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第三代光伏機(jī)遇來襲,引領(lǐng)投資新風(fēng)口

   2021-01-08 PV-Tech每日光伏新聞42400
核心提示:2021一開年,如果說有哪些市場機(jī)遇值得關(guān)注,光伏板塊無疑位列其中。去年10月13日,國際能源署(International Energy Agency,I
2021一開年,如果說有哪些市場機(jī)遇值得關(guān)注,光伏板塊無疑位列其中。

去年10月13日,國際能源署(International Energy Agency,IEA)發(fā)布了長達(dá)464頁的《2020年世界能源展望》(World Energy Outlook 2020)(以下簡稱《展望》),概述了新冠疫情對全球能源的影響。


最終,《展望》得出的結(jié)論是——目前世界領(lǐng)先的太陽能發(fā)電技術(shù)正提供著“史上最便宜的電力”,其價格比大多數(shù)主要國家的煤炭和天然氣更低。

IEA表示,在條件最好的地區(qū),在獲得最有利的政策支持和資金的情況下,太陽能的發(fā)電成本可以做到“20美元/MWH或更低”,即每度電低于1毛3分錢。

而且,IEA預(yù)測,到2040年,太陽能發(fā)電量將比2018年的預(yù)期多出43%,太陽能發(fā)電的成本比預(yù)期低20-50%。

值得注意的是,IEA所做的這個預(yù)測有一個基礎(chǔ)前提——太陽能板的光電轉(zhuǎn)換效率只需維持在當(dāng)前15%-25%的“低效率”。

但現(xiàn)在,真正的Game Changer來了!以鈣鈦礦為代表的第三代光伏技術(shù)即將帶領(lǐng)太陽能邁過“30%”的效率門檻。在未來兩年內(nèi),商業(yè)化的鈣鈦礦(Perovskite)太陽能板也將量產(chǎn)上市,屆時,光伏能源所蘊(yùn)藏的力量將逐漸顯露。

新紀(jì)錄!

在剛剛過去的2020年12月,美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)認(rèn)證了英國初創(chuàng)公司牛津光伏(Oxford PV)的一項新紀(jì)錄。

NREL證實(shí),涂有鈣鈦礦的單片太陽能板可以將29.52%的入射太陽能轉(zhuǎn)化為電能。而根據(jù)NREL自己的基準(zhǔn),傳統(tǒng)的硅基太陽能板的最大光電轉(zhuǎn)換效率也就是27.6%。

牛津光伏表示,他們有希望很快跨入“30%”時代。按照目前的速度,該公司預(yù)計在四年內(nèi)制造出效率為33%的太陽能板。

去年9月,該公司與牛津大學(xué)啟動了一項500萬英鎊的五年期聯(lián)合研究計劃,旨在達(dá)到37%的光電轉(zhuǎn)換效率。如果該計劃成功,其結(jié)果將是太陽能板的能力幾乎是當(dāng)今商業(yè)太陽能板的兩倍。

無獨(dú)有偶,牛津光伏的一個競爭對手——德國研究機(jī)構(gòu)柏林赫爾姆霍茲中心(Helmholtz-Zentrum Berlin)的鈣鈦礦太陽能板已經(jīng)達(dá)到了29.15%的效率,并期望能夠繼續(xù)提升到32.4%。

牛津光伏的首席技術(shù)官克里斯 凱斯(Chris Case)在談到他們公司的鈣鈦礦太陽能板時表示:“我們希望這項技術(shù)能夠改變光伏的面貌,并加速太陽能的應(yīng)用。”

Chris Case表示,他們采用的是一種串聯(lián)方法——在普通硅片上鍍上一層薄膜狀的鈣鈦礦材料,由于鈣鈦礦層可以吸收較短的波長,而硅層可以吸收較長的波長,所以改造后的太陽能板可以捕獲更多的太陽輻射。

為了提高效率,牛津光伏預(yù)計將完善太陽能板的涂層和防反射層,并去除缺陷和雜質(zhì)。

牛津光伏首席執(zhí)行官Frank Averdung表示,牛津光伏預(yù)計將在2022年初開始向公眾銷售其鈣鈦礦太陽能板。這將使其成為第一家將這種產(chǎn)品推向全球太陽能市場的公司。

一直以來,世界各地的公司和大學(xué)都試圖將鈣鈦礦作為未來硅的潛在替代品,以使可再生能源更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、更加方便。

