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钙钛矿商业化,究竟到哪一步了?
2023年2月,一则“钙钛矿大神履历造假”的新闻同时引爆了金融圈和光伏圈。
彼时,光伏二级市场行情不佳,钙钛矿电池作为火热的下一代光伏技术,几次三番站上风口浪尖,相关股价一路飙涨,公司市值连翻数倍。
一年过去,奥联电子事件已经以750万元罚单尘埃落定,曾被各路资本、股民们寄予厚望的钙钛矿概念股也逐渐降温。
然而,对于奋斗在前线的光伏人来说,太阳底下无新事,围绕钙钛矿进行的一系列研究、开发及商业化探索从未停止。
2024年,随着数个GW级产线落地,中国光伏产业悄然迎来了“钙钛矿电池元年”。
为什么说钙钛矿是颠覆性技术?
应用于光伏电池的钙钛矿材料,实际上和钙、钛、矿三个字都没有太大关系,这是一类与钙钛矿(CaTiO3)晶体结构类似的“ABX3”化合物,通常由有机阳离子、金属及卤化物构成。
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简单来说,钙钛矿技术的颠覆性主要体现在两方面:效率提升、工序缩短(成本降低)。
光伏产业的发展,核心就是通过提升转换效率来降低光伏发电的成本。在过去很长一段时间里,晶硅光伏电池都是成本和效率极佳的统一体。然而,随着其效率逐渐逼近29.43%的理论极限,且整个产业链面临价格大幅下降和普遍亏损的困境,探索新的“提效降本”技术路径已成为光伏技术持续进步的明确方向。
在4月13日的“聚力同心·新质碳索研讨会”上,仁烁光能董事长、南京大学教授谭海仁指出,单结电池技术已走到尽头,未来技术的发展,需要两层光伏材料用以吸收不同的太阳能光谱,多结叠层电池是效率突破30%的唯一途径。
2009年,日本科学家首次用钙钛矿太阳能电池发电时,转换效率仅为3.8%。15年后的今天,钙钛矿电池的实验室效率已达到26.41%,单结钙钛矿电池理论极限效率达33%,叠层有望突破45%。
毫不夸张地说,钙钛矿用了十年时间就走完了晶硅电池五十年的路。这种发展速度的背后,得益于钙钛矿材料远强于晶硅的吸光性能。
传统晶硅电池靠硅片吸收光,硅片吸光性能较弱,所需厚度一般在100μm以上,而在钙钛矿太阳能电池中,通常大约500nm厚的钙钛矿层材料即充分吸收入射光子,大大降低了电池的成本。
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同时,钙钛矿吸光材料对缺陷相对不敏感,通常达到90%即可制造效率超过20%的电池,相比之下,晶硅电池对硅料纯度要求至少需达99.9999%。这也使得钙钛矿电池制备速度很快,从玻璃、胶膜、靶材、化工原料进入到组件成型的全过程可控制在1小时以内,在单一工厂就能完成生产。
钙钛矿电池原材料均为基础化工材料,由人工合成,且不含有稀有元素,相比于晶硅电池的硅料来说廉价易得。其工艺温度不超过150℃,每瓦组件耗能仅约0.23kWh,明显优于晶硅超过1kWh的每瓦组件耗能。
既然如此,阻碍钙钛矿商业化进展的“痛点”还有哪些?
钙钛矿电池是否已具备商业化条件?
一直以来,稳定性是制约钙钛矿电池商业化的关键因素。根据目前的实验室数据分析,钙钛矿电池生命周期内持续光照时间最长约10000小时,如果按照平均日照时长4小时计算,理论寿命仅为6.8年。
“世界太阳能之父”马丁·格林教授曾表示,钙钛矿制造商需要证明电池板的使用寿命为25-30年,以达到IEC认定的行业标准。但也有许多专家对此提出质疑,表示IEC标准并不能准确判断钙钛矿的寿命,因为钙钛矿和晶硅电池的衰减机制不同,首先需要建立钙钛矿的老化测试标准。
随着技术研发不断深入,钙钛矿电池的效率和稳定性逐步突破,极限成本可降至0.4-0.5元/W,仅为晶硅的一半。业内普遍认为,当钙钛矿达到效率18%、寿命15年时LCOE即可基本打平晶硅,大规模量产将开始具备商业化条件。
2023年以来,已有不少钙钛矿企业陆续取得效率突破,多次刷新世界纪录。其中,协鑫光电钙钛矿单结组件转化效率达到18.04%(2m²),极电光能的商用尺寸钙钛矿组件全面积效率也达到了18.2%(7200cm²)。
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钙钛矿光伏企业电池效率纪录
此外,光伏电池技术需要通过量产来体现产业化的规模效应。100MW产线,是光伏电池技术0到1最重要的一步,这将为光伏组件的成本、效率、寿命等关键性指标提供有意义的参考数值,也是钙钛矿电池实现技术成熟度和商业化突破的关键。
自2022年初,全球首条钙钛矿百兆瓦级产线建成投产后,产业化进程明显加快,各大厂商争相投资建设100MW级产线,2024年,钙钛矿产业又将迎来数个GW级产线落地。在跨越量产这道主要壁垒后,钙钛矿光伏技术将打开实证应用的想象空间。
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钙钛矿光伏企业项目进度与规划
大浪淘沙始见金
历经资本炒作的“浑水”后,钙钛矿电池产业已步入更为稳健的发展轨道。然而,我们必须正视一个事实,即钙钛矿目前仍处于产业化发展的初期阶段。一方面,其配方、设备及工艺仍在不断迭代与完善中;另一方面,产业化进程的加速亟需在不同应用场景中的实证落地与数据闭环。这既是对技术的挑战,也是对市场接受度的考验。
正如谭海仁教授所说,“这是一个真正的‘无人区’,我们几乎没有任何成熟经验可以借鉴,所有的模式都得自己摸索。”
目前,钙钛矿要寻找市场,必然要追求差异化。钙钛矿电池凭借弱光性以及颜色可定制的特点,满足了长时间发电、透光度以及美观性等市场需求,可以充分与薄膜电池竞争,在BIPV和幕墙、阳光房等领域拥有广阔的市场空间。
随着叠层电池技术的日益成熟,转换效率大幅提升,钙钛矿就具备了与现有晶硅电池技术正面竞争的实力,不仅可以应用于大规模电站和工商业屋顶的分布式光伏,还有望在新能源汽车和日常消费电子领域发挥更大的作用,展现出更多元的应用前景。
在全球能源转型的紧迫需求下,中国光伏行业积极发展新质生产力已成为必然趋势,钙钛矿产业化的进展也离不开政策的有力支撑。《科技支撑碳达峰碳中和实施方案(2022-2030 年)》中,将“研究高效薄膜电池、叠层电池等基于新材料和新结构的光伏电池新技术”列入低碳前沿技术攻关;《“十四五”能源领域科技创新规划》中,将“晶体硅/钙钛矿、钙钛矿/钙钛矿等高效叠层电池制备及产业化生产技术研究”列入重点任务。
四十年前,当第一块光伏板被伫立在中华大地上时,没有人能想到,在不久的将来,光伏将打败统治人类能源上百年的煤电,成为主要的发电方式。
浩浩汤汤的历史长河中,我们终将改变潮水的方向。
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