近日，我國(guó)光伏企業(yè)隆基綠能自主研發(fā)的晶硅—鈣鈦礦疊層電池效率達(dá)到33.9%，成為目前全球疊層太陽(yáng)能電池效率的最高紀(jì)錄。這是該領(lǐng)域電池效率有記載以來(lái)，中國(guó)企業(yè)首次刷新世界紀(jì)錄。
業(yè)內(nèi)專家表示，該突破意味著我國(guó)疊層電池研究已躋身全球領(lǐng)先行列。晶硅-鈣鈦礦疊層電池技術(shù)的出現(xiàn)為開發(fā)下一代高效太陽(yáng)電池技術(shù)開辟了全新賽道。
突破晶硅單結(jié)電池效率極限
光電轉(zhuǎn)換效率是評(píng)價(jià)光伏技術(shù)潛力的核心指標(biāo)。光電轉(zhuǎn)換效率越高，意味著同樣的面積、吸收同樣光的太陽(yáng)能電池能發(fā)出更多的電。目前，傳統(tǒng)晶硅電池的光電轉(zhuǎn)換效率已接近29.4%的理論極限，未來(lái)效率提升空間較小，而晶硅—鈣鈦礦疊層電池的理論效率極限可達(dá)43%，被視為突破晶硅單結(jié)電池效率極限的主流技術(shù)方案。
“晶硅-鈣鈦礦疊層電池是一種將晶體硅太陽(yáng)能電池與鈣鈦礦太陽(yáng)能電池疊加在一起的結(jié)構(gòu)，通過(guò)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)和協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)換效率的提升。”合肥工業(yè)大學(xué)智能制造技術(shù)研究院常務(wù)副院長(zhǎng)、安徽省光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟副理事長(zhǎng)張曉安向《中國(guó)電子報(bào)》記者介紹說(shuō)。
一方面，晶硅太陽(yáng)能電池能夠吸收可見(jiàn)光的一部分光譜，而鈣鈦礦太陽(yáng)能電池則能夠吸收可見(jiàn)光和近紅外光譜。兩種電池層疊在一起，能夠更充分地利用太陽(yáng)光譜的各個(gè)波段，實(shí)現(xiàn)光譜互補(bǔ)。另一方面，晶硅太陽(yáng)能電池具有較高的電子收集效率，鈣鈦礦電池具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率。兩種電池層疊在一起，可以充分利用光的吸收和電子的傳輸，實(shí)現(xiàn)效應(yīng)互補(bǔ)，從而提高整體性能。
“如果說(shuō)效率已被開發(fā)到接近極限的傳統(tǒng)晶硅單結(jié)電池是一個(gè)饅頭，那么疊層技術(shù)就是給饅頭里夾了肉。理論上，無(wú)論哪種晶硅電池技術(shù)，都可以與鈣鈦礦技術(shù)相疊，包括異質(zhì)結(jié)和TOPCon等N型晶硅技術(shù)，甚至PERC技術(shù)。”隆基綠能首席科學(xué)家徐希翔表示。
據(jù)介紹，此次創(chuàng)造紀(jì)錄的疊層電池，頂電池采用鈣鈦礦技術(shù)，底電池部分則基于晶硅異質(zhì)結(jié)技術(shù)。“之所以選擇異質(zhì)結(jié)與鈣鈦礦做疊層，一方面是因?yàn)楫愘|(zhì)結(jié)技術(shù)屬于低溫工藝，有利于鈣鈦礦薄膜生長(zhǎng)；另一方面也是考慮到在兩端疊層的情況下，異質(zhì)結(jié)疊層轉(zhuǎn)換效率較高。”徐希翔說(shuō)。預(yù)計(jì)到明年下半年，隆基綠能晶硅—鈣鈦礦疊層電池將實(shí)現(xiàn)35%的轉(zhuǎn)換效率。作為一種超高功率的組件形態(tài)，該電池未來(lái)不僅可以用于大型電站，也可用于空間飛行器的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。
