钙钛矿光伏组件在集中式光伏电站中的应用前景分析

上官炫烁，魏 超，唐梓彭，张 骏，何梓瑜

(华电电力科学研究院有限公司，杭州 310030)

0 引言

截至2020年底，晶体硅光伏组件是市场的绝对主流产品，市场占有率为95.6%[1]。然而从2019年7月开始，硅料的价格持续上涨，截至2021年5月，PERC单晶硅光伏组件的价格已增至1.7元/W[2]，导致光伏发电的度电成本也相应提高。

钙钛矿太阳电池是第三代太阳电池的代表，具有理论光电转换效率高、峰瓦成本低、生产能耗小、功率温升损失小等优势，在提升光伏电站发电量、降低度电成本方面具有极大的应用潜力。但目前钙钛矿光伏组件的发展尚处于初步阶段，虽然钙钛矿太阳电池的光电转换效率已接近晶体硅太阳电池，然而在光伏组件制作的过程中往往伴随较高的光电转换效率损失，导致钙钛矿光伏组件的光电转换效率比晶体硅光伏组件的低。本文在研究钙钛矿太阳电池技术现状的基础上，根据当前钙钛矿光伏组件的生产成本和技术水平，对此类光伏组件进行技术性及经济性分析，并与单晶硅光伏组件进行对比，分析钙钛矿光伏组件在集中式光伏电站中的应用前景。

1 钙钛矿技术概述

1.1 钙钛矿太阳电池的发展历程

2009年，Kojima等[3]首次将MAPbI3及MAPbBr3作为染料剂应用到液态染料敏化太阳电池中，但由于液态电解质对钙钛矿材料有很强的破坏作用，导致器件只能工作数秒，稳定性极差。2012年，Kim等[4]以MAPbI3作为敏化剂，以spiro-OMeTAD作为空穴传输材料制备了钙钛矿敏化太阳电池，获得了9.7%的光电转换效率；同年，Lee等[5]以Al2O3作为支撑，制备了一种具有介观超结构的钙钛矿太阳电池，其光电转换效率达到10.9%；2013年，Burschka[6]等进一步通过两步法，基于MAPbI3，以spiro-OMeTAD作为电子阻挡层及金对电极，获得了光电转换效率为14.1%的钙钛矿太阳电池。2020年，Zyga[7]将钙钛矿太阳电池的光电转换效率提升至25.5%。

1.2 钙钛矿光伏组件技术的现状

在钙钛矿太阳电池光电转换效率方面，2016年，瑞士的Grätzel课题组利用真空闪蒸处理方式，使面积为1 cm2的钙钛矿太阳电池获得了19.6%的光电转换效率[8]；韩国的Seok课题组通过采用抑制钙钛矿中缺陷密度的方法，将钙钛矿太阳电池的光电转换效率提升至19.7%[9]。对于平面反式结构钙钛矿太阳电池，2015年日本国立物质材料研究所的韩礼元课题组首次报道了面积为1 cm2的平面反式结构钙钛矿太阳电池，其光电转换效率为15.0%[10]；随后该课题组进一步获得了面积为36 cm2的微型钙钛矿光伏组件，其光电转换效率为12.0%[11]。

在钙钛矿太阳电池稳定性方面，中国华中科技大学的韩宏伟团队研发的3层介观结构钙钛矿太阳电池，通过利用5-AVA(5氨基戊酸)对MAPbI3进行修饰，实现了IEC 61215: 2016-2要求的测试条件下持续最大功率点跟踪(MPPT)时输出功率无明显衰减。3层介观结构钙钛矿太阳电池的结构如图1所示[12]。

图1 3层介观结构钙钛矿太阳电池的结构Fig. 1 Structure of three-layer mesostructured perovskite solar cells

2 钙钛矿光伏组件的应用可行性分析

目前，钙钛矿光伏组件的光电转换效率大多在14.0%～16.0%之间，与单晶硅光伏组件20.5%的光电转换效率仍存在一定差距。但在钙钛矿太阳电池发展的10余年中，其实验室光电转换效率已从3.8%提升至25.5%，提升速度迅速，因此，在未来3～5年内，通过改进生产工艺，大面积钙钛矿光伏组件的光电转换效率有望突破20.0%。

在器件稳定性方面，成熟稳定的封装工艺和特殊的结构都可以大幅提高光伏组件的稳定性和使用寿命。3层介观结构钙钛矿光伏组件目前已在实验室中证明了其稳定性，在9000 h内MPPT情况下功率持续输出无明显衰减。

从封装工艺角度来看，目前晶体硅光伏组件已有一套完善的封装工艺，而钙钛矿光伏组件的结构与双玻晶体硅光伏组件的结构十分接近，因此可以将双玻晶体硅光伏组件的封装工艺应用到钙钛矿光伏组件的生产线，这样钙钛矿光伏组件的封装工艺将得到保障，该类光伏组件的使用寿命有望达到20～25年。

在成本方面，由于钙钛矿太阳电池可与晶体硅太阳电池制成叠层钙钛矿太阳电池，虽然叠层技术路线的制造成本较高，但单位面积的叠层钙钛矿光伏组件的输出功率更高，因此可降低土地、光伏支架、电缆等的建设成本。以目前各类钙钛矿光伏技术路线中生产成本最低、最具商业潜力的3层介观结构钙钛矿光伏组件为例，按照2020年7月的物价对此类光伏组件的单位面积生产成本进行测算，测算结果如表1所示。

