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| 鈣鈦礦風云再起 |
| 來源：世紀新能源網 作者：孫凌偉 時間：2021/4/12 |
因為一則消息的發(fā)布，備受爭議的鈣鈦礦電池，再次引發(fā)業(yè)內熱議。
4月2日，無錫極電光能科技有限公司(下稱“極電光能”)宣布，公司制備的大面積鈣鈦礦組件，經過全球權威測試機構JET(日本電氣安全環(huán)境研究所)嚴格檢測，達到了20.5%的光電轉換效率，為目前全球范圍內大面積鈣鈦礦組件效率的最高紀錄。
神奇鈣鈦礦
極電光能是誰?這則消息的發(fā)布，為何會在行業(yè)內引發(fā)熱議?要弄清楚這個問題，還要從鈣鈦礦開始說起。
和字面的意思不一樣，鈣鈦礦既不含鈣，也不含鈦，而是一類具有ABX3結構的晶體材料的總稱，其中A是較大的陽離子，B是較小的陽離子，X是陰離子，每個A離子被B和X離子一起構成的八面體所包圍。(如下圖)
歷史上發(fā)現(xiàn)的第一種鈣鈦礦，是天然礦物鈦酸鈣(CaTiO3)，它是1839年德國化學家古斯塔夫·羅斯在俄羅斯烏拉爾山探險時發(fā)現(xiàn)的。隨后，研究人員把所有具有ABX3結構的晶體材料都稱為鈣鈦礦。鈣鈦礦之所以會被許多研究人員寵愛，那是因為很多種離子都可以在一起組合成ABX3的結構，比如BiFeO3、CsPbI3等。事實上，元素周期表中90%的金屬元素都可以成為鈣鈦礦的A或B離子。當科學家需要一種特別的材料時，研究人員就制造出了大量的有著相同結構但元素組成不同的晶體，通過實驗對比，能很快找到表現(xiàn)最佳的材料。
鈣鈦礦第一次被應用在太陽能發(fā)電領域，是2009年。日本橫濱大學教授Tsutomu Miyasaka率先將鈣鈦礦材料用于染料敏化太陽能電池作為吸光材料，獲得了3.8%的光電轉化效率。自此之后，鈣鈦礦電池成為國內外頂尖高校實驗室研究的目標。
在鈣鈦礦電池面世八年之后的2017年，Tsutomu Miyasaka又與韓國成均館大學Nam-Gyu Park、教授牛津大學物理學Henry J. Snaith教授因共同發(fā)現(xiàn)并應用鈣鈦礦材料實現(xiàn)有效的能源轉換，榮獲化學領域2017年度“引文桂冠獎”(對遴選出的可能摘取諾貝爾獎的全球最具影響力的研究人員所頒發(fā)的獎項，自2002年以來，每年發(fā)布的引文桂冠獎已成功預測了39位諾貝爾獎得主)。此時鈣鈦礦電池的效率已經突破了20%。
在我國，2019年6月，科技部發(fā)布《國家重點研發(fā)計劃“可再生能源與氫能技術”等重點專項2019年度項目申報指南》(以下簡稱《指南》)，其中在太陽能行業(yè)便率先提到了開展穩(wěn)定大面積鈣鈦礦電池關鍵技術及成套技術研發(fā)。關鍵指標方面要求大面積鈣鈦礦光伏電池效率≥19%(面積>20cm×20cm)，室溫25℃，AM1.5光照1000小時后，效率衰減≤10%。
優(yōu)缺點分明的鈣鈦礦
之所以提出這樣的指標，是因為作為第三代太陽能電池的鈣鈦礦電池，雖然具有轉換效率上限高、成本低廉等優(yōu)勢，但也存在著穩(wěn)定性差和無法大面積制備等天然缺陷。
鈣鈦礦太陽能電池的核心是具有鈣鈦礦晶型(ABX3)的有機金屬鹵化物吸光材料。在這種鈣鈦礦ABX3結構中，A為甲胺基(CH3NH3)，B為金屬鉛原子，X為氯、溴、碘等鹵素原子。目前在高效鈣鈦礦型太陽能電池中，最常見的鈣鈦礦材料是碘化鉛甲胺(CH3NH3PbI3)，它的帶隙約為1.5 eV，消光系數(shù)高，幾百納米厚薄膜就可以充分吸收800 nm以下的太陽光。而且，這種材料制備方便，將含有PbI2和CH3NH3I的溶液，在常溫下通過旋涂即可獲得均勻薄膜。上述特性使得鈣鈦礦型結構CH3NH3PbI3不僅可以實現(xiàn)對可見光和部分近紅外光的吸收，而且所產生的光生載流子不易復合，能量損失小，這是鈣鈦礦型太陽能電池能夠實現(xiàn)高效率的根本原因。
