近日，我國光伏企業(yè)隆基綠能自主研發(fā)的晶硅—鈣鈦礦疊層電池效率達到33.9%，成為目前全球疊層太陽能電池效率的最高紀錄。這是該領域電池效率有記載以來，中國企業(yè)首次刷新世界紀錄。
業(yè)內(nèi)專家表示，該突破意味著我國疊層電池研究已躋身全球領先行列。晶硅-鈣鈦礦疊層電池技術的出現(xiàn)為開發(fā)下一代高效太陽電池技術開辟了全新賽道。
突破晶硅單結電池效率極限
光電轉(zhuǎn)換效率是評價光伏技術潛力的核心指標。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43%，被視為突破晶硅單結電池效率極限的主流技術方案。
“晶硅-鈣鈦礦疊層電池是一種將晶體硅太陽能電池與鈣鈦礦太陽能電池疊加在一起的結構，通過優(yōu)勢互補和協(xié)同作用，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)換效率的提升。”合肥工業(yè)大學智能制造技術研究院常務副院長、安徽省光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟副理事長張曉安向《中國電子報》記者介紹說。
一方面，晶硅太陽能電池能夠吸收可見光的一部分光譜，而鈣鈦礦太陽能電池則能夠吸收可見光和近紅外光譜。兩種電池層疊在一起，能夠更充分地利用太陽光譜的各個波段，實現(xiàn)光譜互補。另一方面，晶硅太陽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，實現(xiàn)效應互補，從而提高整體性能。
“如果說效率已被開發(fā)到接近極限的傳統(tǒng)晶硅單結電池是一個饅頭，那么疊層技術就是給饅頭里夾了肉。理論上，無論哪種晶硅電池技術，都可以與鈣鈦礦技術相疊，包括異質(zhì)結和TOPCon等N型晶硅技術，甚至PERC技術。”隆基綠能首席科學家徐希翔表示。
據(jù)介紹，此次創(chuàng)造紀錄的疊層電池，頂電池采用鈣鈦礦技術，底電池部分則基于晶硅異質(zhì)結技術。“之所以選擇異質(zhì)結與鈣鈦礦做疊層，一方面是因為異質(zhì)結技術屬于低溫工藝，有利于鈣鈦礦薄膜生長；另一方面也是考慮到在兩端疊層的情況下，異質(zhì)結疊層轉(zhuǎn)換效率較高。”徐希翔說。預計到明年下半年，隆基綠能晶硅—鈣鈦礦疊層電池將實現(xiàn)35%的轉(zhuǎn)換效率。作為一種超高功率的組件形態(tài)，該電池未來不僅可以用于大型電站，也可用于空間飛行器的太陽能發(fā)電系統(tǒng)。
“光伏行業(yè)是一個以成本為導向的行業(yè)，降本增效是發(fā)展核心，而持續(xù)提升光伏電池的轉(zhuǎn)換效率是降低整個光伏發(fā)電成本的有效舉措。一旦這種高效率的電池技術真正實現(xiàn)量產(chǎn)，將促進光伏發(fā)電成本大幅下降，對于推動我國乃至全球光伏市場的增長都是絕對的利好。而光伏市場的增長也會帶動整個能源變革和能源轉(zhuǎn)型。”中國光伏行業(yè)協(xié)會副秘書長江華指出。
產(chǎn)業(yè)化曙光已現(xiàn)
當前，光伏電池技術正處于新舊迭代的關鍵時期。在現(xiàn)有光伏電池主流技術中，無論N型還是P型都基于晶硅技術，而鈣鈦礦電池則脫離硅基材料，有望實現(xiàn)更低成本、更高效率，掀起新一輪技術變革。
晶硅-鈣鈦礦疊層電池作為鈣鈦礦電池技術路線之一，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現(xiàn)高效疊層電池，轉(zhuǎn)化效率達到32.33%；通威于2022年建成鈣鈦礦疊層電池實驗室，鈣鈦礦—硅疊層電池效率達到31.13%；華晟新能源預計其異質(zhì)結—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、設備和工藝技術以及成本和可擴展性等方面的挑戰(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實現(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題；在設備和工藝方面，晶硅-鈣鈦礦疊層電池的制備過程相對復雜，需要精確控制材料的沉積、擴散和形貌等參數(shù)，相關設備和工藝技術的發(fā)展仍然需要進一步推進，以提高生產(chǎn)效率和制造一致性。與此同時，還需要尋找經(jīng)濟有效的大規(guī)模生產(chǎn)方案。
“無論是單結還是疊層鈣鈦礦產(chǎn)品，目前最大的挑戰(zhàn)在于最終是否被市場接受。”在通威股份光伏技術中心先進技術部長龍巍看來，相比于單結鈣鈦礦，疊層電池相對更容易被市場接受。“這是因為疊層電池是在現(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、性價比等方面做到能與晶硅相提并論時，才會有初步的市場競爭力。”龍巍解釋稱。
徐希翔坦言，晶硅-鈣鈦礦疊層電池技術距離真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，預計還要7年的時間。在他看來，未來7年無論是鈣鈦礦或是其他寬帶隙技術，仍然要不斷地創(chuàng)新，從而解決長期可靠性等問題。“舉例來說，當前晶硅組件首年效率衰減低于1%，未來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。這是需要解決的問題。”徐希翔說。
