北京理工陈棋Joule：钙钛矿叠层光伏技术成本分析

【前言】

随着光伏技术的迅速发展，杂化卤化物钙钛矿成为最有希望的新一代光伏材料。单节钙钛矿光伏电池技术得到了迅猛发展的同时，学术界和业界也在热烈探讨钙钛矿叠层技术。其中，成本是任何产品实现产业化必须考虑的因素。平准化度电成本（LCOE）代表了发电实体在系统寿命周期内单位发电量所消耗的成本，是决定发电技术能否商业化的成本估算标准。针对单结钙钛矿电池，不同研究者们基于不同假设，得到了不同的LCOE预测1-3,，且存在较大差异。而钙钛矿叠层技术，尽管存在商业化的可能性，但是目前尚未有详细的LCOE测算。

【成果简介】

5月24日，Joule在线发表题为“钙钛矿叠层光伏技术成本分析”（Cost Analysis of Perovskite Tandem Photovoltaics）的研究论文，通讯作者为北京理工大学陈棋教授和北京大学周欢萍教授。

【本文亮点】

基于晶硅电池和单结钙钛矿电池分析，详细推测了钙钛矿/晶硅叠层电池和钙钛矿/钙钛矿叠层电池的成本，分析了多个关于太阳能电池成本的影响因素，提出了“LCOE下降率”的概念，可以用于判断某个因素是否还具备降低系统成本的能力。

【全文解析】

图1.太阳能电池器件示意图。（A）为PERC多晶硅电池材料组成；（B）为单结钙钛矿电池材料组成；（C）为钙钛矿/晶硅叠层电池材料组成；（D）为钙钛矿/钙钛矿叠层电池材料组成。

四种太阳能电池（PERC多晶硅电池、单结钙钛矿电池、钙钛矿/晶硅叠层电池、钙钛矿/钙钛矿叠层电池）的器件效率分别设定为21%、19%、25%和23%，系统寿命统一假设为20年。

图2.各器件平准化度电成本及组成。（A）为四种器件的LCOE（美分/千瓦时）；（B-E）为四种器件的LCOE组成细分。

在假设前提下，基于LCOE计算的数学模型和现有数据，四个器件的LCOE分别为：5.50美分/千瓦时、4.34美分/千瓦时、5.22美分/千瓦时、4.22美分/千瓦时。通过钙钛矿叠层技术的应用，器件的度电成本都有所下降。

图3.各器件成本组成及材料替换的影响。（A）为四种器件的器件成本组成细分（美元/平方米）；（B）为针对B、C器件，材料替换对于其器件成本和LCOE的影响。

基于现有数据，四个器件的器件成本分别为：89.59美元/平方米、32.69美元/平方米、121.18美元/平方米、45.23美元/平方米，其中材料成本占整体器件成本的主要部分。通过对于器件中部分材料进行替换，器件的器件成本和LCOE存在对应变化。

图4.材料成本、设备成本与平准化度电成本的关系。（A）为四种器件的材料成本（美元/平方米）和其LCOE关系（美分/千瓦时）；（B）为四种器件的设备成本（美元/平方米）和其LCOE关系（美分/千瓦时）。

材料成本和设备成本均与各器件系统的平准化度电成本呈线性关系。其中，材料成本对于平准化度电成本的影响较大，而设备成本的变化几乎不影响系统的平准化度电成本。

图5.系统寿命、光电转化效率与平准化度电成本的关系。（A）为四种器件的系统寿命（年）和其LCOE关系（美分/千瓦时）；（B）为四种器件的光电转化效率（%）和其LCOE关系（美分/千瓦时）

系统寿命和光电转化效率均与各器件系统的LCOE呈反比例关系。同时，系统寿命和光电转化效率均对系统LCOE具有很大影响。

。

图6.系统寿命、光电转化效率的“平准化度电成本下降率”。（A）为四种器件系统寿命的LCOE下降率（美分/千瓦时/年）；（B）为四种器件的光电转化效率的LCOE下降率（美分/千瓦时/%）。

通过将系统寿命、光电转化效率与LCOE的关系进行求导，可以用于判断系统寿命、光电转化效率是否还具备降低系统成本的能力。

【展望】

这项工作比较了四个有代表性的光伏组件。在特定的假设下，研究发现后三者均具备商业化的潜能和成本竞争力。通过计算发现，钙钛矿光伏组件的材料成本要低于多晶硅光伏组件，使得单结和多结钙钛矿光伏组件的整体度电成本得以降低。除此之外，工作讨论了器件效率、系统寿命和LCOE的LCOE的反比例关系，并在此基础上首次提出了LCOE下降率（LCOE decrease rate）的概念来指导和规划钙钛矿光伏和叠层钙钛矿太阳能电池的技术发展路线。本文从商业化的角度为钙钛矿太阳能电池领域的发展方向提供了参考。

Zongqi Li, Yingzhi Zhao, Xi Wang, Yuchao Sun, Zhiguo Zhao, Yujing Li, Huanping Zhou, Qi Chen, Cost Analysis of Perovskite Tandem Photovoltaics, Joule, 2018, DOI:10.1016/j.joule.2018.05.001

陈棋教授课题组简介：

陈棋，2005年本科毕业于清华大学化工系，2007年硕士毕业于清华大学化学系，2012年博士毕业于加州大学洛杉矶分校(UCLA)材料科学与工程系，随后以博士后身份在UCLA加州纳米研究中心从事薄膜太阳能电池研究工作。2016年受聘北京理工大学教授，同年入选中组部“青年千人”计划。迄今发表论文50余篇，引用超过10000次。包括Science、Nature Communications、Journal of American Chemical Society、Nano Letters、Advanced Materials等，单篇他引超过2000次。

课题组主要从事有机无机杂化及复合材料的开发与应用研究，材料广泛应用于能源、光电等领域，具体包括太阳能电池、光电催化、传感器、探测器等各类新型光电功能化器件。课题组目前着力研究钙钛矿光伏技术产业化的相关科学和技术问题。

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