光伏“终极者”:钙钛矿强势崛起

2022-08-19 05:19:58 来源: 上海证券报
利好

  钙钛矿,这个有点拗口的名字在2022年的资本市场声名鹊起。

  8月18日,科技部等九部门印发《科技支撑碳达峰碳中和实施方案(2022―2030年)》,提出研发高效硅基光伏电池、高效稳定钙钛矿电池等技术,再次将钙钛矿这一新技术推至聚光灯下。

  “其实《‘十四五’能源领域科技创新规划》里已经有‘发展钙钛矿等先进光伏技术’这类的表述,对钙钛矿的共识去年底就有了。”钙钛矿电池企业协鑫光电董事长范斌告诉上海证券报记者。

  不同于字面意思,作为光伏材料的钙钛矿,实际是指与钙钛矿(CaTiO3)晶体结构类似的一大类化合物。因其更高的理论效率、更低的可期成本,而被视为下一代光伏路线可能选择的“终极答案”。

  以10年时间,走完晶硅半个世纪发展之路。当2013年美国《科学》杂志将钙钛矿评为年度十大科学突破,在彼时仍由晶硅完全“统治”的光伏世界中,钙钛矿还在实验室里力证自己在光电效应上的巨大潜力。

  而从“无名之辈”到“明日之星”,钙钛矿的转化效率也从最初的3.8%,跃升至如今钙钛矿-叠层电池31.3%的最新理论数据。这段“成名”之旅,始终伴随着钙钛矿技术上限的不断突破和产业化的逐步落地。

  与此同时,在这条以“降本增效”为导向的赛道上,越来越多“追光者”陆续入场。隆基、晶科、天合、凯辉、宁德、腾讯等一众行业龙头、创投基金和产业资本纷纷布局钙钛矿,抢滩未来技术。

  然而,技术日趋成熟、资本争相竞逐的搅动下,钙钛矿也面临着愈发急迫的商业化难题。稳定性、大尺寸的技术瓶颈怎么破?行业标准由谁制定、如何制定?产业链距离大规模爆发到底还有多远?谁会是最先“跑出来”的那匹“赛马”?一系列问题被摆在这个“光伏新星”的面前,而黎明前的“押注”亦考验着市场的洞见与定力。

  资本市场“春江水暖”

  春江水暖鸭先知。相较于二级市场“闻风而动”,一级市场则更早嗅到了未来技术的行进气息。

  “得钙钛矿者得‘涨声’。”此言之于2022年的资本市场毫不夸张。截至8月18日的一个月间,“钙钛矿电池”指数涨幅达24.30%,跑赢大盘。京山轻机000821)、金晶科技600586)、杭萧钢构600477)等概念股持续大涨。8月至今,就有协鑫集成002506)、特变电工600089)、瑞泰新材301238)等十余家上市公司在互动平台上被问及是否涉足钙钛矿业务。

  不过,一位深耕钙钛矿产业的创投机构合伙人告诉记者,国内目前主要的钙钛矿链上的优势企业大多还没上市,比如纤纳光电、协鑫光电、仁烁光能、极电光能、万度光能、华能新能源等,各家中试线计划基本集中在今明两年安装完成,规模都在100MW―200MW之间,组件尺寸主要为1.2mx0.6m或相近尺寸。

  率先在量产道路上迈出切实步伐的,当属纤纳光电和协鑫光电两家企业。7月28日,纤纳光电宣布,将首批5000件α组件(最高功率130W,尺寸1.245mx0.635m)发往浙江省工商业分布式钙钛矿电站,率先实现了钙钛矿光伏应用。

  协鑫光电创始人、董事长范斌昨日告诉记者,公司100MW中试线(尺寸1mx2m)已经在运行,计划今年效率达到16%,2023年达到18%。

  “主攻”叠层钙钛矿组件的仁烁光能,成为在这一技术路线上走得最远的公司。顾名思义,“叠层钙钛矿”即将两层钙钛矿叠加在一起,从而使得组件效率实现最大化。与此同时,天合光能正在研发晶硅上叠钙钛矿,而更多厂商研发的项目仍以单结(即单层钙钛矿面板)为主。

  对于为何“独辟蹊径”,仁烁光能一位高管对记者解释道:“我们认为钙钛矿叠钙钛矿将是钙钛矿面板的最终方案,因为它的转化效率最高,并且叠层技术向下兼容单结,无须再单独研发单结技术即可生产单结。”

