这一“成名”之旅始终伴随着钙钛矿技术上限的不断突破和工业化的逐步登陆

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上海证券报

位于浙江衢州的全球首款钙钛矿商用组件α示范电站 郭晨凯 制图

钙钛矿,一个有点尴尬的名字,将在2022年在资本市场出名。

8月18日,科技部等9个部门发布了《碳峰和碳中和科技支持实施方案》,提出开发高效硅基光伏电池、高效稳定钙钛矿电池等技术,再次将钙钛矿新技术推向聚光灯下。

与字面意义不同,钙钛矿作为光伏材料实际上是指具有类似于钙钛矿的晶体结构的一大类化合物。由于其高理论效率和低预期成本,它被认为是下一代光伏路线可能选择的“最终答案”。

花了10年时间完成了半个世纪的晶体硅开发。2013年,美国科学杂志将钙钛矿评为年度十大科学突破之一。在当时仍由晶体硅“主导”的光伏领域,钙钛矿也在实验室证明了其在光电效应方面的巨大潜力。

从“无人”到“明日之星”,钙钛矿的转换效率也从最初的3.8%跃升到钙钛矿堆叠电池的31.3%的最新理论数据。这一“成名”之旅始终伴随着钙钛矿技术上限的不断突破和工业化的逐步登陆。

与此同时,越来越多的“导光器”在“降低成本、提高效率”的指导下进入轨道。龙基、竞科、天河、凯辉、宁德、腾讯等行业领袖、风险投资基金和产业资本都已布局钙钛矿,以抢占未来技术。

资本市场“春江水暖”

春江是暖鸭的先知。与二级市场相比,一级市场更早地嗅到了未来技术的进步。

在不到十年的时间里,钙钛矿在过去40到50年中完成了晶体硅的发展

“获得钙钛矿的人必须提高自己的声音。”这对于2022年的资本市场来说并不夸张。截至8月18日,“钙钛矿电池”指数上涨了24.30%,表现优于市场。景山轻机械、金晶科技、杭萧钢结构等概念股继续上涨。自8月以来,包括协鑫集成、特变电工和瑞泰新材料在内的十多家上市公司在互动平台上被问及是否参与钙钛矿业务。

首先在大规模生产道路上采取实际步骤的企业应该是仙纳光电和协鑫光电。7月28日,fiberoptic宣布首批5000件α-该模块的最大功率为130W,尺寸为1.245mx0.635m。送至浙江工商分布式钙钛矿电站,率先实现钙钛矿光伏应用。

“专注于”层状钙钛矿模块的仁硕太阳能已成为在这一技术路线上走得最远的公司。顾名思义,“堆叠钙钛矿”意味着两层钙钛矿堆叠在一起,以最大化模块的效率。与此同时,天合光能正在开发晶体硅上的钙钛矿,而更多制造商开发的项目仍侧重于单结。

此外,一些新能源领头羊的a股也出售了钙钛矿。例如,宁德时报董事长曾玉群在最近的业绩会议上表示:“该公司的钙钛矿电池研究进展非常顺利,正在建设一条试验线。”

“开放场”的应用

如果我们说较高的转换效率上限是钙钛矿进入光伏领域的立足点;应用领域的更多可能性是钙钛矿技术以打开市场。

钙钛矿材料自进入太阳能电池领域以来,一直关注着晶体硅转换效率的“天花板”,开启了一场“效率革命”。

在过去很长一段时间里,晶体硅光伏电池一直是成本和效率优异的组合。同时,将天然矿物转化为太阳能的效率也受到限制。29.43%的理论极限值已成为晶体硅材料的障碍。事实上,自2017年以来,晶体硅的实验室效率一直“停滞”在26.7%,没有取得新的突破。

与此形成鲜明对比的是,钙钛矿已经走出了“最陡峭的增长曲线”。2009年,日本科学家首次使用钙钛矿光伏电池发电。当时,其功率转换效率仅为3.8%。仅在过去13年中,钙钛矿电池的实验室效率就基本达到了60多年来晶体硅发展所达到的水平,达到了25.7%。此外,钙钛矿电池的理论效率单层为33%,双层为45%,具有比晶体硅更高的促进空间。

该工艺特性还为钙钛矿电池提供了更丰富的应用场景。钙钛矿材料不仅可以印刷在玻璃表面以制备玻璃基太阳能电池,还可以印刷在其他材料上,例如薄而软的塑料或窗帘表面。具有大规模弯曲能力的电池还可以将其应用场景扩展到我们的个人电子设备、家用电器智能设备和光伏建筑集成。

