鈣鈦礦光伏組件在集中式光伏電站中的應(yīng)用前景分析

上官炫爍，魏 超，唐梓彭，張 駿，何梓瑜

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030)

0 引言

截至2020年底，晶體硅光伏組件是市場的絕對主流產(chǎn)品，市場占有率為95.6%[1]。然而從2019年7月開始，硅料的價(jià)格持續(xù)上漲，截至2021年5月，PERC單晶硅光伏組件的價(jià)格已增至1.7元/W[2]，導(dǎo)致光伏發(fā)電的度電成本也相應(yīng)提高。

鈣鈦礦太陽電池是第三代太陽電池的代表，具有理論光電轉(zhuǎn)換效率高、峰瓦成本低、生產(chǎn)能耗小、功率溫升損失小等優(yōu)勢，在提升光伏電站發(fā)電量、降低度電成本方面具有極大的應(yīng)用潛力。但目前鈣鈦礦光伏組件的發(fā)展尚處于初步階段，雖然鈣鈦礦太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率已接近晶體硅太陽電池，然而在光伏組件制作的過程中往往伴隨較高的光電轉(zhuǎn)換效率損失，導(dǎo)致鈣鈦礦光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率比晶體硅光伏組件的低。本文在研究鈣鈦礦太陽電池技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，根據(jù)當(dāng)前鈣鈦礦光伏組件的生產(chǎn)成本和技術(shù)水平，對此類光伏組件進(jìn)行技術(shù)性及經(jīng)濟(jì)性分析，并與單晶硅光伏組件進(jìn)行對比，分析鈣鈦礦光伏組件在集中式光伏電站中的應(yīng)用前景。

1 鈣鈦礦技術(shù)概述

1.1 鈣鈦礦太陽電池的發(fā)展歷程

2009年，Kojima等[3]首次將MAPbI3及MAPbBr3作為染料劑應(yīng)用到液態(tài)染料敏化太陽電池中，但由于液態(tài)電解質(zhì)對鈣鈦礦材料有很強(qiáng)的破壞作用，導(dǎo)致器件只能工作數(shù)秒，穩(wěn)定性極差。2012年，Kim等[4]以MAPbI3作為敏化劑，以spiro-OMeTAD作為空穴傳輸材料制備了鈣鈦礦敏化太陽電池，獲得了9.7%的光電轉(zhuǎn)換效率；同年，Lee等[5]以Al2O3作為支撐，制備了一種具有介觀超結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽電池，其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到10.9%；2013年，Burschka[6]等進(jìn)一步通過兩步法，基于MAPbI3，以spiro-OMeTAD作為電子阻擋層及金對電極，獲得了光電轉(zhuǎn)換效率為14.1%的鈣鈦礦太陽電池。2020年，Zyga[7]將鈣鈦礦太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率提升至25.5%。

1.2 鈣鈦礦光伏組件技術(shù)的現(xiàn)狀

在鈣鈦礦太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率方面，2016年，瑞士的Gr?tzel課題組利用真空閃蒸處理方式，使面積為1 cm2的鈣鈦礦太陽電池獲得了19.6%的光電轉(zhuǎn)換效率[8]；韓國的Seok課題組通過采用抑制鈣鈦礦中缺陷密度的方法，將鈣鈦礦太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率提升至19.7%[9]。對于平面反式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽電池，2015年日本國立物質(zhì)材料研究所的韓禮元課題組首次報(bào)道了面積為1 cm2的平面反式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽電池，其光電轉(zhuǎn)換效率為15.0%[10]；隨后該課題組進(jìn)一步獲得了面積為36 cm2的微型鈣鈦礦光伏組件，其光電轉(zhuǎn)換效率為12.0%[11]。

在鈣鈦礦太陽電池穩(wěn)定性方面，中國華中科技大學(xué)的韓宏偉團(tuán)隊(duì)研發(fā)的3層介觀結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽電池，通過利用5-AVA(5氨基戊酸)對MAPbI3進(jìn)行修飾，實(shí)現(xiàn)了IEC 61215: 2016-2要求的測試條件下持續(xù)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)時(shí)輸出功率無明顯衰減。3層介觀結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽電池的結(jié)構(gòu)如圖1所示[12]。

圖1 3層介觀結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽電池的結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of three-layer mesostructured perovskite solar cells