从表1可以看出：3层介观结构钙钛矿光伏组件的单位面积生产成本为121.06元/m2。其中，光伏组件的单位面积封装成本为86.50元/m2，占其单位面积生产成本的71.50%；太阳电池的单位面积印刷成本为21.64元/m2，占其单位面积生产成本的17.90%。而封装成本中，FTO玻璃成本占总封装成本的48.6%。因此，若想实现此类光伏组件的产业化，那么需提升产业链中FTO玻璃的产能，当FTO玻璃成本下降，则钙钛矿光伏组件的生产成本有望进一步下降。

表1 3层介观结构钙钛矿光伏组件的单位面积生产成本测算Table 1 Calculation of production cost per unit area of three-layer mesostructured perovskite PV modules

3 钙钛矿光伏组件应用在集中式光伏电站的经济性分析

以位于贵州省关岭布依族苗族自治县的某集中式光伏电站为例，在该光伏电站分别使用单晶硅光伏组件和钙钛矿光伏组件的情况下，对其建造成本和内部收益率进行模拟分析，从而对比这2种光伏组件的经济效益。

3.1 太阳能资源分析

总太阳辐照量Q的气候学计算式为：

式中：Q0为水平面天文辐照量；S为日照百分率；ag、bg均为经验系数。

在推算年总太阳辐照量时，多是以季节(月)的实测太阳辐照量数据与日照百分率等常规气象数据来拟合得到经验系数，从而计算得到理论年总太阳辐照量。根据本光伏电站所在地附近的4个气象站(兴仁站、水城站、威宁站、紫云站)在2011年1月至2016年2月期间观测得到的各月太阳辐照量数据与日照时数数据，分别计算得到各月的太阳辐照百分率(即Q/Q0)和日照百分率，为分析这二者之间的关系，将相应数据绘制到坐标系中，具体如图2所示。

图2 太阳辐照百分率和日照百分率之间的关系Fig. 2 Relationship between solar irradiance percentage and insolation percentage

从图2可以看出：各月的太阳辐照百分率和日照百分率具有较好的线性关系，且Q/Q0=0.6259S+0.1639，R2=0.80。结合式(1)，可得到经验系数ag、bg分别为0.1639和0.6259。在此基础上可得到本光伏电站所在地的年总太阳辐照量。

根据本光伏电站所在地多年内各月太阳辐照量数据，求平均值后可得到各月太阳辐照量均值，具体如表2所示。

从表2可以看出：本光伏电站所在地的全年总太阳辐照量为4263.1 MJ/m2。

3.2 建设成本分析

光伏电站的建设成本主要由光伏组件、逆变器、汇流箱、箱变、电缆、光伏支架、土地使用及土建安装等费用构成。其中，电缆、光伏支架及土地使用等费用与所采用光伏组件的光电转换效率呈反比关系。本文对光伏电站分别采用单晶硅光伏组件和钙钛矿光伏组件时的单位建设成本进行了测算，测算结果分别如表3、表4所示。

从表3、表4可以看出：采用单晶硅光伏组件时，光伏电站的单位建设成本约为3.33元/W；采用钙钛矿光伏组件时，光伏电站的单位建设成本约为3.12元/W。

表2 本光伏电站所在地的各月太阳辐照量均值Table 2 Monthly average solar irradiance at the location of PV power station

表3 光伏电站采用单晶硅光伏组件时的单位建设成本Table 3 Unit construction cost of PV power station using mono-Si PV modules

表4 光伏电站采用钙钛矿光伏组件时的单位建设成本Table 4 Unit construction cost of PV power station using perovskite PV modules

若该光伏电站以系统效率为84%，上网电价为0.3515元/kWh，光伏组件首年功率衰减为2.5%、之后每年衰减0.7%作为边界条件，分别计算采用2种光伏组件时光伏电站25年的资本金内部收益率，结果显示：该光伏电站采用单晶硅光伏组件时25年的资本金内部收益率为8.21%，采用钙钛矿光伏组件时25年的资本金内部收益率为9.33%。但考虑到钙钛矿光伏组件的光电转换效率提升迅速，且拥有较大的

(续表)

成本下降空间，因此，对钙钛矿光伏组件技术发展到不同阶段时对应的25年资本金内部收益率分别进行测算，测算结果如表5所示。

表5 不同单位面积生产成本和光电转换效率的钙钛矿光伏组件对应的25年资本金内部收益率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

从表5可以看出：当钙钛矿光伏组件的单位面积生产成本能低至100元/m2且光电转换效率达到22%时，该光伏电站的25年资本金内部收益率可达到19.97%。

4 结论

本文对钙钛矿光伏组件在集中式光伏电站中的应用前景进行了分析，钙钛矿光伏技术是新能源领域的革命性技术，此类光伏产品的光电转换效率提升和成本下降空间均巨大，是未来光伏发电领域提质增效的重要手段之一。以当前的技术水平，虽然钙钛矿太阳电池的稳定性尚待验证，但考虑到其生产成本，其已在部分区域具备了实际应用的可能性；并且在经济性测算中，若钙钛矿光伏组件的单位面积生产成本能低至100元/m2且光电转换效率达到22%时，光伏电站的25年资本金内部收益率可达到19.97%，有望在未来逐步完成对晶体硅光伏组件的替代，降低光伏发电的度电成本。