严布依自豪地说:“钙钛矿还可以制成彩色和半透明薄膜,以实现不同的色彩效果。这些是晶体硅材料无法进入的新领域。”

对于钙钛矿技术的未来,钻石玻璃总经理严春来也表示乐观,建议将玻璃的光能值应用于玻璃的应用领域,即BIPV+btpv。

产业链已准备好发展

作为关键环节,涂层和PVD已成为设备制造商的“必争之地”。传统设备制造商也做出了努力。

在提高效率的同时,降低成本是关键。说到这一点,专注于钙钛矿投资的中彩鼎盛合伙人非常激动。他站起来,在白板上写道:“硅材料厂-高,硅晶圆厂-高、电池厂-高。晶体硅光伏的每个生产环节都是高能耗的!”然后,他在链接和下面的方框上画了一条对角线。一支箭进一支箭出。“钙钛矿,这就是过程!”

在具体的制备过程中,首先在实验室的瓶和罐中合成钙钛矿溶液,然后送至生产线;正极玻璃自动清洗后,进行第一次真空镀膜和激光划线;涂覆钙钛矿后,结晶,然后用激光雕刻第二凹槽,实现串联连接;在电极被真空电镀之后,开始第三激光划线;第四次激光边缘清洁后,安装背板并加热玻璃和上述材料之间的粘合膜。

由钙钛矿和夹在它们之间的电极组成的前后玻璃组件诞生了。显然,钙钛矿“电池作为模块”模式大大简化了其生产过程。涂层和PVD技术的应用也使钙钛矿太阳能电池的生产和制造更接近面板行业。

作为关键环节,涂层和PVD已成为设备制造商的“必争之地”。该领域的领先公司上海涂料公司最近宣布,该公司开发的用于制造大面积钙钛矿型太阳能电池板的核心涂料设备系统已成功验收。该系统可直接成为德国、日本和韩国世界领先的狭缝涂布设备的基准。

传统设备制造商也做出了努力。许多设备和工艺已进入验证阶段,或已启动试生产线以接受小订单。例如,迈威主要专注于钙钛矿层的印刷和真空镀膜,并提供了相关的定制激光设备。景山光电机械的子公司盛成光电选择与协鑫光电合作,建设电池和模块生产线。此外,东方日升、通威、精科能源、中来等光伏“内部人士”也开始大力开展设备自研、设备改造和技术验证。

工业化道路漫长

当钙钛矿进入更广阔的市场时,它仍然需要跨越从实验室到生产线的“鸿沟”。

从产能投资角度来看,1GW晶体硅太阳能电池需要近10亿元的投资规模,而业内预测成熟期钙钛矿的成本仅为其一半。在原料方面,钙钛矿原料比较普遍,没有瓶颈,消耗低;在纯度要求方面,硅材料的纯度需要达到99.9999%以上,而钙钛矿仅需要95%即可满足使用要求;在能耗方面,单晶模块的每瓦能耗约为1.52kwh,而钙钛矿模块的能耗仅为0.12kwh

然而,即使钙钛矿是“优秀的”,它仍然需要跨越从实验室到生产线的“鸿沟”,进入更广阔的市场。

这并不是说获得好的设备可以保证生产好的电池。钙钛矿溶液的比例和设备调试的细节不仅是每家公司的“秘钥”,也是业界的共同话题。由于技术开发时间短,工艺不如晶体硅成熟,而且没有现成的钙钛矿生产线设计模板,初创公司需要“从0到1摸摸石头”过河。

如何在设备表面均匀地涂覆钙钛矿层,如何突破钙钛矿易氧化、耐高温、衰减率高、使用寿命短等技术瓶颈,“这一过程决不会一蹴而就。严布依对这个问题的解决办法是“一次又一次地尝试”。我们不断引入高性能界面改性材料,以提高商用钙钛矿模块的效率和稳定性。"

此外,缺乏行业标准也是钙钛矿工业发展中需要解决的问题之一。“晶体硅的内部系统明显不同于钙钛矿,因此我们不能简单地用晶体硅的标准测试钙钛矿。如果没有标准,我们如何知道如何应用它 ”仁硕太阳能执行官表示。范斌认为,业内存在争议。目前,通常的做法是遵循IEC 61215晶体硅标准。


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