“光伏行業(yè)是一個(gè)以成本為導(dǎo)向的行業(yè)，降本增效是發(fā)展核心，而持續(xù)提升光伏電池的轉(zhuǎn)換效率是降低整個(gè)光伏發(fā)電成本的有效舉措。一旦這種高效率的電池技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，將促進(jìn)光伏發(fā)電成本大幅下降，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)乃至全球光伏市場(chǎng)的增長(zhǎng)都是絕對(duì)的利好。而光伏市場(chǎng)的增長(zhǎng)也會(huì)帶動(dòng)整個(gè)能源變革和能源轉(zhuǎn)型。”中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì)副秘書長(zhǎng)江華指出。
產(chǎn)業(yè)化曙光已現(xiàn)
當(dāng)前，光伏電池技術(shù)正處于新舊迭代的關(guān)鍵時(shí)期。在現(xiàn)有光伏電池主流技術(shù)中，無(wú)論N型還是P型都基于晶硅技術(shù)，而鈣鈦礦電池則脫離硅基材料，有望實(shí)現(xiàn)更低成本、更高效率，掀起新一輪技術(shù)變革。
晶硅-鈣鈦礦疊層電池作為鈣鈦礦電池技術(shù)路線之一，吸引眾多光伏企業(yè)加碼布局。晶科能源以N型TOPCon為底電池與鈣鈦礦實(shí)現(xiàn)高效疊層電池，轉(zhuǎn)化效率達(dá)到32.33%；通威于2022年建成鈣鈦礦疊層電池實(shí)驗(yàn)室，鈣鈦礦—硅疊層電池效率達(dá)到31.13%；華晟新能源預(yù)計(jì)其異質(zhì)結(jié)—鈣鈦礦疊層電池中試線于2025年投入使用，中試線電池片平均效率將達(dá)到28%-30%。
盡管潛力巨大，但晶硅—鈣鈦礦疊層電池尚處于研發(fā)與試驗(yàn)階段，與商業(yè)化量產(chǎn)仍有一定距離。
張曉安指出，晶硅-鈣鈦礦疊層電池發(fā)展仍需克服材料兼容性、設(shè)備和工藝技術(shù)以及成本和可擴(kuò)展性等方面的挑戰(zhàn)。在材料兼容性方面，晶硅-鈣鈦礦疊層電池需要尋找合適的材料組合和界面工程來(lái)實(shí)現(xiàn)材料之間的良好匹配和接觸，以減少能帶不匹配和電荷傳輸阻礙等問(wèn)題；在設(shè)備和工藝方面，晶硅-鈣鈦礦疊層電池的制備過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，需要精確控制材料的沉積、擴(kuò)散和形貌等參數(shù)，相關(guān)設(shè)備和工藝技術(shù)的發(fā)展仍然需要進(jìn)一步推進(jìn)，以提高生產(chǎn)效率和制造一致性。與此同時(shí)，還需要尋找經(jīng)濟(jì)有效的大規(guī)模生產(chǎn)方案。
“無(wú)論是單結(jié)還是疊層鈣鈦礦產(chǎn)品，目前最大的挑戰(zhàn)在于最終是否被市場(chǎng)接受。”在通威股份光伏技術(shù)中心先進(jìn)技術(shù)部長(zhǎng)龍巍看來(lái)，相比于單結(jié)鈣鈦礦，疊層電池相對(duì)更容易被市場(chǎng)接受。“這是因?yàn)榀B層電池是在現(xiàn)有的晶硅組件上做加法，成本上漲不明顯。但疊層電池只有在成本、良率、性價(jià)比等方面做到能與晶硅相提并論時(shí)，才會(huì)有初步的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。”龍巍解釋稱。
徐希翔坦言，晶硅-鈣鈦礦疊層電池技術(shù)距離真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，預(yù)計(jì)還要7年的時(shí)間。在他看來(lái)，未來(lái)7年無(wú)論是鈣鈦礦或是其他寬帶隙技術(shù)，仍然要不斷地創(chuàng)新，從而解決長(zhǎng)期可靠性等問(wèn)題。“舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)前晶硅組件首年效率衰減低于1%，未來(lái)生命周期中每年衰減在0.3%左右，但鈣鈦礦組件的衰減要明顯更快。這是需要解決的問(wèn)題。”徐希翔說(shuō)。
