瞻觀前沿

柔性太陽(yáng)能電池在航空航天和柔性電子領(lǐng)域具有許多潛在應(yīng)用，但較低的能量轉(zhuǎn)換效率限制了其實(shí)際應(yīng)用。一種新的制造方法提高了由鈣鈦礦制成的柔性太陽(yáng)能電池的功率效率，鈣鈦礦是一類具有特定晶體結(jié)構(gòu)的化合物，有助于將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。

目前的柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(FPSC)的功率轉(zhuǎn)換效率比剛性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池低，因?yàn)镕PSC的鈣鈦礦薄膜由聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成的柔性基材具有柔軟且不均勻的特性。FPSC的耐用性也低于使用玻璃作為基板的剛性太陽(yáng)能電池。柔性太陽(yáng)能電池基板中的孔隙允許水和氧氣侵入鈣鈦礦材料，導(dǎo)致它們降解。

為了解決當(dāng)前FPSC技術(shù)的這些問題，清華大學(xué)電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和中國(guó)北京國(guó)家納米科學(xué)中心納米科學(xué)卓越中心的材料科學(xué)家團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新的制造技術(shù)提高了FPSC的效率，為更大規(guī)模地使用該技術(shù)鋪平了道路。該團(tuán)隊(duì)在iEnergy上發(fā)表了他們的研究。清華大學(xué)電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副教授、該論文的資深作者 Chenyi Yi表示：提高 FPSC的電力轉(zhuǎn)換效率至關(guān)重要，原因如下：更高的效率，使FPSC與其他太陽(yáng)能電池技術(shù)更具競(jìng)爭(zhēng)力，降低每瓦發(fā)電成本，以及生產(chǎn)同等電量所需的資源，并增加了FPSC的實(shí)際應(yīng)用范圍，包括空間和重量都很重要的航空航天和柔性電子。

具體來說，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新的化學(xué)浴沉積(CBD)方法，可以在柔性基板上沉積氧化錫(SnO 2)，而不需要強(qiáng)酸，而許多柔性基板都對(duì)強(qiáng)酸敏感。這項(xiàng)新技術(shù)使研究人員能夠更好地控制柔性基板上氧化錫的生長(zhǎng)。氧化錫充當(dāng)FPSC中的電子傳輸層，這對(duì)于功率轉(zhuǎn)換效率至關(guān)重要。

Yi說：這種CBD方法與之前的研究不同，它使用SnSO 4硫酸錫而不是SnCl 2氯化錫作為沉積SnO 2的錫前體，使得新方法與酸敏感的柔性基材兼容。重要的是，新的制造方法還解決了FPSC的一些耐用性問題。 由于鈣鈦礦中的Pb 2+鉛與SnO 2中的SO 4 2-之間的強(qiáng)協(xié)調(diào)作用，基于SnSO 4的CBD后留下的殘留SO 4 2-硫酸鹽另外有利于 PSC的穩(wěn)定性。因此，我們可以制造更高質(zhì)量的SnO 2以實(shí)現(xiàn)更高效、更穩(wěn)定的 FPSC。

該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了FPSC最高功率轉(zhuǎn)換效率25.09%的新基準(zhǔn)，并獲得了24.90%的認(rèn)證。 SnSO 4基柔性太陽(yáng)能電池的耐用性也得到了證明，電池彎曲10000次后仍能保持90%的功率轉(zhuǎn)換效率。與基于SnCl 2的柔性太陽(yáng)能電池相比，基于SnSO 4的柔性太陽(yáng)能電池還表現(xiàn)出改善的高溫穩(wěn)定性。研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的新制造方法產(chǎn)生了可重復(fù)的結(jié)果，并允許制造商重復(fù)使用化學(xué)浴，提高了可擴(kuò)展FPSC生產(chǎn)的實(shí)用性。

圖片來源：攝圖網(wǎng)

技術(shù)價(jià)值觀察

太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)鏈一般包括上游的原材料，如硅片、銀漿、純堿、石英砂等，以及將原材料進(jìn)行加工，制造成硅棒、硅錠和硅片等;中游分為兩大部分，光伏電池板及光伏組件;下游為太陽(yáng)能電池，光伏的應(yīng)用領(lǐng)域，包括電站系統(tǒng)的集成和運(yùn)行。目前中國(guó)太陽(yáng)能行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈較為完整，市場(chǎng)需求量大。

科學(xué)家開發(fā)出新的CBD制造方法，使用SnSO 4硫酸錫制成的柔性基板，實(shí)現(xiàn)了柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(FPSC)最高功率轉(zhuǎn)換效率，也實(shí)現(xiàn)了超強(qiáng)的耐用性。因此，從太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)鏈上看，該電池技術(shù)處于產(chǎn)業(yè)鏈的上游原材料環(huán)節(jié)。

