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天天微資訊！穿越“無人區(qū)” 鈣鈦礦太陽能電池量產(chǎn)路徑愈明

2023-05-17 08:55:27來源：上海證券報  

協(xié)鑫光電陳列室的標準鈣鈦礦組件


【資料圖】

協(xié)鑫光電廠區(qū)后方的小型示范電站

可以做成各種顏色的鈣鈦礦材料

身為昆山協(xié)鑫光電材料有限公司的CEO，范斌從10年前開始琢磨一個問題：如何讓一種以鈣鈦礦為原料的薄膜太陽能電池實現(xiàn)量產(chǎn)？

對全球光伏行業(yè)來說，這是一片還沒有人成功穿越過的“無人區(qū)”，而放眼人類能源利用的歷史長河，這項技術潛力巨大。一旦成功，這項具有更高轉(zhuǎn)換效率和更低生產(chǎn)成本的“黑科技”，不僅將顛覆當前以晶硅路線為主體的整個光伏市場格局，更會大大加速全球的碳達峰碳中和進程。

日前，上海證券報記者在協(xié)鑫光電昆山廠區(qū)見到了范斌。他穿著黑色短袖T恤和牛仔褲，走到哪手里都拿著一個平板電腦，說話語速很快、思維跳躍，且喜歡不斷變換坐姿——比起職業(yè)經(jīng)理人，他更像一位天馬行空的極客工程師。

也正因不喜墨守成規(guī)，范斌帶領協(xié)鑫光電在這片“無人區(qū)”逢山開路，遇水疊橋。他們和其他幾家國內(nèi)鈣鈦礦企業(yè)一起成為行業(yè)的“領跑者”，一步步走出一條鈣鈦礦電池的量產(chǎn)之路。

鈣鈦礦的前世今生

在協(xié)鑫光電昆山廠區(qū)的后方，有一大片雜草叢生的空地，地上橫列著四排太陽能組件，構成一座迷你光伏電站。但和普通電站有所不同的是，這些組件中有不少都沒用鋁框封裝，外觀形狀、尺寸大小也不盡一致。

其中，第二排組件上覆蓋了一片片深藍色的電池片，是最常見的單晶硅電池；第三排組件顏色更深，近乎黑色，仔細看上面密布著垂直的細條紋，是一種碲化鎘薄膜電池；第一排和第四排組件上的電池則形如半透明的茶色玻璃，正是記者此次探訪的主角——鈣鈦礦薄膜電池。

“這是我們用來對比測試發(fā)電效率的一個小型示范電站。通過將早期的實驗室小尺寸鈣鈦礦電池和最新研發(fā)的大尺寸鈣鈦礦電池，以及晶硅、碲化鎘電池放置在同一塊場地上，在緯度、光照等完全一樣的條件下對比它們發(fā)電效率的差異。”協(xié)鑫光電市場總監(jiān)王如君對記者說。

記者注意到，第一排組件上的鈣鈦礦電池大小不一，最小的僅30厘米×30厘米，稍大一點的是65厘米×45厘米，最大的則是1米×2米的商用尺寸。這些由小到大排列的電池片，仿佛濃縮了范斌和協(xié)鑫光電研發(fā)鈣鈦礦電池技術的篳路藍縷。

2021年9月，協(xié)鑫光電建成全球首條100兆瓦鈣鈦礦組件中試線，尺寸正是1米×2米。

“晶硅技術方面已經(jīng)有一條現(xiàn)成的路可以走了，只要稍微做些修改，改得不行還可以回來。而鈣鈦礦是在‘無人區(qū)’，前面的路通不通，要靠我們自己走出來。”范斌對記者說。

