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鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢及制約因素

發(fā)布時間：2023-07-07 來源：元祿光電

1、產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢

鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢在于其增效降本遠超晶硅。從光電轉(zhuǎn)化率的角度來看，鈣鈦礦幾乎只用了10年時間走過了晶硅50年的發(fā)展路程。鈣鈦礦與晶硅的技術(shù)之爭本質(zhì)是幾十萬種鈣鈦礦材料，和一種晶硅材料的競爭。

根據(jù)前文產(chǎn)業(yè)鏈分析，鈣鈦礦電池一間工廠僅45分鐘走完全部流程，生產(chǎn)效率顯著提升。

產(chǎn)線建設(shè)成本約為晶硅50%。光伏企業(yè)投資1GW產(chǎn)能GaAs（Tum-key線）需要金額約50億元；投資1GW產(chǎn)能晶硅電池需要合計投資金額7.5-10億元左右；工藝成熟條件下測算，1GW產(chǎn)能鈣鈦礦電池投資金額可降至約5億元，約為晶硅電池投資金額的50%，GaAs（Tum-key線）的10%。

鈣鈦礦電池生產(chǎn)能耗不及晶硅組件1/10。晶硅在拉單晶的過程中需要900℃以上的溫度將硅料融化，而鈣鈦礦各功能層的加工溫度不超過180℃，且大多數(shù)環(huán)節(jié)也無需真空條件。制造1W單晶組件的能耗大約為1.52kWh，而每瓦鈣鈦礦組件的生產(chǎn)能耗僅為0.12kWh，不及晶硅組件能耗的1/10。

2、產(chǎn)業(yè)化制約因素

鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢明顯，但是同時也存在一定制約因素。目前研究人員針對于制約因素已經(jīng)尋找到一些解決方式，未來仍需不斷探索。

（1）材料穩(wěn)定性先天缺陷

鈣鈦礦電池相較晶硅電池有顯著降本增效優(yōu)勢，但鈣鈦礦及電池器件各材料穩(wěn)定性存在先天缺陷，容易導(dǎo)致組件在運行過程中壽命衰減。

離子晶體結(jié)構(gòu)，鈣鈦礦材料具備不穩(wěn)定性。鈣鈦礦自身的不穩(wěn)定性可分為：1）物理不穩(wěn)定性，即材料本身分解能較低，離子容易發(fā)生擴散，溫度或者組分的差異會導(dǎo)致鈣鈦礦材料發(fā)生成分偏析或者相分離，影響鈣鈦礦層的光電性能和長期穩(wěn)定性；2）化學(xué)不穩(wěn)定性，即鈣鈦礦具有離子鍵合特性，并且組成離子均為離子勢較小的“軟”離子，且含有較易分解的有機銨離子，這使得鈣鈦礦體系形成能較小、缺陷密度較高、各組分反應(yīng)活性大，容易與環(huán)境中的水分子、空氣發(fā)生反應(yīng)，光照下發(fā)生相分離，同時大量缺陷的存在也使得離子遷移很容易發(fā)生，是鈣鈦礦太陽能電池存在“遲滯”現(xiàn)象的重要原因，離子遷移的累積會造成鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的崩塌，極大地損害器件的長期穩(wěn)定性。

多層材料疊加，界面接觸復(fù)合反應(yīng)影響電池性能。除鈣鈦礦材料自身的光電穩(wěn)定性對器件影響之外，器件各層材料之間的接觸面對器件性能的影響也起到重要作用。界面的不穩(wěn)定性主要存在于鈣鈦礦層與電子、空穴傳輸層之間。1）鈣鈦礦層材料的在結(jié)晶過程中晶粒間出現(xiàn)空隙，導(dǎo)致當電子、空穴材料接觸時復(fù)合嚴重，電池性能降低，并影響器件的穩(wěn)定性。2）電子傳輸層常用的是金屬氧化物TiO2，由于其光催化特性，TiO2在光照條件下容易與接觸的鈣鈦礦材料和氧反應(yīng)導(dǎo)致材料分解。

多種途徑彌補先天缺陷，助力鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化進程。由于鈣鈦礦材料的可設(shè)計性，研發(fā)人員提出了各種應(yīng)對方案解決穩(wěn)定性問題。針對上述問題采取添加組分及穩(wěn)定劑工程、改進封裝材料、尋找化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定、尺寸因子更合適的鈣鈦礦體系等手段來增強鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性。目前已有多家公司的鈣鈦礦電池產(chǎn)品通過了在85攝氏度和85%相對濕度下連續(xù)工作1000小時的測試，這是業(yè)內(nèi)著名的針對晶硅電池的嚴格測試。

（2）大面積制備有難度

實現(xiàn)高效率鈣鈦礦電池的大面積制備是其產(chǎn)業(yè)化的另一大挑戰(zhàn)。實驗室效率進展迅速，產(chǎn)業(yè)化階段電池效率會隨組件面積放大而衰減。目前鈣鈦礦電池實驗室效率進展迅速，然而大多為1cm以下的小面積薄膜，對大多數(shù)光伏技術(shù)來說，大面積制備往往伴隨著電池效率的降低，這主要是由于電池面積增大伴隨著串聯(lián)電阻的線性增大。對于鈣鈦礦電池而言，這種隨電池面積增加而性能降低的現(xiàn)象更加明顯。除了串聯(lián)電阻的普遍因素外，影響高效率鈣鈦礦電池大面積制備的主要原因是其材料性質(zhì)及制備方法。

溶液旋涂法是實驗室制備鈣鈦礦電池的常用方法，雖然操作簡單、成膜速度快、重復(fù)性好，但無法滿足鈣鈦礦太陽能電池大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)所需要的大面積、低成本等制造要求。目前常用制備大面積鈣鈦礦生產(chǎn)工藝主要有溶液涂布法、溶液噴涂法、軟膜覆蓋法和氣相沉積法，但大面積鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率與旋涂法相比仍存在差距。

（3）環(huán)保問題

鈣鈦礦電池制備過程中前驅(qū)體溶液含鉛。鈣鈦礦薄膜的厚度與前驅(qū)體溶液濃度之間存在直接關(guān)系，制造高效鈣鈦礦太陽電池需要相對高濃度的含鉛前驅(qū)體。由于鈣鈦礦電池含鉛，并且所含碘化鉛具有水溶性，老化鈣鈦礦電池如未采取合適的回收方式，其中包含的碘化鉛浸出進入土壤后，被植物所吸收進入食物鏈，相對于其他人類活動帶入環(huán)境中的鉛其遷移性要高10倍以上。

目前鈣鈦礦含鉛不可避免。在鹵化鈣鈦礦中存在過量的碘化鉛是鈣鈦礦電池效率超過20％的關(guān)鍵。目前無鉛化是鈣鈦礦材料研究的重要方向之一，但到目前為止尚未找到光電效應(yīng)能與鉛基鈣鈦礦電池匹配的其他材料電池，錫基鈣鈦礦可以達到16%左右的效率，但目前技術(shù)仍不太成熟。且含鉛鈣鈦礦更適合低溫制備，目前仍然是鈣鈦礦電池商業(yè)化的優(yōu)先選項。