業(yè)內(nèi)專家表示，該突破意味著我國疊層電池研究已躋身全球領先行列。晶硅-鈣鈦礦疊層電池技術的出現(xiàn)為開發(fā)下一代高效太陽電池技術開辟了全新賽道。
突破晶硅單結電池效率極限
光電轉(zhuǎn)換效率是評價光伏技術潛力的核心指標。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43%，被視為突破晶硅單結電池效率極限的主流技術方案。
“晶硅-鈣鈦礦疊層電池是一種將晶體硅太陽能電池與鈣鈦礦太陽能電池疊加在一起的結構，通過優(yōu)勢互補和協(xié)同作用，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)換效率的提升。”合肥工業(yè)大學智能制造技術研究院常務副院長、安徽省光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟副理事長張曉安向《中國電子報》記者介紹說。
一方面，晶硅太陽能電池能夠吸收可見光的一部分光譜，而鈣鈦礦太陽能電池則能夠吸收可見光和近紅外光譜。兩種電池層疊在一起，能夠更充分地利用太陽光譜的各個波段，實現(xiàn)光譜互補。另一方面，晶硅太陽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，實現(xiàn)效應互補，從而提高整體性能。
“如果說效率已被開發(fā)到接近極限的傳統(tǒng)晶硅單結電池是一個饅頭，那么疊層技術就是給饅頭里夾了肉。理論上，無論哪種晶硅電池技術，都可以與鈣鈦礦技術相疊，包括異質(zhì)結和TOPCon等N型晶硅技術，甚至PERC技術。”隆基綠能首席科學家徐希翔表示。
據(jù)介紹，此次創(chuàng)造紀錄的疊層電池，頂電池采用鈣鈦礦技術，底電池部分則基于晶硅異質(zhì)結技術。“之所以選擇異質(zhì)結與鈣鈦礦做疊層，一方面是因為異質(zhì)結技術屬于低溫工藝，有利于鈣鈦礦薄膜生長；另一方面也是考慮到在兩端疊層的情況下，異質(zhì)結疊層轉(zhuǎn)換效率較高。”徐希翔說。預計到明年下半年，隆基綠能晶硅—鈣鈦礦疊層電池將實現(xiàn)35%的轉(zhuǎn)換效率。作為一種超高功率的組件形態(tài)，該電池未來不僅可以用于大型電站，也可用于空間飛行器的太陽能發(fā)電系統(tǒng)。
“光伏行業(yè)是一個以成本為導向的行業(yè)，降本增效是發(fā)展核心，而持續(xù)提升光伏電池的轉(zhuǎn)換效率是降低整個光伏發(fā)電成本的有效舉措。一旦這種高效率的電池技術真正實現(xiàn)量產(chǎn)，將促進光伏發(fā)電成本大幅下降，對于推動我國乃至全球光伏市場的增長都是絕對的利好。而光伏市場的增長也會帶動整個能源變革和能源轉(zhuǎn)型。”中國光伏行業(yè)協(xié)會副秘書長江華指出。
產(chǎn)業(yè)化曙光已現(xiàn)
當前，光伏電池技術正處于新舊迭代的關鍵時期。在現(xiàn)有光伏電池主流技術中，無論N型還是P型都基于晶硅技術，而鈣鈦礦電池則脫離硅基材料，有望實現(xiàn)更低成本、更高效率，掀起新一輪技術變革。
晶硅-鈣鈦礦疊層電池作為鈣鈦礦電池技術路線之一，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現(xiàn)高效疊層電池，轉(zhuǎn)化效率達到32.33%；通威于2022年建成鈣鈦礦疊層電池實驗室，鈣鈦礦—硅疊層電池效率達到31.13%；華晟新能源預計其異質(zhì)結—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、設備和工藝技術以及成本和可擴展性等方面的挑戰(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實現(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題；在設備和工藝方面，晶硅-鈣鈦礦疊層電池的制備過程相對復雜，需要精確控制材料的沉積、擴散和形貌等參數(shù)，相關設備和工藝技術的發(fā)展仍然需要進一步推進，以提高生產(chǎn)效率和制造一致性。與此同時，還需要尋找經(jīng)濟有效的大規(guī)模生產(chǎn)方案。
“無論是單結還是疊層鈣鈦礦產(chǎn)品，目前最大的挑戰(zhàn)在于最終是否被市場接受。”在通威股份光伏技術中心先進技術部長龍巍看來，相比于單結鈣鈦礦，疊層電池相對更容易被市場接受。“這是因為疊層電池是在現(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、性價比等方面做到能與晶硅相提并論時，才會有初步的市場競爭力。”龍巍解釋稱。
徐希翔坦言，晶硅-鈣鈦礦疊層電池技術距離真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，預計還要7年的時間。在他看來，未來7年無論是鈣鈦礦或是其他寬帶隙技術，仍然要不斷地創(chuàng)新，從而解決長期可靠性等問題。“舉例來說，當前晶硅組件首年效率衰減低于1%，未來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。這是需要解決的問題。”徐希翔說。
