,目前如何制备大面积的高效电池是钙钛矿产业化面临的主要挑战。现在钙钛矿正处于产业化尝试阶段,未来不一定以组件为核心,其经营模式有望变成交钥匙工程。

我们的观点

钙钛矿电池高性能低成本,有望掀起光伏领域新一轮技术革新。钙钛矿太阳能电池理论光电转换效率高达 33%,突破传统晶硅电池 29%的上限,且采取叠层模式后,光电转换效率有望突破 45%,在光伏领域具有诱人前景。钙钛矿组件制备流程显著缩短,设备投资成本更低,钙钛矿材料廉价易得,对缺陷的容忍度最高,在成本上具有潜在优势。钙钛矿太阳能电池制备工艺和结构同晶硅电池不同,叠加其物美价廉潜力,有望掀起光伏领域新一轮技术革新。

钙钛矿产业初具雏形,大面积高效率最终破局。目前,协鑫光电、纤纳光电、极电光能等企业已率先建成百 MW级产线,部分量产组件率先出货,钙钛矿产业化初具雏形。钙钛矿产业化发展进程依赖于能否实现大面积组件的稳定性和高效率,该进展同时依赖于底层材料的深度理解及产业化工艺设备的迭代创新,以钙钛矿产业当前进展看,2024 年有望实现 GW级产能。

2023 年 1 月 12 日,钙钛矿太阳能电池器件专家、浙江大学“百人”研究员、博士生导师,在国君材料装备系列沙龙第 4 站作了题为《钙钛矿光伏的本质和产业化发展趋势》的报告。本报告对沙龙内容进行了梳理整合,以期厘清钙钛矿产业化发展脉络。

1. 太阳能是目前最理想的可再生能源,未来发展潜力巨大作为目前最理想的可再生能源,太阳能在利用上存在能量密度较小、时间上分布不均匀等困难。能源与环境密切相关,目前全球的能源结构依然以不可再生的化石能源为主,加剧了温室效应。在此背景下我国制定了双碳发展战略来开发利用可再生能源。太阳能是目前最理想的可再生能源,原因有以下两点:1)太阳能能量丰富,只要能充分利用照到地球上太阳能的万分之一,即可满足人类在电能、燃油、汽车等方面的整个能源需求。2)太阳能空间分布广泛、容易获取。除南北极分布相对较少外,世界各地均可获得太阳能。但太阳能在利用上存在单位面积能量密度较小、随时间变化不均匀、易受照射角度影响等方面的困难。此外,太阳光的光谱分布也是目前限制光伏效率极限的重要影响因素。

目前太阳能的开发利用程度并不乐观,未来发展潜力巨大。当前我国发电量的主要来源仍是自火力发电,2021 年太阳能发电量占比仅为2.26%,开发利用程度并不乐观。可见,太阳能在未来仍具有巨大的发展潜力,目前太阳能装机量正呈现持续增长的趋势。2021 年全球光伏新增装机量约为 170GW,若按目前 2 元/W 的价格,全球光伏市场规模可达万亿。跟火力发电的不同在于,火力发电需要持续不断的能源投入。而太阳能发电具有一劳永逸的特点,其边际成本非常显著。一旦人们开发出效率高、稳定性强的太阳能电池即可获得持续不断的能量输入。换言之,只要人们把太阳能电池技术锻造好,那么它取代火力发电或成为火力发电的强力互补是指日可待的。

2021 年我国太阳能发电量占比仅为 2.26%

2021 年全球光伏新增装机量约为 170 GW

2. 大部分太阳能电池的工作原理高度相似,抑制界面上的电荷复合是硅电池技术迭代的本质目的大部分太阳能电池的发电器件结构和原理都非常相似。例如硅太阳能电池主要靠 P 型硅和 N 型硅形成的 PN 结来工作。这里面的光电转换过程可以大致分成以下三步:1)光吸收过程:硅层吸收光能。需要注意的是,硅电池的其它层也会吸收一定的光能,但由于非硅层的光吸收不会贡献出光电荷,因此会造成能量损失。2)光转换过程:硅层吸收光能以后会把一个光子瞬间转化成一个处于激发态的电子,在 PN 结(内建电场)的作用下实现电子和空穴的相互分离。3)电荷收集过程:电池的上下两极分别收集电子和空穴,两极之间形成电势差,进而驱动用电器工作。

光反射损失和电荷复合损失是硅电池能量损失的主要来源。前面主要从光电转换的角度介绍了太阳能电池的工作原理,而目前太阳能电池结构的演进主要是从能量损失的角度展开的。在硅电池的工作过程中,能量损失主要来自于两方面:1)光反射损失。光照到物体表面除了透射被硅吸收之外,还存在反射效应。因此,为了有效降低光的反射损失,人们会在硅电池表面上制绒,并在电池表面镀上减反层,这也是硅片和硅太阳能电池颜色不同的原因之一。2)电荷复合损失。抑制界面上的电荷复合是进一步提高电池转化效率更重要的途径,目前晶硅电池的技术迭代(BSF→PE­RC→TO­P­C­on→HJT)也是基于这种目的。

