摘 要(yao)：在(zai)光(guang)伏發電(dian)競價、平價上網已成(cheng)為市(shi)場基本(ben)態勢的(de)背景下，高光(guang)電(dian)轉換效(xiao)率、低成(cheng)本(ben)的(de)光(guang)伏組件是(shi) 光伏(fu)產業持續(xu)快速(su)發展的必然需求。當(dang)前(qian)，占據市(shi)場主導地位的晶體硅光伏(fu)組件的光電轉換效率提(ti)升有(you)限， 且生產(chan)成(cheng)本持續上漲，而發(fa)展和應用新一代高光(guang)電(dian)(dian)轉換效(xiao)率、低成(cheng)本的光(guang)伏發(fa)電(dian)(dian)技術(shu)是(shi)破(po)局核心。鈣鈦礦太 陽(yang)電池具有理(li)論光電轉換效率(lv)高、峰瓦(wa)成(cheng)本(ben)低、生產(chan)能耗小(xiao)(xiao)、功率(lv)溫升損失小(xiao)(xiao)等優勢(shi)，發展潛力巨(ju)大。根據 當前鈣鈦礦(kuang)光伏組件的生產成本和技術水(shui)平，通過對(dui)其(qi)進行(xing)技術性(xing)及(ji)經濟性(xing)分析，并與單(dan)晶硅(gui)光伏組件進行(xing) 對比，分析鈣鈦礦光(guang)(guang)伏組(zu)件在集中式光(guang)(guang)伏電站中的應用(yong)前景。
關鍵詞：集中(zhong)式光伏(fu)(fu)電站(zhan)；鈣鈦(tai)礦光伏(fu)(fu)組件；光電轉(zhuan)換效率；成本(ben)；應用前景
中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A
截至 2020 年底，晶體硅光伏組件是市(shi)場的 絕對主流(liu)產品，市場占有率為 95.6%[1]。然(ran)而(er)從(cong) 2019 年(nian) 7 月(yue)開(kai)始，硅料的價格持續上(shang)漲，截至(zhi) 2021 年 5 月，PERC 單晶硅光(guang)伏(fu)組件的(de)價格已增 至 1.7 元 /W[2]，導致光伏發電(dian)(dian)的(de)度電(dian)(dian)成本也(ye)相應 提高。
鈣鈦礦(kuang)太(tai)陽(yang)電池是第(di)三代太(tai)陽(yang)電池的(de)代表， 具有理論光電轉(zhuan)換效率高、峰瓦(wa)成本低、生產 能耗小、功率溫升損失小等優勢，在提升光(guang)伏 電(dian)站發(fa)電(dian)量、降(jiang)低度電(dian)成本方(fang)面具有(you)非常大的(de)應 用潛力。但目前(qian)鈣鈦礦光伏組件的發展尚處于 初步階(jie)段(duan)，雖然(ran)鈣鈦礦太陽(yang)電(dian)池(chi)的光(guang)電(dian)轉換效 率已接近晶體硅(gui)太(tai)陽電池，然而在光伏(fu)組(zu)件制 作的過(guo)程中往往伴隨較(jiao)高的光電(dian)轉換效率損(sun) 失，導致鈣(gai)鈦(tai)礦光(guang)(guang)伏組件的光(guang)(guang)電轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率比晶 體(ti)硅光伏組件(jian)的低(di)。本(ben)文在研究鈣鈦礦太陽(yang)電 池技術(shu)現狀的(de)基礎上，根據當前鈣鈦礦光伏組 件的生產(chan)成本和技術水平(ping)，對此(ci)類光伏組件進 行(xing)技術(shu)性(xing)及經濟性(xing)分(fen)析，并與單晶硅光伏組(zu)件 進(jin)行對比，分析鈣鈦礦(kuang)光(guang)伏(fu)組件在集中式光(guang)伏(fu) 電站中的(de)應用前(qian)景。
1 鈣鈦礦技術(shu)概(gai)述
1.1 鈣鈦礦太陽電池的發展歷(li)程