鈣鈦礦被視為“無人區(qū)”，是因為其技術原理和傳統(tǒng)的晶硅技術路線全然不同。

作為一種ABX3結(jié)構的化合物，鈣鈦礦的前身還要追溯到近200年前。

1839年的一天，俄羅斯礦物學家古斯塔夫·羅斯在烏拉爾山脈發(fā)現(xiàn)一種具有特殊晶體結(jié)構的鈣和鈦氧化物，遂以俄羅斯地質(zhì)學家列夫·佩羅夫斯基（Lev Perovski）的名字命名。這也是鈣鈦礦英文名稱Perovskite的由來。

2009年，日本科學家宮坂勉率先在染料敏化太陽能電池中使用鈣鈦礦作為光吸收材料，這種礦物開始在太陽能發(fā)電領域嶄露頭角。令業(yè)界稱奇的是，這種材料的效率提升速度非常之快——2009年時，用鈣鈦礦制造的太陽能電池僅有3.8%的轉(zhuǎn)換率，到了2014年，這一數(shù)字已提升到19.3%，2023年更是提升到29%。作為對比，晶硅類電池完成這一進程花了40年以上。

過去兩年，這種效率的提升非常驚人。

2022年6月，中國科學技術大學宣布，徐集賢教授團隊在鈣鈦礦太陽電池方面獲得重要進展，創(chuàng)造了大面積單結(jié)鈣鈦礦電池穩(wěn)態(tài)認證效率的世界紀錄——23.7%，被世界紀錄權威排行榜——馬丁格林效率表的主表收錄。

同月，仁爍光能全鈣鈦礦疊層電池穩(wěn)態(tài)光電轉(zhuǎn)換效率達到28%。半年后，該技術指標又提升至29%。

2023年3月初，極電光能研發(fā)的809.8平方厘米大尺寸鈣鈦礦光伏組件轉(zhuǎn)換效率達到19.9%，創(chuàng)下業(yè)內(nèi)大尺寸鈣鈦礦組件轉(zhuǎn)換效率紀錄。

2023年4月2日，隆基綠能“29.55%的鈣鈦礦/晶體硅兩端疊層太陽電池效率”被中國可再生能源學會光伏專委會推選為2022年太陽能電池中國最高效率。

“2017年晶硅電池的實驗室轉(zhuǎn)換效率是26.7%，到2022年提高到26.8%，5年僅提高了0.1個百分點。再看晶硅組件，目前主流的PERC組件轉(zhuǎn)換效率在21%左右，如果用異質(zhì)結(jié)這樣最好的電池或許能做出23%以上的效率，已經(jīng)是市場上能買到的最好的晶硅組件了。但對鈣鈦礦來說，單結(jié)電池效率的理論上限就是33%，疊層電池的理論上限達到43%至45%。至于單結(jié)組件的效率，從長遠看應該能做到25%至26%這樣的水平。未來，如果說能出現(xiàn)30%以上效率的組件，那必然是鈣鈦礦與某種材料的疊層，單靠晶硅估計很難做到。”范斌說。

他向記者透露，協(xié)鑫光電的鈣鈦礦組件中試線效率已過16%，目標是今年底達到18%，“上周，我們開了一個過16%的慶祝會，效率在一個點一個點地往上爬。”

更高的效率，更低的成本

一方面是效率的“天花板”大幅抬高，另一方面則是制造成本大幅降低。

由于和晶硅路線的制造工藝完全不同，鈣鈦礦電池可由普通工業(yè)化學品和金屬廉價制造，并可印刷在塑料柔性膜上大量生產(chǎn)。晶硅電池則先要通過昂貴的高溫工藝制成純度相當高的硅棒并切成硅片，才能制成。

與此同時，鈣鈦礦對缺陷的耐受性很高。它可溶解在溶劑中，并在接近室溫的條件下印刷。這意味著，理論上鈣鈦礦電池的成本只有晶硅電池的一半甚至更低。

“如果實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，鈣鈦礦電池的成本應該可做到晶硅電池的一半左右，且能耗大幅下降，大概只有晶硅的十分之一。”南京大學光伏專家譚海仁教授對記者說。

