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0.7元/W?晶硅组件杀手要来了?附生产流程及成本拆分

钙钛矿优越的材料性能预示着理论上它具备颠覆现有光伏格局的能力,目前科研领域正在关注单结钙钛矿电池的转换效率、稳定性和降低铅污染,有初创企业推出的单结组件能量转换效率已超过17%,接近多晶硅组件的转换效率,并且理论成本更低;但另一方面,晶硅电池经过半个世纪的发展,现在已经实现了平价上网的伟大目标,并且积累了上万亿的资产体量,如果被完全替代会带来巨大的投资损失,薄膜电池天然具备良好的与其他电池结合的性能,因此产业内也有企业在致力于实现传统晶硅电池和钙钛矿电池的完美融合。

前进方向:挑战晶硅OR携手共进

一个引人关注的问题是钙钛矿电池的前进方向。单结电池最终不得不直面晶硅电池的竞争。晶硅产品经历了单晶革命和“531新政”的洗礼之后,组件含税价格已跌破2元/W,多晶组件成本已降至1.4元/W以下,但由于产业链各环节的利润受到极大挤压,预计晶硅电池后续降本速度将显著放缓。钙钛矿电池则由于其一系列先天优势,产品降本潜力极大,根据协鑫的测算,钙钛矿电池产能达到100MW时,其生产成本可降至0.94元/W以下,其目前100MW产线量产成本0.9元/W,产能达到1GW,生产成本可降至0.8元/W以下。毋庸置疑的是,尽管钙钛矿电池仍然面临寿命和效率的问题,但巨大的降本潜力对于传统的晶硅电池极具威胁。

晶硅/钙钛矿叠层电池有望打造出一种更具性价比的新型产品。单结晶硅电池的理论极限效率约为29%。随着多晶硅到组件的成本下降空间日益狭小,组件和系统的非硅成本比重不断提升,组件的发展重心从降本转向增效。钙钛矿电池凭借简单的制造工艺和完美互补的光电特性,成为与晶硅叠层的完美候选。理论计算表明,晶硅+钙钛矿叠层电池的理论效率有望达到43%。目前牛津光伏研发的晶硅/钙钛矿叠层电池转换效率已突破29%,该产品有望将光伏的LCOE再降低20%以上。

然而,由于多数晶体硅电池技术都需要高温烧结,而且表面粗糙度大(达到数微米),与不耐高温并且厚度仅有几百纳米的钙钛矿薄膜匹配度并不理想。在目前可见的晶硅电池技术中,HIT(异质结)技术匹配度最好,HIT的生产工艺低于200℃,并且较高的投资成本导致其性价比优势并不突出,HIT与钙钛矿结合有望出现“1+1>2”的效应。目前,梅耶博格已经在加强与牛津光伏的合作,预计2021年前后将推出HIT+钙钛矿叠层电池设备,产品设计效率达27%,有可能为电池技术带来新一轮革命。

此外,钙钛矿电池还能广泛地应用于柔性场景。目前基于不锈钢、PET聚合物等柔性基底的钙钛矿电池已有成果推出,甚至还有线状的钙钛矿电池,这些形态结构可用于BIPV以及便携式可穿戴设备,应用场景更加广泛。

生产流程:原材料成本低廉,可采用液相法生产

与晶硅电池漫长的产业链和复杂的工艺流程相比,钙钛矿电池的生产流程极其简洁。原料方面,以经典的n-i-p型异质结结构为例,钙钛矿电池活性层材料由碘化铅(PbI2)和碘化甲基铵(CH3NH3I)在溶剂里混合而成,PbI2的自然界储量丰富,高纯的科研级产品售价仅有3-10元/g,CH3NH3I可通过低成本工艺大量合成,科研级产品售价约50元/g,按照300nm厚度计,每平米组件仅需1.5g钙钛矿材料,如果大批量生产,每块组件的钙钛矿材料成本只有3元左右。其他材料,电子传输材料TiO2价格也非常低廉,空穴传输材料Spiro-OMeTAD现在只有实验室小批量合成,价格较高,但大批量产后降价空间巨大,且存在成本很低的无机材料替代。银电极是成本最高的部分,根据工艺不同每块组件的电极成本约为10-45元之间。

制备工艺方面,钙钛矿电池的4层功能层中,只有导电玻璃需要用到真空方法,而且是非常成熟的溅射方法;缓冲层和活性层都可以通过液相法制备,全程的温度最高不超过200℃,能耗非常低。值得一提的是,钙钛矿活性材料本身不仅成本低廉,而且配制过程简易,远远低于多晶硅料的生产成本。

成本解析:封装、电极构成成本主体,工艺优化是降本必由之路

我们以1条40MW产能的产线为例,测算钙钛矿电池产线的各项成本,钙钛矿电池所用的设备数量和价格较CdTe产线更低,预计该条产线投资可控制在5000万元左右,其他参数明细如下:

我们测算的结果表明,小批量量产的钙钛矿电池成本已经可以做到1.2元/W,低于成本最低的一体化晶硅组件,但目前面临着效率和输出功率低、组件寿命短等问题,仍不具备大规模产业化的条件。从结构上看,钙钛矿电池中折旧成本低于CdTe电池,但封装、电极的制作成本远高于CdTe和晶硅电池,因此其后续需要明确和优化部分功能层的制备工艺,然后通过规模化降低设备成本。

根据该模型,对影响成本的各项因素做敏感性分析,在不考虑物料成本和人工成本下降空间的情况下,电池成本最敏感的因素主要是产能投资、生产节拍和能量转换效率。

设备投资方面,钙钛矿电池的生产设备用到的真空设备较少,目前由于规模较小,且仍在探索阶段,多为非标定制化生产,因此初始投资额较高,折算每W的折旧成本约0.11元,占比近9%。经比较,我们认为量产后钙钛矿电池设备的成本不应高于HIT设备,目前HIT设备的成本约10亿元/GW,量产后钙钛矿电池折旧成本应低于0.1元/W。生产节拍对电池成本影响也比较明显,主要通过折旧、人工、水电等因素体现。钙钛矿组件的镀膜工艺和后处理条件都比较简单,节拍后续有望降至30s左右,带动成本下降0.08元/W,其中折旧成本贡献最大,达0.05元/W。

我们认为,提高组件的能量转换效率和尺寸规格是后续降本最有力的方式。据测算,如果组件的能量转换效率从14%的基准线上提升到17%,组件成本有望降至1元/W以下,其中现金成本降至0.89元/W左右。

除了上述因素外,增大组件的尺寸规格也是降低成本极为有效的方案。目前主流的薄膜太阳能组件规格依然是1.2m x 0.6m,面积只有60型晶硅组件的44%。与此同时,由于规模效应,在其他参数不变的情况下,组件尺寸每增加1倍,其他相关成本增加85%左右,因此增大组件尺寸是薄膜电池降本的有效手段。我们在模型里加入了一个修正因子,结果显示,当组件面积从0.72m2每增加一倍,组件成本将下降14%。

如果能将高效率和大尺寸合二为一,钙钛矿组件的成本下降更加明显。据测算,如果组件效率达到17%,规格达到2.4m²,钙钛矿组件的成本将降至0.75元/W;如果能进一步改善电极工艺,组件成本有望进一步降至0.7元/W以下。

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