硅太阳能电池工作原理

反射损失和电荷复合损失是主要的效率损失来源

3. 钙钛矿和硅材料的显著区别从本质上决定了电池器件的表现钙钛矿材料和硅材料的本质区别在于材料种类和形成的化学键不同。硅材料的种类和结构非常单一,只由硅原子构成。这种单一的原子和结构也决定了这种材料的光电性质是固定的:比如硅太阳能电池的带隙固定为 1.1eV。此外,硅材料中的硅原子通过结合能很大的共价键连接,是一种特别稳定的晶格结构,意味着它们的加工非常困难。最后,由于硅原子间的电子耦合很强,使得硅材料对缺陷的包容性很差。相比之下,钙钛矿材料本质上是由很多不同的元素以特定顺序排列而成的 ABX3 型化合物,不同元素之间更多地通过离子键连接。钙钛矿的离子键特性也是其区别于硅基材料最本质的特征,这一方面赋予了这种材料可溶性加工,同时使钙钛矿对缺陷具有良好包容性。可溶液加工一定程度上降低了器件的制备成本;而对缺陷态的包容性赋予了该类材料高光电特性,更重要的是使其多晶薄膜依然具有非常好的光电效率。此外,在元素组成方面,A、B、X 类组分均可以选取多种元素,意味着钙钛矿材料的带隙等光电性质在很大程度上可调。

光伏技术的 3 个核心指标分别是效率、成本和寿命。在成本方面,虽然硅电池的效率很高,但也伴随着较高的生产成本。业内主要通过能量返回周期(即光伏电池能把制备时消耗的能量弥补过来所需要的时间)来衡量该成本。硅电池的能量返回周期大概是 1-2 年,而钙钛矿电池在几周到几个月之间。其次,在寿命上,由于硅本身的化学键比较稳定,因此其制备出的硅电池寿命也相对较长,目前商业化产品的寿命可以达到25 年。但对于钙钛矿材料来说,由于其本身的晶格结构不稳定,因此寿命问题一直备受人们担忧。实际上虽然在实验室制备的前期阶段,钙钛矿电池的稳定性确实存在很大问题,但随着研究的不断深入,钙钛矿材料的稳定性正逐步向好,并没有像人们想象的那么差。

硅材料中的硅原子通过共价键相连

钙钛矿材料是一种 ABX3 型结构,不同元素之间更多地通过离子键连接

4. 钙钛矿电池结构和晶硅电池存在本质不同

晶硅电池的技术迭代主要是针对界面层的改进,而钙钛矿电池是对电池结构的一次颠覆性改变。PE­RC 技术目前是硅电池的主流技术,但很快将被 TO­P­C­on 技术所取代,而 HJT 技术在后期有望成为主流技术。硅电池技术的迭代主要是针对界面层/钝化层的改进,相比之下,钙钛矿电池是对电池结构的一次颠覆性改变。钙钛矿电池最初是介孔结构,后面随着对钙钛矿材料和制备技术的不断深入,人们发现使钙钛矿层兼具吸光和传输电荷的功能也能实现非常好的电池效率。其中,介孔层的省略对器件的加工是一个很大的进步。目前,钙钛矿电池以平面结构为主,自下而上依次为衬底、透明电极、阴极/阳极界面层、钙钛矿层、阳极/阴极界面层和金属电极。

溶液法和真空蒸镀法是目前制备钙钛矿层的两种技术路线。从产业化的应用来看,溶液法更受重视,主要原因如下:1)对原材料的利用方面,真空蒸镀法对材料的节约程度不如溶液法;2)连续性生产方面,在真空中做钙钛矿层的连续性生产往往费时费力;3)成本方面,由于真空蒸镀法对仪器和工艺的要求更高,因此具有较高的生产成本,而溶液法更能充分发挥出钙钛矿材料易于加工的优势,使其生产成本更低。真空蒸镀法的优势在于,其对钙钛矿成膜的过程更可控,而对钙钛矿成膜的形貌调控是决定大面积电池效率的关键。

钙钛矿电池和硅电池的组件结构差异很大。硅电池小组件可以近似是由多个小电池块并联而形成的大电池模组,里面往往有很多银栅线来降低电荷收集损失,这也是通常大家看到的硅电池小组件的外观,同时该小组件的开路电压往往都很低,大概只有 0.7 V 上下。而钙钛矿电池组件则是由中间的一些连接结构把各个不同的电池条串联而成,中间连接层经过不同层的刻蚀并连接,因此钙钛矿组件具有较高的开路电压,而电流相对较低。可见,钙钛矿电和硅电池组件结构的本质不同在于:钙钛矿电池组件是串联结构,其电流小,但开路电压大,甚至可以达到几十伏;而硅电池组件是并联结构,其电流大,但开路电压小,可能只有 0.7伏。无论是钙钛矿还是硅太阳能电池小模组,努力降低银栅线或者刻蚀区域的面积都是提高其光伏性能的关键因素(该损失成为几何因子损失)