但譚海仁認為，鈣鈦礦電池要取代晶硅電池可能還要3至5年時間，一方面是產(chǎn)能要上來，另一方面是組件效率要做到和晶硅差不多甚至更高。

“鈣鈦礦的制造成本會顯著低于晶硅。以效率18%左右的鈣鈦礦電池為例，其成本會比晶硅電池低30%左右，這在主流應用場景上已有一定優(yōu)勢。”范斌說。

范斌表示，成本顯著下降后，太陽能產(chǎn)品會受到中國、印度等低BOS（除光伏組件外的系統(tǒng)成本）地區(qū)的歡迎。在這類地區(qū)，組件的成本下降會對總體成本起到較大影響，單結(jié)的鈣鈦礦電池應該有很大幾率取代晶硅。在歐美等高BOS地區(qū)，鈣鈦礦和晶硅疊層會更受歡迎。

“當然，隨著社會的發(fā)展，最終大家的BOS都會提高。也就是說，提升效率才是根本。”范斌說。

在范斌看來，鈣鈦礦是一種通用型產(chǎn)品，未來會成為市場的絕對主流。“我們不需要為它設計什么特別的應用場景，晶硅能用的地方它都能用，晶硅不能用的地方它也能用。”

“總體而言，晶硅的前景已經(jīng)一覽無遺了。如果要進一步提升整個光伏體系的效率，面前的選擇只有鈣鈦礦。這也是為什么產(chǎn)業(yè)界和投資界現(xiàn)在都看好鈣鈦礦。”范斌說。

神秘的產(chǎn)線

誘人的產(chǎn)業(yè)前景，廣闊的應用空間，加上趨之若鶩的資本，令鈣鈦礦這片“無人區(qū)”不乏闖蕩者。但這些闖蕩者對各自采用的工藝、購置的設備往往秘而不宣。

記者在協(xié)鑫光電中試線車間外看到，車間的所有窗戶都被簾布遮擋得嚴嚴實實，僅可從墻上掛著的簡介了解相關設備的名稱和用途，包括：用于在透明導電玻璃上刻線的激光機、用于電池緩沖層和背電極層制作的鍍膜機、用于透明導電玻璃基底和背板玻璃清洗的清洗機等。

之后，記者來到已投產(chǎn)150兆瓦鈣鈦礦組件中試線并啟動全球首條吉瓦級鈣鈦礦量產(chǎn)線建設的無錫企業(yè)——極電光能。在被要求在手機攝像頭上貼上“禁止拍照”的貼紙并承諾全程不拿出手機后，記者終于得以參觀這座神秘的中試線車間。

這條2022年12月正式投產(chǎn)的產(chǎn)線主要分為前道的鍍膜和后道的測試封裝兩個車間。透過鍍膜工藝車間的窗口，只見一條綠色的流水線緩緩滾過一臺白色設備，線上鋪著一塊塊導電玻璃。經(jīng)過設備內(nèi)部時，幾根激光探頭帶動著光斑在玻璃上時而來回挪移，時而上下起落。

“這是一臺激光劃刻的設備。”極電光能一位工作人員介紹，和晶硅光伏的生產(chǎn)流程不同，整個鈣鈦礦的產(chǎn)業(yè)鏈很短，只有12道工序。其中，在鍍膜工藝車間的最前部會先進行玻璃的磨邊和清洗。在獲得潔凈的FTO導電玻璃后，通過傳輸線將之運到這臺設備上進行第一道激光劃刻——用激光在玻璃上劃成若干個主電池的區(qū)域。完成后再進入后道的PVD設備進行第一層的電荷傳輸層制備。

這一步完成后就是關鍵的鈣鈦礦層的制備。該工作人員表示，極電光能的鈣鈦礦制備使用獨創(chuàng)的原位固膜兩部法，相關設備位于產(chǎn)線的最深處。用該法制備的鈣鈦礦膜層整體性能更好，成膜質(zhì)量也更高。