不過,早期的鈣鈦礦太陽能板原型不穩(wěn)定,而且很快就會退化。但在過去十年中,研究人員穩(wěn)步提高了室內(nèi)和室外應(yīng)用的鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性和耐久性。

以牛津光伏為例,他們從英國牛津大學(xué)剝離出來已有10年歷史。目前,他們正在將其位于德國的試驗(yàn)工廠擴(kuò)大為一個100兆瓦產(chǎn)能的太陽能板工廠。此前,該公司已經(jīng)對該技術(shù)進(jìn)行了一年多的實(shí)地測試。

“到目前為止,數(shù)據(jù)顯示這些太陽能板的性能與現(xiàn)有的商業(yè)產(chǎn)品相當(dāng),我們沒有看到任何退化,”Case說,“預(yù)計它們的壽命肯定會和目前最好的太陽能板一樣長,甚至更長。”

Averdung說,牛津光伏生產(chǎn)線上的第一批產(chǎn)品的效率將比任何其他商用太陽能板高26%。該公司預(yù)計,使用其技術(shù)的住宅屋頂太陽能項目,在使用相同數(shù)量的太陽能板的情況下,其發(fā)電量將比現(xiàn)有裝置多20%。

何謂“鈣鈦礦”?


雖然鈣鈦礦太陽能板的發(fā)展十分引人注目,但也就在七年前,鈣鈦礦太陽能產(chǎn)業(yè)還不存在,十足的朝陽產(chǎn)業(yè)。

現(xiàn)今,全球有幾十家公司正在爭相將這項技術(shù)推向市場,數(shù)百名研究人員正在研究新的鈣鈦礦材料和加工方法,并完善他們對設(shè)備工作原理的理解。單單是2018年,關(guān)于鈣鈦礦的學(xué)術(shù)論文數(shù)量就突破了5,000篇。

在短短10年時間里,鈣鈦礦已經(jīng)從繁瑣的、低效率的實(shí)驗(yàn)設(shè)備發(fā)展成為達(dá)到或超過傳統(tǒng)太陽能板的商業(yè)級產(chǎn)品,其光電轉(zhuǎn)化效率從3.8%迅速發(fā)展到目前25.5%的認(rèn)證效率。

鈣鈦礦最初是指一種含有鈣、鈦和氧的礦物,于1839年首次被發(fā)現(xiàn)。自此,這個詞就包含了一大類與礦物具有相同晶體結(jié)構(gòu)的化合物。它們的化學(xué)成分被簡寫為AMX3,其中A通常是有機(jī)分子,M是金屬(如鉛或錫),X是鹵素(如碘或氯)。

無論化學(xué)成分如何,任何鈣鈦礦太陽能板都必須滿足商業(yè)化的三個基本標(biāo)準(zhǔn):穩(wěn)定性、效率和可擴(kuò)展性。

Case表示,他的公司已經(jīng)解決了這三個問題,將硅薄膜和鈣鈦礦結(jié)合成一個“串聯(lián)”太陽能板,可以使用今天太陽能板的制造方法生產(chǎn)。

“要制造一個轉(zhuǎn)化效率為26%甚至30%的串聯(lián)太陽能板,你只需要一個效率在15%到17%的鈣鈦礦層,再加上一個效率為20%的普通硅層。”Case解釋道。

“我們正處于歷史上的一個轉(zhuǎn)折點(diǎn),”Case說,“鈣鈦礦將確保太陽能的勝利,即便是世界上最大的石油公司也無法阻止它。”

鈣鈦礦之所以如此吸引人,是因?yàn)檫@種材料在將光轉(zhuǎn)化為電能方面比硅好得多。

國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)領(lǐng)導(dǎo)鈣鈦礦太陽能團(tuán)隊的約瑟夫 貝里(Joseph Berry)曾說,“如果你正在尋找理想的太陽能材料,你永遠(yuǎn)不會選擇硅。硅之所以成為占主導(dǎo)地位的材料,與集成電路以及太陽能的研發(fā)投入總額有關(guān)。”

“硅必須是純凈和完美的,才能擁有我們所渴望的特性,”Berry說,“但鈣鈦礦是可以容忍缺陷的。我們可以處理該材料的不良情況,并且仍然可以獲得具有競爭力的設(shè)備效率。”

另外,鈣鈦礦還適合于各種低成本的生產(chǎn)方法,包括旋轉(zhuǎn)涂層和輥對輥印刷。NREL的研究人員甚至已經(jīng)開發(fā)出了一種可以涂抹的鈣鈦礦墨水。