據(jù)了解，在轉換效率方面，目前效率最高的晶硅太陽能電池轉換效率為24%左右，組件效率為21%左右，而鈣鈦礦電池轉換效率在25%左右，組件最高效率是極電光能剛剛發(fā)布的20.5%，兩者差距并不大。
除了轉換效率，在成本方面，即便晶硅太陽能電池已經進入平價時代，成本也比鈣鈦礦電池要高出許多。尤其是在硅料消耗上，鈣鈦礦電池的硅消耗量還不到晶硅電池的百分之一。如果鈣鈦礦電池可以量產的話，完全不必擔心硅料供不應求的問題。
既然擁有這么明顯的優(yōu)勢，鈣鈦礦電池為什么沒能實現(xiàn)大規(guī)模量產?因為鈣鈦礦電池存在兩大最為致命的缺陷——穩(wěn)定性差和無法大面積制備。
穩(wěn)定性方面，鈣鈦礦電池在潮濕環(huán)境下很容易分解，進而影響到其使用壽命。目前鈣鈦礦電池的壽命多在1000小時左右，而晶硅太陽能電池的工作壽命為20-25年，根本不可同日而語。太陽能電池板工作環(huán)境較為惡劣，鈣鈦礦電池不穩(wěn)定的缺點，對其發(fā)展存在極大的影響。
制備方面。在光伏持續(xù)降本增效的情況下，大尺寸組件已成為趨勢，182和210組件市場份額也在不斷提高。但鈣鈦礦電池的高效，只能體現(xiàn)在小尺寸上，一旦面積變大，其效率就會快速下降。之所以會出現(xiàn)此種現(xiàn)象，主要是因為在晶體生長過程中，會出現(xiàn)密度不一，不夠整齊，相互間存在孔隙的情況，導致其轉換效率降低。
某上游鈣鈦礦設備生產商技術人員告訴世紀新能源網，目前的鈣鈦礦生產設備，主要面向科研院所和高校等定向銷售，還無法大面積量產。已經量產的，也主要停留在中試化量產實驗階段，距離真正的商業(yè)化，還有很長的路要走。
鈣鈦礦電池的研發(fā)之路
盡管前路艱難，但為了鈣鈦礦電池能夠早日量產，很多科研團隊和光伏企業(yè)還是付出了極大心血，也取得了不俗成果。
今年一月，沖繩科學技術研究所(OIST)的戚亞冰研究團隊利用一種減少缺陷的新制造技術，制造出穩(wěn)定性和效率都有所提高的大面積鈣鈦礦光伏組件，不過其有效面積僅為12平方厘米。
近日，來自西北工業(yè)大學黃維院士團隊、南京工業(yè)大學教授陳永華團隊的努力下，成功用一種多功能“離子液體”作溶劑替代傳統(tǒng)有毒有機溶劑制備鈣鈦礦光伏材料，最終成品轉換效率達到了24.1%，跟目前領先的硅基太陽能電池保持在同一水平。在長時間的觀察和記錄后，發(fā)現(xiàn)其在未封裝，且在85 ℃持續(xù)加熱和持續(xù)光照下500小時的條件下，依然能保持其初始效率的80%和90%，表現(xiàn)非常優(yōu)異。
除了科研團隊，作為鈣鈦礦電池追隨者的眾多光伏企業(yè)，近些年也在積極探索，不斷突破。
2016年，華中科技大學韓宏偉教授團隊以印刷介觀鈣鈦礦太陽能電池技術為核心，成立了湖北萬度光能，開始生產60cm×60cm的鈣鈦礦組件，但是目前尚未有公開的效率認證消息。
2015年7月，本科畢業(yè)于浙江大學光電系和澳洲新南威爾士州大學光伏學院，讀博期間師從著名有機光伏權威、英國皇家科學院院士Jenny Nelson教授的姚冀眾聯(lián)合浙大校友顏步一，在杭州未來科技城一起創(chuàng)辦了國內第一家鈣鈦礦新材料商業(yè)化科技公司——杭州纖納光電科技有限公司(以下簡稱“纖納光電”)。
成立一年半后，纖納光電將鈣鈦礦光伏小組件(超過16cm )效率提升至15.24%，經NREL認證，刷新了此前該領域12.1%的世界紀錄。此后，又分別在2017年5月、2017年12月、2018年7月和2020年四次刷新了該記錄。據(jù)《光伏電池效率榜》發(fā)布的數(shù)據(jù)，纖納光電鈣鈦礦小組件2020年的光電轉換效率成績是18.04%。
在更大面積的鈣鈦礦組件方面，NREL發(fā)布的效率圖顯示，纖納光電的首條20MW鈣鈦礦量產產線的鈣鈦礦量產模組(200cm-800cm)效率達到11.98%，打破了日本東芝公司保持的前世界紀錄。
相比新成立的纖納光電，協(xié)鑫集團在鈣鈦礦上的布局，是通過并購重組完成的。