2009 年，Kojima 等(deng) [3] 將(jiang) MAPbI3 及 MAPbBr3 作(zuo)為(wei)染料劑應用到(dao)液態(tai)染料敏化太陽(yang)電 池中，但由(you)于液態電解質(zhi)對鈣鈦(tai)礦材料有(you)很強(qiang)的 破壞作(zuo)用，導(dao)致(zhi)器(qi)件只能(neng)工作(zuo)數秒，穩(wen)定性(xing)非常差。2012 年，Kim 等 [4] 以 MAPbI3 作為敏(min)化(hua)劑， 以(yi) spiro-OMeTAD 作為空穴傳輸材料制備了鈣鈦 礦敏(min)化太陽電池，獲(huo)得了 9.7% 的(de)光電轉換效率(lv)； 同年，Lee 等 [5] 以 Al2O3 作(zuo)為支撐，制(zhi)備(bei)了一(yi)種(zhong) 具有介觀(guan)超結(jie)構(gou)的鈣鈦(tai)礦太陽電池(chi)，其光電轉換(huan) 效率(lv)達到 10.9%；2013 年，Burschka[6] 等進(jin)一步通(tong) 過兩步法，基(ji)于 MAPbI3，以 spiro-OMeTAD 作為電子阻擋層及金對電極，獲得了光電轉換(huan)效率為 14.1% 的鈣鈦礦太陽電池。2020 年，Zyga[7] 將鈣(gai) 鈦(tai)礦太陽電池的光電轉(zhuan)換效率提升至 25.5%。
1.2 鈣鈦(tai)礦(kuang)光伏(fu)組件技(ji)術(shu)的現狀(zhuang)
在鈣鈦礦太陽電池光電轉換效率方面，2016 年，瑞士的(de) Gr?tzel 課題組利用真空(kong)閃蒸(zheng)處(chu)理(li)方 式，使(shi)面積為 1 cm2 的鈣(gai)鈦礦太陽電池獲得(de)了(le) 19.6% 的光電轉(zhuan)換(huan)效率 [8]；韓國的(de) Seok 課題組 通過采用抑制鈣(gai)鈦(tai)礦中缺陷密度的方法，將鈣(gai)鈦(tai) 礦太陽(yang)電池的光(guang)電轉換效率(lv)提升至(zhi) 19.7%[9]。對(dui) 于平面反式結構鈣鈦(tai)礦太(tai)陽電池(chi)，2015 年日本 國(guo)立物質材料研究所的(de)韓禮元(yuan)課題組報道了 面積為 1 cm2 的(de)平(ping)面反式結(jie)構鈣鈦(tai)礦(kuang)太陽電池， 其光電轉(zhuan)換(huan)效率(lv)為 15.0%[10]；隨后該課題組進一 步獲得了面積為(wei) 36 cm2 的微型鈣鈦礦光伏組件， 其光電轉(zhuan)換效率為 12.0% [11]。
在鈣鈦礦(kuang)太陽電池穩定性方面，中(zhong)國華中(zhong) 科技(ji)大(da)學的韓(han)宏偉團隊研發的 3 層介(jie)觀結構(gou)鈣 鈦礦太陽(yang)電池，通(tong)過利用 5-AVA(5 氨基戊酸 ) 對(dui) MAPbI3 進(jin)行(xing)修飾，實現了 IEC 61215: 2016-2 要 求(qiu)的測試(shi)條件下持續大功率點跟(gen)蹤 (MPPT) 時 輸出功率無(wu)明顯(xian)衰減。3 層介(jie)觀結(jie)構(gou)鈣鈦(tai)礦太陽 電(dian)池的結構如圖 1 所示 [12]。
2 鈣鈦礦(kuang)光伏組件的(de)應用可(ke)行性分析(xi)
目前(qian)，鈣鈦礦(kuang)光(guang)伏(fu)組件(jian)的光(guang)電轉(zhuan)換效率大 多在(zai) 14.0%～16.0% 之間，與(yu)單晶硅(gui)光(guang)伏(fu)組件 20.5% 的光電轉換效(xiao)率仍存在(zai)一定差距。但在(zai)鈣 鈦礦太陽電(dian)池發(fa)展的(de) 10 余年(nian)中，其實驗室光電(dian) 轉換效率已從(cong) 3.8% 提升至 25.5%，提(ti)升速(su)度迅 速(su)，因此，在未來 3～5 年內(nei)，通過改進生產工藝， 大面(mian)積鈣鈦礦光伏組件的光電轉換(huan)效率有望(wang)突 破(po) 20.0%。
在器件穩定(ding)(ding)性方面，成熟穩定(ding)(ding)的封裝(zhuang)工藝和 特(te)殊的結構都可以大幅提高光伏組(zu)件的穩定(ding)性(xing)和 使用壽命。3 層介觀結構鈣鈦礦光伏組(zu)件目前(qian)已(yi) 在(zai)(zai)實驗室中證明(ming)了其(qi)穩定性，在(zai)(zai) 9000 h 內 MPPT 情況(kuang)下功率持續(xu)輸出無明(ming)顯衰減(jian)。
從封裝工藝角度來看，目前晶(jing)體硅(gui)光(guang)伏組件 已有一套完(wan)善的封裝工(gong)藝(yi)，而(er)鈣鈦(tai)礦光伏組件的 結(jie)構與雙玻(bo)晶體硅光伏組件(jian)的結(jie)構十分接近，因 此可以將雙(shuang)玻晶體硅(gui)光伏組件的封裝(zhuang)工(gong)藝應用到 鈣鈦(tai)礦光伏(fu)組件的生(sheng)產(chan)線，這樣鈣鈦(tai)礦光伏(fu)組件 的封裝工藝將得到保(bao)障，該類光伏組件的使用(yong)壽 命有望達(da)到 20～25 年(nian)。