業(yè)內(nèi)專家表示，該突破意味著我國(guó)疊層電池研究已躋身全球領(lǐng)先行列。晶硅-鈣鈦礦疊層電池技術(shù)的出現(xiàn)為開發(fā)下一代高效太陽(yáng)電池技術(shù)開辟了全新賽道。
突破晶硅單結(jié)電池效率極限
光電轉(zhuǎn)換效率是評(píng)價(jià)光伏技術(shù)潛力的核心指標(biāo)。光電轉(zhuǎn)換效率越高，意味著同樣的面積、吸收同樣光的太陽(yáng)能電池能發(fā)出更多的電。目前，傳統(tǒng)晶硅電池的光電轉(zhuǎn)換效率已接近29.4%的理論極限，未來(lái)效率提升空間較小，而晶硅—鈣鈦礦疊層電池的理論效率極限可達(dá)43%，被視為突破晶硅單結(jié)電池效率極限的主流技術(shù)方案。
“晶硅-鈣鈦礦疊層電池是一種將晶體硅太陽(yáng)能電池與鈣鈦礦太陽(yáng)能電池疊加在一起的結(jié)構(gòu)，通過(guò)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)和協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)換效率的提升。”合肥工業(yè)大學(xué)智能制造技術(shù)研究院常務(wù)副院長(zhǎng)、安徽省光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟副理事長(zhǎng)張曉安向《中國(guó)電子報(bào)》記者介紹說(shuō)。
一方面，晶硅太陽(yáng)能電池能夠吸收可見(jiàn)光的一部分光譜，而鈣鈦礦太陽(yáng)能電池則能夠吸收可見(jiàn)光和近紅外光譜。兩種電池層疊在一起，能夠更充分地利用太陽(yáng)光譜的各個(gè)波段，實(shí)現(xiàn)光譜互補(bǔ)。另一方面，晶硅太陽(yáng)能電池具有較高的電子收集效率，鈣鈦礦電池具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率。兩種電池層疊在一起，可以充分利用光的吸收和電子的傳輸，實(shí)現(xiàn)效應(yīng)互補(bǔ)，從而提高整體性能。
“如果說(shuō)效率已被開發(fā)到接近極限的傳統(tǒng)晶硅單結(jié)電池是一個(gè)饅頭，那么疊層技術(shù)就是給饅頭里夾了肉。理論上，無(wú)論哪種晶硅電池技術(shù)，都可以與鈣鈦礦技術(shù)相疊，包括異質(zhì)結(jié)和TOPCon等N型晶硅技術(shù)，甚至PERC技術(shù)。”隆基綠能首席科學(xué)家徐希翔表示。
據(jù)介紹，此次創(chuàng)造紀(jì)錄的疊層電池，頂電池采用鈣鈦礦技術(shù)，底電池部分則基于晶硅異質(zhì)結(jié)技術(shù)。“之所以選擇異質(zhì)結(jié)與鈣鈦礦做疊層，一方面是因?yàn)楫愘|(zhì)結(jié)技術(shù)屬于低溫工藝，有利于鈣鈦礦薄膜生長(zhǎng)；另一方面也是考慮到在兩端疊層的情況下，異質(zhì)結(jié)疊層轉(zhuǎn)換效率較高。”徐希翔說(shuō)。預(yù)計(jì)到明年下半年，隆基綠能晶硅—鈣鈦礦疊層電池將實(shí)現(xiàn)35%的轉(zhuǎn)換效率。作為一種超高功率的組件形態(tài)，該電池未來(lái)不僅可以用于大型電站，也可用于空間飛行器的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。