  而在技术分野背后,既是创业公司竞速量产的路线抉择,也包含了风险投资人锚定“陪跑对象”的深层逻辑。协鑫光电2年来已完成5轮融资,最近一次的B轮融资在今年5月完成。范斌告诉记者,投资方包括腾讯、宁德时代300750)、凯辉等明星机构。再如,纤纳光电亦在2015―2021年间获得了5轮投资,投资方包括三峡资本、三峡能源600905)、京能集团、招银国际、杭开集团等。

  此外,A股多家新能源龙头也纷纷出手钙钛矿。如宁德时代董事长曾毓群在近期召开的业绩说明会上表示:“公司钙钛矿电池研究进展非常顺利,正在搭建中试线。”

  应用领域“开疆拓土”

  如果说在转化效率上的更高上限,是钙钛矿闯荡光伏领域的立足之地;那么在应用领域上的更多可能,则是钙钛矿打开市场的傍身之技。

  钙钛矿材料自涉足太阳能电池领域之初,便将目光牢牢锁定晶硅转化效率的“天花板”,开启一场“效率革命”。

  在过去相当长一段时间里,晶硅光伏电池都是成本和效率极佳的统一体。相伴而生的,是天然矿物转化太阳能效率的局限性。29.43%的理论极限值,成为晶硅材料“一眼到头”的屏障。事实上,自2017年以来,晶硅的实验室效率就一直在26.7%“原地踏步”,未再实现新的突破。

  与之形成鲜明对比,钙钛矿则走出了“最陡峭的成长曲线”。2009年,日本科学家首次用钙钛矿光伏电池发电,当时其电能转换效率仅有3.8%。仅仅过去13年,今天钙钛矿电池的实验室效率就已基本追平了晶硅60多年发展才达到的结果,达到了25.7%。而且,钙钛矿电池的单层理论效率达33%,双层可达45%以上,具有比晶硅更高的提升空间。

  业内人士向记者介绍,钙钛矿电池的开发速度之所以比晶硅快得多,是因为它不单指一种物质,而是多种化合物的混合。这些化合物所吸收光的波长都集中在光电转化效率最高的波长(1.4eV)附近。通过调整这些化合物的组合,电池效率可以不断提升。相比之下,晶硅不仅吸收波长的光电转化效率偏低,而且是单一物质,无法调节。

  采访中,纤纳光电CTO颜步一抄起一瓶像墨水一样的东西向记者介绍:“这就是用来做钙钛矿电池的原料。生产钙钛矿电池薄膜的过程类似于报纸打印,我们把‘墨水’涂在基板的表面,最后再涂覆一层隔水隔油的材料,盖上基板即完成生产。”

  这样的工艺特性,也赋予了钙钛矿电池更为丰富的应用场景。钙钛矿材料不仅可以简单地印刷在玻璃表面,制备玻璃基底的太阳能电池,还可以印刷在其他材料,比如轻薄柔软的塑料或者窗帘表面。具备大尺度弯曲能力的电池,还可以将自己的应用场景延伸至我们随身的电子设备、日用家电智能设备以及光伏建筑一体化等。

  颜步一得意地说:“钙钛矿还可以制成彩色和半透明薄膜,从而实现不同的彩色效果。这些都是晶硅材料完全无法涉足的新领域。”

  同样看好钙钛矿技术的未来,金刚玻璃300093)总经理严春来提出,要把玻璃的光能价值回用于玻璃的应用场所,即在BIPV(光伏建筑一体化)+BAPV(屋顶光伏)+BTPV(建筑光伏应用)等领域大显身手。

  产业链蓄势待发

  作为关键环节的涂布及PVD,成为设备厂商的“必争之地”。传统设备厂商亦纷纷发力。

  增效的同时,降本是关键。谈及这点,专注于投资钙钛矿的中财鼎晟合伙人很是兴奋,他站起来在白板上奋笔疾书:“硅料厂――高,硅片厂――高,电池厂――高。晶硅光伏每一个生产环节都是高耗能!”接着,他将这些环节划上斜线,并在下面画了一个方框,一个箭头进、一个箭头出,“钙钛矿,就这一个流程!”