宏觀市場(chǎng)觀察

——鈣鈦礦電池優(yōu)點(diǎn)分析

總結(jié)來看，鈣鈦礦電池的降本增效優(yōu)勢(shì)明顯，產(chǎn)業(yè)化潛力十足。鈣鈦礦電池相對(duì)于晶硅電池效率上限更高，單結(jié)鈣鈦礦電池效率上限超30%，雙結(jié)疊層效率上限更有望接近45%，而晶硅電池效率難以突破30%。此外，鈣鈦礦電池相對(duì)于晶硅電池成本更低，可實(shí)現(xiàn)全口徑平價(jià)上網(wǎng)，而晶硅電池成本較高。同時(shí)，鈣鈦礦電池相對(duì)晶硅電池具備高弱光效應(yīng)，鈣鈦礦材料在陰雨天氣和日出日落等弱光環(huán)境均能工作。

——鈣鈦礦電池痛點(diǎn)分析

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(yùn)行過程中壽命衰減。鈣鈦礦電池組件的不穩(wěn)定性主要來自于鈣鈦礦材料自身的不穩(wěn)定，以及器件各層材料之間的接觸面對(duì)器件性能的影響。

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(kuò)散，溫度或者組分的差異會(huì)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(zhǎng)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(shì)較小的軟離子，且含有較易分解的有機(jī)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(shí)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(yáng)能電池存在退?，F(xiàn)象的重要原因，離子遷移的累積會(huì)造成鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的崩塌，極大地?fù)p害器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

——鈣鈦礦疊層電池實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)33.9%

根據(jù)NERL公布的最新數(shù)據(jù)，截至2023年11月，鈣鈦礦單結(jié)電池最高實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率達(dá)26.1%，鈣鈦礦/晶硅疊層電池最高實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率更是高達(dá)33.9%，由隆基綠能的研發(fā)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造。整體來看，鈣鈦礦/鈣鈦礦、鈣鈦礦/晶硅、鈣鈦礦/薄膜等疊層電池為當(dāng)前研發(fā)的熱點(diǎn)之一，構(gòu)建疊層電池能大幅提升光電轉(zhuǎn)換效率。

——供給端產(chǎn)業(yè)化方向存在差異

目前，鈣鈦礦電池行業(yè)正處于從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化的重要階段，產(chǎn)業(yè)化元年或已悄然而至。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)鈣鈦礦電池廠商可分為上市企業(yè)和非上市企業(yè)兩大競(jìng)爭(zhēng)派系。上市企業(yè)包括寧德時(shí)代、隆基綠能、天合光能、晶澳科技等電池行業(yè)龍頭企業(yè)，多具有晶硅電池背景，正向鈣鈦礦/晶硅疊層電池方向努力;非上市企業(yè)包括協(xié)鑫光電、纖納光電、大正微納、極電光能、萬(wàn)度光能等，以單結(jié)鈣鈦礦電池為主要產(chǎn)業(yè)化方向。

——需求端應(yīng)用前景廣闊

鈣鈦礦電池在分布式光伏市場(chǎng)具備競(jìng)爭(zhēng)力，可廣泛應(yīng)用于BIPV幕墻，也是光伏車頂?shù)膬?yōu)良材料。鈣鈦礦電池下游應(yīng)用場(chǎng)景廣泛主要得益于鈣鈦礦材料吸光系數(shù)大，厚度較薄就能實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光的有效利用，同時(shí)鈣鈦礦材料特性決定了鈣鈦礦電池的制作可采用輕薄、柔性基底。

此外，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的帶隙可調(diào)性使其具有室內(nèi)光伏電池理想的寬帶隙，將鈣鈦礦電池的下游應(yīng)用范圍拓展至弱光及室內(nèi)光伏，進(jìn)而可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能家居和智能出行等領(lǐng)域。目前已有相關(guān)企業(yè)布局該應(yīng)用領(lǐng)域的研究，經(jīng)國(guó)家光伏產(chǎn)業(yè)計(jì)量測(cè)試中心認(rèn)證，廣東脈絡(luò)能源科技有限公司研發(fā)的鈣鈦礦室內(nèi)光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率在1000luxU30光源照射下達(dá)到44.72%。

 中國(guó)太陽(yáng)能電池技術(shù)賽道熱力圖

根據(jù)產(chǎn)業(yè)熱力圖顯示，與太陽(yáng)能電池關(guān)鍵技術(shù)強(qiáng)關(guān)聯(lián)的城市集群主要集中在華東和華南地區(qū)，并且以江蘇、廣東省為重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域，未來布局太陽(yáng)能電池技術(shù)及其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展路徑，極大可能性在于華東華南優(yōu)先導(dǎo)入，其中可重點(diǎn)關(guān)注江蘇省揚(yáng)州市高郵市、廣東省深圳市福田區(qū)、龍華區(qū)、寶安區(qū)所處太陽(yáng)能電池的相關(guān)企業(yè)，以及該地方對(duì)于太陽(yáng)能電池的產(chǎn)業(yè)發(fā)展投資環(huán)境、供給市場(chǎng)的潛力空間。

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