記者順著該工作人員指的方向望去，只能看到兩臺大型設備的輪廓。原來，從參觀走道能看到的只是最外部的幾臺設備，真正的關鍵設備仍“藏在深閨”。這個看起來并不大的車間其實內(nèi)部很深，整個車間的占地面積有足足8000平方米。

“我們整個產(chǎn)線是往里布局的，所以比較深，有100多米，主要設備很多都在最深處，是大家看不見的。”該工作人員說。

據(jù)介紹，這條產(chǎn)線整體呈U形，目前能看到的主要是PVD設備、兩臺激光劃刻設備和一臺激光清邊機，后者利用激光技術清除掉電池邊緣的沉積膜。激光清邊結(jié)束后，整個前道的鍍膜工藝就全部結(jié)束，相當于電池片生產(chǎn)的環(huán)節(jié)到此為止。隨后，通過綠色的傳輸線，電池被輸送到后道的測試和封裝車間。

再經(jīng)過多道在線檢測、剔除一些不良品后，電池將進行最后的封裝。

亟待攻克的難題

對鈣鈦礦產(chǎn)線、設備和工藝流程的保密工作如此煞費苦心，原因在于，在這片“無人區(qū)”闖蕩的玩家需要攻克無數(shù)難題，也或多或少掌握一些專利。這些專利是他們甩開競爭對手、率先穿越“無人區(qū)”的秘訣。

“鈣鈦礦制備有個最特殊的點是結(jié)晶，溶液涂上去后，溶劑揮發(fā)掉，晶體長出來。舉個例子，潑了杯咖啡在桌上，咖啡干掉后形成的不會是鏡面，一定是一圈一圈的印記，但你看我們的鈣鈦礦層涂上去后卻要長成鏡面。用電子顯微鏡看，它是一顆顆晶體很致密地拼接在一起。如何控制晶體的生長，可以說是鈣鈦礦工藝最大的難點，也是最有特色的地方。”范斌對記者說。

但這只是一方面。范斌表示，還有很多因素如界面控制、激光加工精度等，都會給鈣鈦礦電池研發(fā)帶來挑戰(zhàn)。

極電光能研發(fā)專家王良樂告訴記者，大面積鈣鈦礦材料的成膜是一個比較特殊的工藝。和其他材料的成膜不同，它是用一種鈣鈦礦前驅(qū)體溶液先在基板上涂開形成均勻平整的濕膜，再進行加熱退火處理，使其中的溶劑揮發(fā)，溶質(zhì)反應成核再結(jié)晶的一個過程。這個窗口期非常短，所以對成膜工藝的把控非常嚴格。

“就鈣鈦礦量產(chǎn)來說，目前狹縫涂布和蒸鍍機這兩個設備還不夠成熟，預計還要1到2年才能真正放量。”蘇州方昇光電裝備事業(yè)部研發(fā)總監(jiān)祝曉釗告訴記者，大面積鈣鈦礦電池鈣鈦礦層狹縫涂布成膜工藝難，是因為在大氣環(huán)境沉積鈣鈦礦層，成膜過程受環(huán)境中的濕度、溫度、灰塵影響大，缺陷多。同時，干法濕法混合制程切換繁瑣，增加了從大氣到真空的過渡腔室設備成本。

譚海仁表示，鈣鈦礦電池研發(fā)最主要的瓶頸還是涂布設備和激光劃線設備。一方面是產(chǎn)能要擴大，另一方面是設備本身的性能和良品率也要提升，“隨著時間的投入、工程經(jīng)驗的積累，這兩個問題還是容易解決的”。