在(zai)成本方面(mian)，由于鈣鈦礦太陽電池(chi)可與晶(jing) 體硅太(tai)陽電(dian)池制(zhi)成疊層鈣鈦礦(kuang)太(tai)陽電(dian)池，雖(sui)然疊 層技術(shu)路線的(de)制(zhi)造成本較(jiao)高，但單(dan)位面積的(de)疊層 鈣鈦礦光伏(fu)組(zu)件的輸出(chu)功率(lv)更高，因(yin)此可(ke)降低土 地、光伏支架、電(dian)纜等的建(jian)設成本。以目(mu)前各類 鈣鈦礦光伏技術路線中生產成本低、具商業潛力的 3 層介(jie)觀結構鈣鈦(tai)礦(kuang)光伏組件為例，按(an)照 2020 年 7 月(yue)的物價對此類光伏組件的單位面積 生產成本進(jin)行測(ce)算，測(ce)算結(jie)果(guo)如表 1 所示。
從表 1 可以看出：3 層介觀結構(gou)鈣(gai)鈦礦光伏 組件(jian)的單位面(mian)積生產(chan)成(cheng)本為 121.06 元(yuan) /m2 。其中(zhong)， 光伏組(zu)件的單位面積封裝(zhuang)成本為 86.50 元(yuan) /m2 ，占 其(qi)單位面積(ji)生產成本的 71.50%；太陽電池的單 位面積印(yin)刷(shua)成(cheng)本為 21.64 元 /m2 ，占其單位面積 生(sheng)產成本的 17.90%。而封裝成本中，FTO 玻璃 成(cheng)本占總封(feng)裝成(cheng)本的 48.6%。因(yin)此，若想實現此 類(lei)光(guang)伏(fu)組(zu)件的(de)產業(ye)化，那(nei)么需提升產業(ye)鏈中 FTO 玻璃的產能，當(dang) FTO 玻璃成本下降，則(ze)鈣(gai)鈦礦 光伏組件的生產成本有(you)望進(jin)一步(bu)下(xia)降。
3 鈣鈦礦光伏組件(jian)應用(yong)在集(ji)中式光伏電 站的經濟性分析(xi)
以位于貴州省(sheng)關嶺布依族(zu)苗族(zu)自(zi)治(zhi)縣的某集 中式(shi)光(guang)伏電站為例，在該光(guang)伏電站分別使用(yong)單晶 硅(gui)光(guang)伏組件和鈣(gai)鈦礦(kuang)光(guang)伏組件的情況下(xia)，對其建 造(zao)成本(ben)和內部收益率進(jin)行模擬分(fen)析，從而對比這 2 種光伏組件的經濟效益。
3.1太陽能資源分析
總太(tai)陽(yang)輻照量(liang)Q 的(de)氣候學計算式(shi)為：
式中：Q0 為水平面天文輻照量；S 為日照百(bai)分率；ag、bg 均為(wei)經驗系數(shu)。
在推算(suan)年總太陽輻(fu)照量時(shi)，多是以季節(jie)( 月) 的(de)實測太陽輻照量數(shu)據(ju)與日照百分率等常規氣象數(shu)據來(lai)擬(ni)合得到經驗(yan)系數(shu)，從而(er)計算得到理論年總(zong)太(tai)陽(yang)輻照量。
根據本光伏電站所在地(di)附近的(de)4 個(ge)氣(qi)象站( 興仁站、水城站、威寧站、紫(zi)云站) 在2011 年1 月至2016 年2 月(yue)期間(jian)觀測得到的(de)各月(yue)太陽輻照量數(shu)(shu)據與日照時數(shu)(shu)數(shu)(shu)據，分別(bie)計算(suan)得到各月(yue)的(de)太陽輻照百分率(lv)( 即Q/Q0) 和日照百分(fen)率，為分(fen)析這二者(zhe)之(zhi)間的關系，將相應數據繪(hui)制到坐標系中(zhong)，具體(ti)如(ru)圖2 所示(shi)。
從圖(tu)2 可以看出：各月的(de)太陽輻(fu)照百分(fen)率和日(ri)照百分率具(ju)有較好的線性關(guan)系，且Q/Q0= 0.6259S+0.1639，R2 =0.80 。結合(he)式(1) ，可得到(dao)經驗(yan)系數g、 bg 分(fen)別為0.1639 和0.6259 。在此(ci)基(ji)礎(chu)上可得到本光伏電(dian)站所(suo)在地的年總(zong)太陽輻照量。
根(gen)據(ju)本光伏電站所(suo)在地多年(nian)內各月太(tai)陽輻照(zhao)量(liang)數(shu)據(ju)，求平均值后可得到各月太(tai)陽輻照(zhao)量(liang)均值， 具體如(ru)表 2 所(suo)示(shi)。
從表 2 可以看出：本光伏(fu)電(dian)站所在地的全年總(zong)太陽輻照量為4263.1MJ/平方米 。