2 鈣鈦礦光伏組件的應(yīng)用可行性分析

目前，鈣鈦礦光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率大多在14.0%～16.0%之間，與單晶硅光伏組件20.5%的光電轉(zhuǎn)換效率仍存在一定差距。但在鈣鈦礦太陽電池發(fā)展的10余年中，其實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率已從3.8%提升至25.5%，提升速度迅速，因此，在未來3～5年內(nèi)，通過改進(jìn)生產(chǎn)工藝，大面積鈣鈦礦光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率有望突破20.0%。

在器件穩(wěn)定性方面，成熟穩(wěn)定的封裝工藝和特殊的結(jié)構(gòu)都可以大幅提高光伏組件的穩(wěn)定性和使用壽命。3層介觀結(jié)構(gòu)鈣鈦礦光伏組件目前已在實(shí)驗(yàn)室中證明了其穩(wěn)定性，在9000 h內(nèi)MPPT情況下功率持續(xù)輸出無明顯衰減。

從封裝工藝角度來看，目前晶體硅光伏組件已有一套完善的封裝工藝，而鈣鈦礦光伏組件的結(jié)構(gòu)與雙玻晶體硅光伏組件的結(jié)構(gòu)十分接近，因此可以將雙玻晶體硅光伏組件的封裝工藝應(yīng)用到鈣鈦礦光伏組件的生產(chǎn)線，這樣鈣鈦礦光伏組件的封裝工藝將得到保障，該類光伏組件的使用壽命有望達(dá)到20～25年。

在成本方面，由于鈣鈦礦太陽電池可與晶體硅太陽電池制成疊層鈣鈦礦太陽電池，雖然疊層技術(shù)路線的制造成本較高，但單位面積的疊層鈣鈦礦光伏組件的輸出功率更高，因此可降低土地、光伏支架、電纜等的建設(shè)成本。以目前各類鈣鈦礦光伏技術(shù)路線中生產(chǎn)成本最低、最具商業(yè)潛力的3層介觀結(jié)構(gòu)鈣鈦礦光伏組件為例，按照2020年7月的物價(jià)對此類光伏組件的單位面積生產(chǎn)成本進(jìn)行測算，測算結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出：3層介觀結(jié)構(gòu)鈣鈦礦光伏組件的單位面積生產(chǎn)成本為121.06元/m2。其中，光伏組件的單位面積封裝成本為86.50元/m2，占其單位面積生產(chǎn)成本的71.50%；太陽電池的單位面積印刷成本為21.64元/m2，占其單位面積生產(chǎn)成本的17.90%。而封裝成本中，F(xiàn)TO玻璃成本占總封裝成本的48.6%。因此，若想實(shí)現(xiàn)此類光伏組件的產(chǎn)業(yè)化，那么需提升產(chǎn)業(yè)鏈中FTO玻璃的產(chǎn)能，當(dāng)FTO玻璃成本下降，則鈣鈦礦光伏組件的生產(chǎn)成本有望進(jìn)一步下降。

表1 3層介觀結(jié)構(gòu)鈣鈦礦光伏組件的單位面積生產(chǎn)成本測算Table 1 Calculation of production cost per unit area of three-layer mesostructured perovskite PV modules

3 鈣鈦礦光伏組件應(yīng)用在集中式光伏電站的經(jīng)濟(jì)性分析

以位于貴州省關(guān)嶺布依族苗族自治縣的某集中式光伏電站為例，在該光伏電站分別使用單晶硅光伏組件和鈣鈦礦光伏組件的情況下，對其建造成本和內(nèi)部收益率進(jìn)行模擬分析，從而對比這2種光伏組件的經(jīng)濟(jì)效益。

3.1 太陽能資源分析

總太陽輻照量Q的氣候?qū)W計(jì)算式為：

式中：Q0為水平面天文輻照量；S為日照百分率；ag、bg均為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

在推算年總太陽輻照量時(shí)，多是以季節(jié)(月)的實(shí)測太陽輻照量數(shù)據(jù)與日照百分率等常規(guī)氣象數(shù)據(jù)來擬合得到經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，從而計(jì)算得到理論年總太陽輻照量。根據(jù)本光伏電站所在地附近的4個(gè)氣象站(興仁站、水城站、威寧站、紫云站)在2011年1月至2016年2月期間觀測得到的各月太陽輻照量數(shù)據(jù)與日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù)，分別計(jì)算得到各月的太陽輻照百分率(即Q/Q0)和日照百分率，為分析這二者之間的關(guān)系，將相應(yīng)數(shù)據(jù)繪制到坐標(biāo)系中，具體如圖2所示。