硅电池目前主流的是 PE­RC 技术

钙钛矿电池结构和硅电池存在本质不同

5. 钙钛矿正处于产业尝试阶段,目前急需解决大面积高效组件的制备问题

学术界的研究已为产业化铺平道路,同时也在积极寻求和钙钛矿相当的半导体材料。经过10余年的研究,钙钛矿电池的实验室效率可达到25.7%,部分文献称器件稳定性可以达到 T99,即器件效率衰减 1%超过了 1000小时。这两个数据表明,学术界对钙钛矿产业化的铺垫已基本完成,但学术界的研究并未止步于此,仍在积极解决产业化过程中存在的一些关键科学问题。其次,学术界也在探索钙钛矿材料的共性,寻求和钙钛矿相当的半导体材料。

钙钛矿电池效率随着制备面积的增大显著降低,其产业化进展仍远落后于硅电池。产业化方面,现在钙钛矿也在进行得如火如荼。尤其在 2022年,很多企业都开始了产业化规划,整体路线多集中于组件。目前,器件稳定性和制备高效大面积器件是钙钛矿产业化过程中仍需解决的问题。但近些年来钙钛矿在稳定性方面正取得积极进展,最近有一些企业的钙钛矿电池稳定性测试结果非常喜人。但需要注意的是,钙钛矿电池的稳定性必须是在高效器件上达成的,否则可靠性将大打折扣。目前,如何制备高效的大面积器件是在钙钛矿电池产业化中急需解决的问题,主要原因是随着制备面积的增大,钙钛矿电池的效率会显著下降。例如目前钙钛矿电池最高的 25.7%效率是在小于 0.1cm2 的面积上实现的,远远达不到产业化水平。而当面积增大到 800cm2 时,电池效率就下降到17.9%(器件认证结果)。相比之下,硅电池目前的最高效率为 26.8%,器件面积大约为 4cm2,而硅电池在面积为 274cm2 器件上的效率仍可达到 26%。因此,目前硅电池的产业化优势目前仍远超过钙钛矿。

目前钙钛矿正处于产业化尝试阶段,未来有望变成交钥匙工程。钙钛矿的发展会经过以下四个阶段:实验室阶段、产业化尝试阶段、产业化技术成熟阶段和产业整合阶段。在每个阶段,钙钛矿都有着不同的盈利模式:实验室阶段主要通过售卖原材料和实验室设备赚钱;产业化尝试阶段主要通过原材料产业化、设备产业化和工艺产业化赚钱,其中还包含一些隐形的知识财富;产业化技术成熟阶段和硅电池类似,主要通过售卖组件赚钱;而最终的产业整合阶段则是通过整合材料、设备、组件等一系列上下游产业,统一打包成产线来售卖。目前钙钛矿已走出实验室阶段,正在尝试产业化。未来,钙钛矿不一定以组件为核心,其未来经营模式很可能变成交钥匙工程,这主要是因为钙钛矿的材料、设备投资等成本均远低于硅电池,且经过前期铺垫,技术门槛有望进一步降低

目前钙钛矿正处于产业化尝试阶段

风险提示

钙钛矿大面积组件效率进展不及预期。钙钛矿电池大面积组件效率仍有赖于材料、工艺及设备端的共同进步。当前大多数高效组件仅为实验室报道数据。目前国内量产最大钙钛矿组件面积为 1m*2m,但效率仍仅 16%左右,有较大提升空间。如大面积钙钛矿组件的效率提升缓慢将对钙钛矿产业化进展造成较大影响。

钙钛矿大面积组件应用稳定性不及预期。钙钛矿电池稳定性是决定其经济性及应用可能的重要决定因素。钙钛矿材料作为一类离子型晶体,稳定性本征低于晶硅电池,稳定性成为实现大规模应用的先决条件,对材料工艺封装等提出更高要求。如大面积钙钛矿组件的稳定性不及预期将对钙钛矿产业化进展造成较大影响

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    为国接盘的吃面达人
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    01-26 21:11
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    于2023-01-27 09:51:51更新
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  • 只看TA
    01-26 17:23
    关于钙钛矿电池的一些知识(来自韭研公社APP)
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    01-31 12:32
    谢谢了
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  • 智齿要拔光
    不讲武德的老司机
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    01-31 10:36
    这次节后的红包很给
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    01-30 20:18
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    学习
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  • 只看TA
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    钙钛矿科普
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  • 十年壹剑
    超短追板的老韭菜
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  • 只看TA
    01-29 21:25
    谢谢分享
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  • 只看TA
    01-29 18:27
    谢谢分享
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