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第三代光伏机遇来袭,引领投资新风口

来源:PV-Tech每日光伏新闻 82 2021-01-08

2021一开年,如果说有哪些市场机遇值得关注,光伏板块无疑位列其中。

去年10月13日,国际能源署(International Energy Agency,IEA)发布了长达464页的《2020年世界能源展望》(World Energy Outlook 2020)(以下简称《展望》),概述了新冠疫情对全球能源的影响。

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最终,《展望》得出的结论是——目前世界领先的太阳能发电技术正提供着“史上最便宜的电力”,其价格比大多数主要国家的煤炭和天然气更低。

IEA表示,在条件最好的地区,在获得最有利的政策支持和资金的情况下,太阳能的发电成本可以做到“20美元/MWH或更低”,即每度电低于1毛3分钱。

而且,IEA预测,到2040年,太阳能发电量将比2018年的预期多出43%,太阳能发电的成本比预期低20-50%。

值得注意的是,IEA所做的这个预测有一个基础前提——太阳能板的光电转换效率只需维持在当前15%-25%的“低效率”。

但现在,真正的Game Changer来了!以钙钛矿为代表的第三代光伏技术即将带领太阳能迈过“30%”的效率门槛。在未来两年内,商业化的钙钛矿(Perovskite)太阳能板也将量产上市,届时,光伏能源所蕴藏的力量将逐渐显露。

新纪录!

在刚刚过去的2020年12月,美国国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)认证了英国初创公司牛津光伏(Oxford PV)的一项新纪录。

NREL证实,涂有钙钛矿的单片太阳能板可以将29.52%的入射太阳能转化为电能。而根据NREL自己的基准,传统的硅基太阳能板的最大光电转换效率也就是27.6%。

牛津光伏表示,他们有希望很快跨入“30%”时代。按照目前的速度,该公司预计在四年内制造出效率为33%的太阳能板。

去年9月,该公司与牛津大学启动了一项500万英镑的五年期联合研究计划,旨在达到37%的光电转换效率。如果该计划成功,其结果将是太阳能板的能力几乎是当今商业太阳能板的两倍。

无独有偶,牛津光伏的一个竞争对手——德国研究机构柏林赫尔姆霍兹中心(Helmholtz-Zentrum Berlin)的钙钛矿太阳能板已经达到了29.15%的效率,并期望能够继续提升到32.4%。

牛津光伏的首席技术官克里斯 凯斯(Chris Case)在谈到他们公司的钙钛矿太阳能板时表示:“我们希望这项技术能够改变光伏的面貌,并加速太阳能的应用。”

Chris Case表示,他们采用的是一种串联方法——在普通硅片上镀上一层薄膜状的钙钛矿材料,由于钙钛矿层可以吸收较短的波长,而硅层可以吸收较长的波长,所以改造后的太阳能板可以捕获更多的太阳辐射。

为了提高效率,牛津光伏预计将完善太阳能板的涂层和防反射层,并去除缺陷和杂质。

牛津光伏首席执行官Frank Averdung表示,牛津光伏预计将在2022年初开始向公众销售其钙钛矿太阳能板。这将使其成为第一家将这种产品推向全球太阳能市场的公司。

一直以来,世界各地的公司和大学都试图将钙钛矿作为未来硅的潜在替代品,以使可再生能源更加经济实惠、更加方便。

不过,早期的钙钛矿太阳能板原型不稳定,而且很快就会退化。但在过去十年中,研究人员稳步提高了室内和室外应用的钙钛矿材料的稳定性和耐久性。

以牛津光伏为例,他们从英国牛津大学剥离出来已有10年历史。目前,他们正在将其位于德国的试验工厂扩大为一个100兆瓦产能的太阳能板工厂。此前,该公司已经对该技术进行了一年多的实地测试。

“到目前为止,数据显示这些太阳能板的性能与现有的商业产品相当,我们没有看到任何退化,”Case说,“预计它们的寿命肯定会和目前最好的太阳能板一样长,甚至更长。”

Averdung说,牛津光伏生产线上的第一批产品的效率将比任何其他商用太阳能板高26%。该公司预计,使用其技术的住宅屋顶太阳能项目,在使用相同数量的太阳能板的情况下,其发电量将比现有装置多20%。

何谓“钙钛矿”?

虽然钙钛矿太阳能板的发展十分引人注目,但也就在七年前,钙钛矿太阳能产业还不存在,十足的朝阳产业。

现今,全球有几十家公司正在争相将这项技术推向市场,数百名研究人员正在研究新的钙钛矿材料和加工方法,并完善他们对设备工作原理的理解。单单是2018年,关于钙钛矿的学术论文数量就突破了5,000篇。

在短短10年时间里,钙钛矿已经从繁琐的、低效率的实验设备发展成为达到或超过传统太阳能板的商业级产品,其光电转化效率从3.8%迅速发展到目前25.5%的认证效率。

钙钛矿最初是指一种含有钙、钛和氧的矿物,于1839年首次被发现。自此,这个词就包含了一大类与矿物具有相同晶体结构的化合物。它们的化学成分被简写为AMX3,其中A通常是有机分子,M是金属(如铅或锡),X是卤素(如碘或氯)。