圖2 太陽輻照百分率和日照百分率之間的關(guān)系Fig. 2 Relationship between solar irradiance percentage and insolation percentage

從圖2可以看出：各月的太陽輻照百分率和日照百分率具有較好的線性關(guān)系，且Q/Q0=0.6259S+0.1639，R2=0.80。結(jié)合式(1)，可得到經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ag、bg分別為0.1639和0.6259。在此基礎(chǔ)上可得到本光伏電站所在地的年總太陽輻照量。

根據(jù)本光伏電站所在地多年內(nèi)各月太陽輻照量數(shù)據(jù)，求平均值后可得到各月太陽輻照量均值，具體如表2所示。

從表2可以看出：本光伏電站所在地的全年總太陽輻照量為4263.1 MJ/m2。

3.2 建設(shè)成本分析

光伏電站的建設(shè)成本主要由光伏組件、逆變器、匯流箱、箱變、電纜、光伏支架、土地使用及土建安裝等費(fèi)用構(gòu)成。其中，電纜、光伏支架及土地使用等費(fèi)用與所采用光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率呈反比關(guān)系。本文對光伏電站分別采用單晶硅光伏組件和鈣鈦礦光伏組件時(shí)的單位建設(shè)成本進(jìn)行了測算，測算結(jié)果分別如表3、表4所示。

從表3、表4可以看出：采用單晶硅光伏組件時(shí)，光伏電站的單位建設(shè)成本約為3.33元/W；采用鈣鈦礦光伏組件時(shí)，光伏電站的單位建設(shè)成本約為3.12元/W。

表2 本光伏電站所在地的各月太陽輻照量均值Table 2 Monthly average solar irradiance at the location of PV power station

表3 光伏電站采用單晶硅光伏組件時(shí)的單位建設(shè)成本Table 3 Unit construction cost of PV power station using mono-Si PV modules

表4 光伏電站采用鈣鈦礦光伏組件時(shí)的單位建設(shè)成本Table 4 Unit construction cost of PV power station using perovskite PV modules

若該光伏電站以系統(tǒng)效率為84%，上網(wǎng)電價(jià)為0.3515元/kWh，光伏組件首年功率衰減為2.5%、之后每年衰減0.7%作為邊界條件，分別計(jì)算采用2種光伏組件時(shí)光伏電站25年的資本金內(nèi)部收益率，結(jié)果顯示：該光伏電站采用單晶硅光伏組件時(shí)25年的資本金內(nèi)部收益率為8.21%，采用鈣鈦礦光伏組件時(shí)25年的資本金內(nèi)部收益率為9.33%。但考慮到鈣鈦礦光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率提升迅速，且擁有較大的

(續(xù)表)

成本下降空間，因此，對鈣鈦礦光伏組件技術(shù)發(fā)展到不同階段時(shí)對應(yīng)的25年資本金內(nèi)部收益率分別進(jìn)行測算，測算結(jié)果如表5所示。

表5 不同單位面積生產(chǎn)成本和光電轉(zhuǎn)換效率的鈣鈦礦光伏組件對應(yīng)的25年資本金內(nèi)部收益率Table 5 25-year capital internal rate of return corresponding to perovskite PV modules with different production costs per unit area and photoelectric conversion efficiency

從表5可以看出：當(dāng)鈣鈦礦光伏組件的單位面積生產(chǎn)成本能低至100元/m2且光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到22%時(shí)，該光伏電站的25年資本金內(nèi)部收益率可達(dá)到19.97%。

4 結(jié)論

本文對鈣鈦礦光伏組件在集中式光伏電站中的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析，鈣鈦礦光伏技術(shù)是新能源領(lǐng)域的革命性技術(shù)，此類光伏產(chǎn)品的光電轉(zhuǎn)換效率提升和成本下降空間均巨大，是未來光伏發(fā)電領(lǐng)域提質(zhì)增效的重要手段之一。以當(dāng)前的技術(shù)水平，雖然鈣鈦礦太陽電池的穩(wěn)定性尚待驗(yàn)證，但考慮到其生產(chǎn)成本，其已在部分區(qū)域具備了實(shí)際應(yīng)用的可能性；并且在經(jīng)濟(jì)性測算中，若鈣鈦礦光伏組件的單位面積生產(chǎn)成本能低至100元/m2且光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到22%時(shí)，光伏電站的25年資本金內(nèi)部收益率可達(dá)到19.97%，有望在未來逐步完成對晶體硅光伏組件的替代，降低光伏發(fā)電的度電成本。