“光伏行業(yè)是一個(gè)以成本為導(dǎo)向的行業(yè)，降本增效是發(fā)展核心，而持續(xù)提升光伏電池的轉(zhuǎn)換效率是降低整個(gè)光伏發(fā)電成本的有效舉措。一旦這種高效率的電池技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，將促進(jìn)光伏發(fā)電成本大幅下降，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)乃至全球光伏市場(chǎng)的增長(zhǎng)都是絕對(duì)的利好。而光伏市場(chǎng)的增長(zhǎng)也會(huì)帶動(dòng)整個(gè)能源變革和能源轉(zhuǎn)型。”中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì)副秘書長(zhǎng)江華指出。
產(chǎn)業(yè)化曙光已現(xiàn)
當(dāng)前，光伏電池技術(shù)正處于新舊迭代的關(guān)鍵時(shí)期。在現(xiàn)有光伏電池主流技術(shù)中，無(wú)論N型還是P型都基于晶硅技術(shù)，而鈣鈦礦電池則脫離硅基材料，有望實(shí)現(xiàn)更低成本、更高效率，掀起新一輪技術(shù)變革。
晶硅-鈣鈦礦疊層電池作為鈣鈦礦電池技術(shù)路線之一，吸引眾多光伏企業(yè)加碼布局。晶科能源以N型TOPCon為底電池與鈣鈦礦實(shí)現(xiàn)高效疊層電池，轉(zhuǎn)化效率達(dá)到32.33%；通威于2022年建成鈣鈦礦疊層電池實(shí)驗(yàn)室，鈣鈦礦—硅疊層電池效率達(dá)到31.13%；華晟新能源預(yù)計(jì)其異質(zhì)結(jié)—鈣鈦礦疊層電池中試線于2025年投入使用，中試線電池片平均效率將達(dá)到28%-30%。
盡管潛力巨大，但晶硅—鈣鈦礦疊層電池尚處于研發(fā)與試驗(yàn)階段，與商業(yè)化量產(chǎn)仍有一定距離。
張曉安指出，晶硅-鈣鈦礦疊層電池發(fā)展仍需克服材料兼容性、設(shè)備和工藝技術(shù)以及成本和可擴(kuò)展性等方面的挑戰(zhàn)。在材料兼容性方面，晶硅-鈣鈦礦疊層電池需要尋找合適的材料組合和界面工程來(lái)實(shí)現(xiàn)材料之間的良好匹配和接觸，以減少能帶不匹配和電荷傳輸阻礙等問(wèn)題；在設(shè)備和工藝方面，晶硅-鈣鈦礦疊層電池的制備過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，需要精確控制材料的沉積、擴(kuò)散和形貌等參數(shù)，相關(guān)設(shè)備和工藝技術(shù)的發(fā)展仍然需要進(jìn)一步推進(jìn)，以提高生產(chǎn)效率和制造一致性。與此同時(shí)，還需要尋找經(jīng)濟(jì)有效的大規(guī)模生產(chǎn)方案。
“無(wú)論是單結(jié)還是疊層鈣鈦礦產(chǎn)品，目前最大的挑戰(zhàn)在于最終是否被市場(chǎng)接受。”在通威股份光伏技術(shù)中心先進(jìn)技術(shù)部長(zhǎng)龍巍看來(lái)，相比于單結(jié)鈣鈦礦，疊層電池相對(duì)更容易被市場(chǎng)接受。“這是因?yàn)榀B層電池是在現(xiàn)有的晶硅組件上做加法，成本上漲不明顯。但疊層電池只有在成本、良率、性價(jià)比等方面做到能與晶硅相提并論時(shí)，才會(huì)有初步的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。”龍巍解釋稱。
徐希翔坦言，晶硅-鈣鈦礦疊層電池技術(shù)距離真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，預(yù)計(jì)還要7年的時(shí)間。在他看來(lái)，未來(lái)7年無(wú)論是鈣鈦礦或是其他寬帶隙技術(shù)，仍然要不斷地創(chuàng)新，從而解決長(zhǎng)期可靠性等問(wèn)題。“舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)前晶硅組件首年效率衰減低于1%，未來(lái)生命周期中每年衰減在0.3%左右，但鈣鈦礦組件的衰減要明顯更快。這是需要解決的問(wèn)題。”徐希翔說(shuō)。