无论化学成分如何,任何钙钛矿太阳能板都必须满足商业化的三个基本标准:稳定性、效率和可扩展性。

Case表示,他的公司已经解决了这三个问题,将硅薄膜和钙钛矿结合成一个“串联”太阳能板,可以使用今天太阳能板的制造方法生产。

“要制造一个转化效率为26%甚至30%的串联太阳能板,你只需要一个效率在15%到17%的钙钛矿层,再加上一个效率为20%的普通硅层。”Case解释道。

“我们正处于历史上的一个转折点,”Case说,“钙钛矿将确保太阳能的胜利,即便是世界上最大的石油公司也无法阻止它。”

钙钛矿之所以如此吸引人,是因为这种材料在将光转化为电能方面比硅好得多。

国家可再生能源实验室(NREL)领导钙钛矿太阳能团队的约瑟夫 贝里(Joseph Berry)曾说,“如果你正在寻找理想的太阳能材料,你永远不会选择硅。硅之所以成为占主导地位的材料,与集成电路以及太阳能的研发投入总额有关。”

“硅必须是纯净和完美的,才能拥有我们所渴望的特性,”Berry说,“但钙钛矿是可以容忍缺陷的。我们可以处理该材料的不良情况,并且仍然可以获得具有竞争力的设备效率。”

另外,钙钛矿还适合于各种低成本的生产方法,包括旋转涂层和辊对辊印刷。NREL的研究人员甚至已经开发出了一种可以涂抹的钙钛矿墨水。

Berry预测,建造一座千兆瓦规模的钙钛矿太阳能板工厂的成本最终将是现在建造一座类似的硅太阳能板工厂成本的十分之一。

聚焦中国市场

可以确信,任何新兴行业都离不开中国玩家的身影,牛津光伏也不是唯一一家开拓串联钙钛矿太阳能的公司。其他参与者包括日本的东芝和松下,以及斯坦福大学的附属公司Tandem PV。

与此同时,一些公司继续押注于纯钙钛矿太阳能板。中国的万度光能(Wonder Solar)和纤纳光电(Microquanta Semiconductor)、波兰的Saule Technologies,以及美国初创公司Energy Materials Corp都位列其中。

湖北万度光能有限责任公司成立于2016年8月,杭州纤纳光电科技有限公司于2015年在杭州未来科技城创立,两者的起步时间略早于牛津光伏的小批量试生产阶段。

通过挂牌转让,万度光能获得华中科技大学韩宏伟教授团队印刷介观钙钛矿太阳能电池核心专利及关键技术,其特点是:在单一导电衬底上通过逐层印刷方式涂覆三层介孔膜,制备可印刷介观钙钛矿太阳能电池。

该太阳能光伏技术原材料来源丰富,制作工艺简单,重复性好,器件效率稳定性优异,易于规模化制备,被视为新一代太阳能电池技术中的杰出代表。

从目前的发展阶段来看,2020年10月17日,韩宏伟教授团队提出了一种可靠的方法使可打印钙钛矿太阳能电池在55°C±5°C的最大功率点下工作了9,000小时以上,而没有明显的衰减。

另一方面,纤纳光电的商业化速度似乎更快了一些。公司在浙江衢州建有全球首个钙钛矿产业基地,项目一期厂房11,000平方米,已于今年7月31日落成投产,第一片钙钛矿光伏组件已成功下线。

纤纳光电钙钛矿电池技术的材料成本仅为传统光伏材料的1/20,大规模应用后,发电成本可降低至目前传统电池的一半左右,最终发电价格约为0.2-0.3元/度,可与当前煤电价格相当。

截至目前,纤纳光电累计完成三轮融资,B轮由中国长江三峡集团领投。公司正处于科研成果转化阶段,杭开创新工厂、衢江沿江景观带等新型低碳能源建筑解决方案示范项目均已完成。

结语

纵观全球,钙钛矿太阳能头部企业均已经进入设厂及小规模量产阶段,中国公司在这方面并没有明显的落后。

但在攸关性能表现的光电转换效率层面,无论是万度光能还是纤纳光电都称不上杰出。2020年9月21日,2020中国可再生能源学术大会暨第二届云南绿色能源国际论坛上,纤纳光电18.04%的钙钛矿小组件(19.276cm )光电转换效率成绩被收录其中,该成绩刷新了2019年由公司自己保持的中国最高效率纪录。

2020年10月,上海科技大学宁志军课题组在Cell Press(细胞出版社)旗下期刊Cell Reports Physical Science上发表文章,最新进展是实现了20.7%的效率和1000h的连续工作寿命。

显而易见,这一效率目前尚且不能和传统多晶硅太阳能板匹敌,遑论叫板牛津光伏这样国际领先的钙钛矿太阳能龙头企业。未来几年,在发挥钙钛矿自身优势以抢夺一二代太阳能板市场的同时,提升光电转换效率仍是国内相关企业的重中之重。

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