Berry預(yù)測,建造一座千兆瓦規(guī)模的鈣鈦礦太陽能板工廠的成本最終將是現(xiàn)在建造一座類似的硅太陽能板工廠成本的十分之一。

聚焦中國市場

可以確信,任何新興行業(yè)都離不開中國玩家的身影,牛津光伏也不是唯一一家開拓串聯(lián)鈣鈦礦太陽能的公司。其他參與者包括日本的東芝和松下,以及斯坦福大學(xué)的附屬公司Tandem PV。

與此同時,一些公司繼續(xù)押注于純鈣鈦礦太陽能板。中國的萬度光能(Wonder Solar)和纖納光電(Microquanta Semiconductor)、波蘭的Saule Technologies,以及美國初創(chuàng)公司Energy Materials Corp都位列其中。

湖北萬度光能有限責(zé)任公司成立于2016年8月,杭州纖納光電科技有限公司于2015年在杭州未來科技城創(chuàng)立,兩者的起步時間略早于牛津光伏的小批量試生產(chǎn)階段。

通過掛牌轉(zhuǎn)讓,萬度光能獲得華中科技大學(xué)韓宏偉教授團(tuán)隊印刷介觀鈣鈦礦太陽能電池核心專利及關(guān)鍵技術(shù),其特點(diǎn)是:在單一導(dǎo)電襯底上通過逐層印刷方式涂覆三層介孔膜,制備可印刷介觀鈣鈦礦太陽能電池。

該太陽能光伏技術(shù)原材料來源豐富,制作工藝簡單,重復(fù)性好,器件效率穩(wěn)定性優(yōu)異,易于規(guī)?;苽洌灰暈樾乱淮柲茈姵丶夹g(shù)中的杰出代表。

從目前的發(fā)展階段來看,2020年10月17日,韓宏偉教授團(tuán)隊提出了一種可靠的方法使可打印鈣鈦礦太陽能電池在55°C±5°C的最大功率點(diǎn)下工作了9,000小時以上,而沒有明顯的衰減。

另一方面,纖納光電的商業(yè)化速度似乎更快了一些。公司在浙江衢州建有全球首個鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)基地,項目一期廠房11,000平方米,已于今年7月31日落成投產(chǎn),第一片鈣鈦礦光伏組件已成功下線。

纖納光電鈣鈦礦電池技術(shù)的材料成本僅為傳統(tǒng)光伏材料的1/20,大規(guī)模應(yīng)用后,發(fā)電成本可降低至目前傳統(tǒng)電池的一半左右,最終發(fā)電價格約為0.2-0.3元/度,可與當(dāng)前煤電價格相當(dāng)。

截至目前,纖納光電累計完成三輪融資,B輪由中國長江三峽集團(tuán)領(lǐng)投。公司正處于科研成果轉(zhuǎn)化階段,杭開創(chuàng)新工廠、衢江沿江景觀帶等新型低碳能源建筑解決方案示范項目均已完成。

結(jié)語


縱觀全球,鈣鈦礦太陽能頭部企業(yè)均已經(jīng)進(jìn)入設(shè)廠及小規(guī)模量產(chǎn)階段,中國公司在這方面并沒有明顯的落后。

但在攸關(guān)性能表現(xiàn)的光電轉(zhuǎn)換效率層面,無論是萬度光能還是纖納光電都稱不上杰出。2020年9月21日,2020中國可再生能源學(xué)術(shù)大會暨第二屆云南綠色能源國際論壇上,纖納光電18.04%的鈣鈦礦小組件(19.276cm )光電轉(zhuǎn)換效率成績被收錄其中,該成績刷新了2019年由公司自己保持的中國最高效率紀(jì)錄。

2020年10月,上??萍即髮W(xué)寧志軍課題組在Cell Press(細(xì)胞出版社)旗下期刊Cell Reports Physical Science上發(fā)表文章,最新進(jìn)展是實(shí)現(xiàn)了20.7%的效率和1000h的連續(xù)工作壽命。

顯而易見,這一效率目前尚且不能和傳統(tǒng)多晶硅太陽能板匹敵,遑論叫板牛津光伏這樣國際領(lǐng)先的鈣鈦礦太陽能龍頭企業(yè)。未來幾年,在發(fā)揮鈣鈦礦自身優(yōu)勢以搶奪一二代太陽能板市場的同時,提升光電轉(zhuǎn)換效率仍是國內(nèi)相關(guān)企業(yè)的重中之重 
 
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