钙钛矿太阳能电池的模块设计与成本分析

太阳能电池是解决人类能源危机最具潜力的科技之一。近年来,得益于中国大规模制造技术的进步和成本的不断降低,硅太阳电池产业得到了蓬勃发展。但是,硅太阳能电池仍然存在制备工艺复杂、成本较高等问题, 因此, 科学家仍在寻找成本低廉、制备工艺简单的新型太阳能电池。在新型太阳能电池中,钙钛矿太阳能电池以其迅速翻新的效率和简单的制备工艺掀开了薄膜太阳能电池的新篇章。据NREL最新发布的太阳能电池效率图显示,钙钛矿太阳能电池的验证效率达到了22.1%,被称为可以与硅电池相媲美的光伏新星。虽然钙钛矿电池具有原材料丰富、制备工艺简单等诸多优点,但是否能打破价格瓶颈成为未来的能源主力军还尚未可知,而且至今仍然缺乏细致的成本分析,包括具体的钙钛矿电池模块的生产价格和发电成本。

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凭借多年在太阳能电池领域的研究经验,上海交通大学韩礼元教授及其研发团队设计了两种钙钛矿电池模块构造和相关制造工艺, 并计算了这两种模块的生产成本和发电成本。结果表明钙钛矿电池模块的发电成本完全可能低于传统石化能源成本,并指出了实现模块低成本的关键要素。相关研究论文发表在Advanced Science上(Cost-Performance Analysis of Perovskite Solar Modules. Adv. Sci., 1600269. doi:10.1002/advs.201600269)。

该研究论文首先设计了两种典型的钙钛矿电池模块:一种基于相对较低电池效率、低投资成本、低精度制备工艺的模块,一种基于高电池效率、高精度制备工艺的模块。通过对这两种模块的材料费用、设备投资费用、人力场地水电等其他费用的计算以及设备折旧的预估,钙钛矿电池的模块生产成本仅为商业化硅太阳能电池模块的三分之一。该文深入探讨了电池的效率和稳定性对模块应用前景的影响,发现高电池效率、高精度制备工艺的模块虽然需要较高投资成本,但是其电池模块的生产成本更具有优势。相对于降低生产成本,提高光电转换效率和电池组件的寿命是有效降低发电成本的主要因素。该研究结论指出,在电池组件效率达到12%、寿命15年的情况下,钙钛矿电池的发电成本将低于传统能源发电成本!

这一研究从模块设计、制作工艺以及生产应用等方面对钙钛矿的成本做出科学评估,勾勒出钙钛矿电池作为未来能源的美好蓝图,对钙钛矿电池的未来发展具有指导性意义。