不斷涌入的資本

隨著研發(fā)進展加快，資本市場自2021年起也掀起了一輪鈣鈦礦投資熱潮。

2021年8月，高瓴氣候變化團隊投資了鈣鈦礦研發(fā)廠商曜能科技；2022年5月，協(xié)鑫光電完成數(shù)億元人民幣B輪融資，由騰訊創(chuàng)投領投；2022年10月，纖納光電完成D輪融資；2023年3月，極電光能完成數(shù)億元A輪融資……

“我們?nèi)ツ暌炎鐾暌惠喨谫Y，現(xiàn)在在做第二輪。”譚海仁對記者說。他的另一重身份是仁爍光能董事長。

這家初創(chuàng)的新型鈣鈦礦太陽能電池研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)，目前正在建設一條150兆瓦的中試線，預計今年底投產(chǎn)。

“這條中試線的第一步還是做單結(jié)鈣鈦礦，等單結(jié)工藝跑通后，再去做雙結(jié)。正常來說，我們希望疊層工藝在產(chǎn)線升級后達到22%以上的組件效率，這樣就可以與晶硅競爭。”譚海仁說。

數(shù)據(jù)顯示，僅2021年至2022年，鈣鈦礦領域投資額就高達近百億元。

其中，最引人矚目的莫過于全球最大的薄膜太陽能組件生產(chǎn)商——美國第一太陽能公司5月12日宣布3800萬美元收購歐洲鈣鈦礦技術領導廠家Evolar，戰(zhàn)略布局鈣鈦礦。該消息發(fā)布后，第一太陽能股價一天暴漲逾26%。

另用關鍵字檢索相關公告，2022年以來，公告涉及鈣鈦礦募集資金的A股上市公司達30家。

不僅是光伏企業(yè)，一些材料企業(yè)也開始轉(zhuǎn)向鈣鈦礦。近日，廣西東嵐新材料有限公司完成億元級A輪融資，其產(chǎn)品序列就包括鈣鈦礦材料。

量產(chǎn)之謎

不過，對于外界最為關注的鈣鈦礦太陽能電池量產(chǎn)時點，各方在接受記者采訪時觀點不一。

祝曉釗預計，鈣鈦礦電池的設備端成熟并放量還需要1到2年。

“現(xiàn)在大家還處在中試階段，只有到吉瓦級的生產(chǎn)才能叫大規(guī)模量產(chǎn)。我覺得可能還要2到3年時間。”譚海仁說，“一個工廠能連續(xù)量產(chǎn)，一年產(chǎn)量達到吉瓦水平，才能叫真正的吉瓦級。目前還不是很成熟，主要是設備端不夠成熟。”

范斌認為，在沒有實現(xiàn)18%的效率之前就去大規(guī)模放量沒有任何意義。現(xiàn)在還處在提升產(chǎn)品性能、做技術攻關的階段。

“因此，我們目前這條線的核心任務仍是解決工藝問題、爬效率。等效率爬到18%后，我們會逐漸把產(chǎn)能放開，最后實現(xiàn)滿產(chǎn)。一旦效率達到18%，至少在經(jīng)濟上已經(jīng)實現(xiàn)閉環(huán)，是一個可以真正用于盈利的產(chǎn)品，就看市場接不接受了。”范斌認為，18%的組件效率是量產(chǎn)起點，已能對標目前的碲化鎘組件。這也是為什么他選擇在示范電站放一排碲化鎘組件。

按照范斌的計劃，18%的鈣鈦礦組件效率將在今年底前實現(xiàn)。這意味著屆時量產(chǎn)大門有望真正打開。

“如果說效率卡在10%至14%這個區(qū)間時，我們還會對前途產(chǎn)生懷疑的話，那么當我們踩到16%這條效率線，后面的局面就越來越明朗。我們現(xiàn)在就處在這個階段——16%已經(jīng)踩實，最難的路已經(jīng)走過。后面可能還有很多挑戰(zhàn)，但我們越往前走，‘無人區(qū)’的路就越明晰。”范斌說。

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責任編輯：hnmd003

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