  具体制备流程上,钙钛矿溶液先在实验室的瓶瓶罐罐里合成后,被送至生产线;带有正电极的玻璃经过自动化清洗后,进行第一道真空镀膜、激光划线;涂布钙钛矿之后结晶,再以激光刻出第二道槽,实现串联;真空镀上背电极(PVD)后,开始第三道激光划线;第四道激光清边,完成后装背板,加热之间的胶膜,使玻璃与前述材料粘在一起。

  一个前后玻璃、中间夹有钙钛矿和电极的组件由此诞生。显而易见,钙钛矿“电池即组件”的模式极大简化了其生产流程。而涂布和PVD工艺的应用,也让钙钛矿太阳能电池的生产制造更接近于面板行业。

  作为关键环节的涂布及PVD,成为设备厂商的“必争之地”。在该环节颇具领先优势的德沪涂膜日前宣布,公司开发的用于大面积钙钛矿太阳能面板制造核心涂膜设备系统验收成功,可直接对标世界前列的德日韩狭缝涂布设备。

  激光设备在钙钛矿产业链中也颇为重要。专注于激光设备研发生产的科创板公司杰普特已悄然布局这一新兴赛道。公司负责核心光源开发的张楠对记者说:“我们很看好光伏等清洁能源赛道,针对钙钛矿行业,团队早期开发了柔性钙钛矿模切设备。钙钛矿光伏电池片制造企业因为产品结构和材料不同,其对激光设备的要求也稍有不同,有至少4个环节用到激光技术。”2021年,该公司为江苏大正微纳科技定制的首套柔性钙钛矿模切设备通过验收并正式投入使用。

  传统设备厂商亦纷纷发力,不少设备工艺进入验证阶段,或已开展中试线,承接小批订单。如迈为股份300751)主攻钙钛矿层印刷,真空镀膜,相关定制激光设备已经交付。京山轻机子公司晟成光伏选择与协鑫光电合作建设电池及组件生产线。此外,东方日升300118)、通威股份600438)、晶科能源、中来股份300393)等光伏“业内人”也开始大力开展设备自研、设备改造及技术验证等。

  产业化道阻且长

  钙钛矿走向更广阔的市场,仍要越过实验室到生产线的“鸿沟”。

  从产能投资看,1GW产能的晶硅太阳能电池需要接近10亿元投资规模,而业内预测,成熟期的钙钛矿成本只需它的二分之一。原材料方面,钙钛矿原料较为常见,没有瓶颈,用量也少;纯度要求上,硅料纯度需达到99.9999%以上,但钙钛矿只需要95%即可满足使用需求;能耗方面,每1瓦单晶组件制造的能耗约为1.52kWh,而钙钛矿组件能耗仅为0.12kWh……

  然而,纵有“千好万好”,钙钛矿走向更广阔的市场,仍要越过实验室到生产线的“鸿沟”。

  “工艺与配方并重。”一位接受记者采访的钙钛矿企业高层戏称,“做钙钛矿就像炒菜,你加一样的料,用一样的锅,但每个人炒出来的味道就是不一样。”

  也并非拿到好的设备就能保证生产出好的电池。钙钛矿溶液的配比、设备调试的细节,既是各家公司的“秘钥”,也是行业的共同课题。由于技术发展时间短,工艺还不像晶硅那样成熟,钙钛矿的产线设计没有现成模板,都需要创业公司“从0到1”,摸着石头过河。

  如何将钙钛矿层均匀地涂抹于设备表面?如何突破钙钛矿易氧化、不耐高温、衰减率高、寿命短等技术瓶颈?“这个过程肯定不是一蹴而就的。”对此,颜步一给出的解法是,“反复尝试。我们通过不断引入高性能的界面修饰材料,来提高商业化钙钛矿模组的效率与稳定性。”

  此外,行业标准空缺也是钙钛矿产业发展亟待解决的问题之一。“晶硅的内部体系和钙钛矿的显然不一样,所以不能简单套用晶硅的标准来测试钙钛矿。如果标准没定下来,怎么知道如何可以应用呢?”仁烁光能高管表示。范斌认为业界对此确实存在争议,目前普遍做法是沿用晶硅的IEC 61215标准。

  对于设备厂商来说,张楠直言:“2021年被认为是钙钛矿光伏电池片产业的元年,而钙钛矿产业真正大行其道,可能还需数年培育。目前比较受关注的是大尺寸的光电转换效率及寿命问题。需要看到更多的量产来验证。”

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