2010年，從瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學畢業(yè)后的范斌創(chuàng)立了廈門惟華光能有限公司(以下簡稱”廈門惟華”)，從2013年開始轉向鈣鈦礦光伏技術的開發(fā)，那一年鈣鈦礦電池橫空出世，引發(fā)科學界的研究熱潮。
2015年，廈門惟華建成第一條鈣鈦礦組件試驗生產線，并在一年后被協(xié)鑫集團并購，在蘇州成立了現(xiàn)在的協(xié)鑫納米。
截至目前，協(xié)鑫納米具備一條10MW的鈣鈦礦中試產線，并取得光伏組件認證機構德國萊茵TüV認證的1200cm 有效面積上13.5%的鈣鈦礦組件效率認證。
在國內，除了纖納光電和協(xié)鑫納米，同樣看中鈣鈦礦晶硅疊層電池的還有光伏巨頭——通威集團。
2019年，通威成立鈣鈦礦團隊，采用的是高效硅基底電池和低成本和無毒穩(wěn)定鈣鈦礦材料疊加的技術路線。并在當?shù)腟NEC展會上，和西南石油大學共同推出了大面積156.75mmx156.75mm鈣鈦礦小組件(非常規(guī)版型)，并宣稱將在鈣鈦礦晶硅疊層太陽電池穩(wěn)定性方面做改進。
按照通威的規(guī)劃，在未來3-5年內，將進行疊層鈣鈦礦電池的中試化量產實驗，并與主流設備企業(yè)合作開發(fā)可大規(guī)�；寞B層鈣鈦礦電池的制備技術，并評估進行疊層鈣鈦礦電池的可穩(wěn)定規(guī)模化制造性和產品長期穩(wěn)定性等問題，并在5-10年內進行鈣鈦礦疊層電池的大規(guī)模量產。
除了上述四家企業(yè)，杭州眾能光電公司、上海黎元新能源公司、北京曜能科技有限公司等，近年來也都布局了鈣鈦礦電池領域。
資本入局的推動
鈣鈦礦電池的崛起，吸引了資本市場的注意。2019年4月26日，長江三峽集團旗下三峽資本聯(lián)合中國三峽新能源宣布，三峽資本以戰(zhàn)略投資者身份注資纖納光電，投資金額5000萬人民幣。
資本注入后，2020年7月31日，纖納光電投資的全球首個鈣鈦礦產業(yè)園在衢州纖落地建成。該項目總體規(guī)劃5GW，總投資54.6億元，總用地面積600畝。一期廠房11000方包含半導體車間、動力、合成、倉庫、辦公、宿舍等相關配套，計劃年產20-25萬平方米光伏發(fā)電玻璃。
而就在三峽集團戰(zhàn)略投資鈣鈦礦的前一個月，風電巨頭金風科技也宣布，以戰(zhàn)略投資者身份領投英國鈣鈦礦太陽能發(fā)電公司牛津光伏有限公司(下簡稱“牛津光伏”)D輪融資(共計3500萬英鎊)，投資金額2100萬英鎊。
牛津光伏是從牛津大學分離出來的一家公司，主要研究以晶硅作為底電池的鈣鈦礦疊層太陽能電池。2020年8月，牛津光伏宣布，如果進展順利，他們的產品有望在2021年實現(xiàn)銷售。
時間進入到2021年，對于鈣鈦礦電池的熱情仍在繼續(xù)。
2021年3月31日，晶澳科技發(fā)布公告，公司將對N型電池、鈣鈦礦等電池技術加大研發(fā)投入力度，技術儲備不斷完善，其中N型高效電池中試線轉換效率近24%，將繼續(xù)通過工藝提升降低生產成本，以達到大規(guī)模量產條件。
2021年4月2日，極電光能宣布，公司制備的大面積鈣鈦礦組件，經過全球權威測試機構JET(日本電氣安全環(huán)境研究所)嚴格檢測，達到了20.5%的光電轉換效率，為目前全球范圍內大面積鈣鈦礦組件效率的最高紀錄。
企查查數(shù)據(jù)顯示，極電光能是保定市長城控股集團有限公司(下稱“長城控股”)旗下全資孫公司，通過保定市瑞茂企業(yè)管理咨詢有限公司進行控股。
除了極電光能，保定市瑞茂企業(yè)管理咨詢有限公司還有未勢能源科技有限公司和蜂巢能源科技有限公司兩個子公司，分別屬于氫能和動力電池企業(yè)。
在傳統(tǒng)汽車領域之外，長城汽車又開啟了新能源賽道，它的入局，不知道能否讓鈣鈦礦電池跑贏晶硅電池?
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