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《马一峰 能源前沿报告》11 钙钛矿:为什么会成为晶硅“最强”对手?

在上一模块,我们讲了过去一年,主流能源赛道的重要变化。接下来我们将聚焦技术,特别是那些刚走出实验室不久,又有产业化苗头的技术。技术这么多,从哪讲起呢?因为光伏在未来最有可能成为新能源主力,我们就先从光伏说起。

这一讲,我为你关注的是目前距离商业化最近的光伏新材料,它就是钙钛矿。和传统的晶硅材料一样,钙钛矿能吸收阳光,把光能转换成电能。

过去10年中,学术圈对钙钛矿的研究一直很热,有很多论文发表,并且逐年上升。之前有人诟病钙钛矿是“科研灌水热门课题方向,没什么“工业价值”。我不这么看,一个新技术研究热度高,有灌水不怕,就怕无人问津。这不,从2021年到2022年,我国的钙钛矿产业化已经有不少实质性进展。

有一个标志性事件:2022年2月,全球第一个钙钛矿地面光伏电站,在浙江衢州市开建。为什么说它有标志性,你来听两个数据:投资规模达到六千多万元,装机容量12兆瓦。这相当于什么?一个小型水电站。这个项目的开建,标志着我国钙钛矿光伏发电进入了应用示范阶段,更重要的是,初步进入了商业化。

再往前,2021年年底,江苏无锡也启动了一个150兆瓦的钙钛矿电池组件中试线项目。中试就是规模化量产前的一步,这都说明钙钛矿在加速走向应用,很多政府也在赶风口。

这些动作是有依据的。因为在国家能源科技规划已经明确提出,在2030年前,我国要实现钙钛矿电池的商业化生产。可以说,钙钛矿的未来有非常大的确定性。

不过,我们都知道,现在的光伏材料是晶硅的天下,全球有95%以上的太阳能电池是晶硅材料。它的产业化、可靠性都非常高。并且,新的光伏材料也有很多,钙钛矿凭什么能挑战晶硅呢?

要回答这个问题,我们先看看,晶硅电池发展到哪个阶段了。其实,作为第一代太阳能电池,晶硅已经非常成熟。

成熟体现在哪呢?最重要的指标就是光电转换效率。过去20年,晶硅电池的转换效率已经翻倍增长。从2000年的12%左右,增长到2022年的25.47%,这对降低光伏发电的成本有很大帮助。

因为光伏发电需要大面积的土地,光电转换效率越高,土地利用效率才能越高。不过问题是,这个转换效率已经快接近天花板了。根据测算,晶硅电池的理论极限效率是29.4%,只有不到4个百分点的增长空间了。

这个时候要提升,难度就很大。就像你快接近珠峰峰顶,每跨出一步都很难。这导致的结果就是,发电成本很难再降。

同时,晶硅的成熟,还有一个指标,就是生产成本。也就是从硅料变成电池组件的制造成本。这个成本占比很高。特别是在光伏电站初建成期,电池组件硬件占到成本的近40%,是占比最高的成本投入。晶硅电池企业也一直在想办法降低生产成本。过去十几年,组件成本下降超过了90%,现在的下降空间也没那么大了。

其实,任何技术进入成熟期,遇到瓶颈是一种必然。早在晶硅材料还没成熟时,光伏行业早就未雨绸缪,在寻找更多新材料。

比如,上世纪80年代,第二代太阳能电池开始发展,也就是薄膜电池。就是在玻璃、不锈钢等表面涂上一些感光材料来发电,比如碲化镉、铜铟镓硒、砷化镓。这些薄膜电池各有优势,比如砷化镓,转化效率高,实验室最高效率达到68%以上。

不过,晶硅成本在降的时候,薄膜电池却没降下来。一个重要原因就是,砷、碲、镉、镓元素在地球上相对稀少,价格很难下降。而硅的原料几乎没有限制,地壳中有1/4的元素都是硅。所以,薄膜材料的市场份额从2010年的15%下降到了2020年的5%,被硅严重挤压。

讲到这里,你应该能猜到,钙钛矿现在脱颖而出,肯定是在转换效率和生产成本上都有突破,确实是这样。那么,钙钛矿的表现到底如何呢?我们来看看。

这里需要特别解释下,钙钛矿并不是一种由钙元素和钛元素组成的矿物,它是一类化合物的统称。这类物质有一种特殊结构,光电特性特别好。就是说在阳光照射下,很容易释放电子。用来发电的时候,可以把钙钛矿涂在玻璃或者柔性材料上,看起来像涂了一层墨水。

它的吸光性很强,只需要几百纳米厚,就能吸收大部分阳光。这个厚度差不多只有头发的1/100。而硅晶体要吸收同样多的阳光,至少要厚上一百倍。

薄就很重要,这样钙钛矿就容易制成透明材料,和其他材料一起用。比如,钙钛矿可以叠加在晶硅电池表面,一起发电。它俩擅长吸收的阳光不同,钙钛矿更能吸收紫外和蓝绿光,而晶硅更能吸收红外光。如果把它们叠串起来,能量利用率更高。

理论上,这种组合电池的光电转换效率可达到43%。2021年,德国的国家级研究机构——柏林亥姆霍兹中心,利用钙钛矿和晶硅串叠制造的电池,转换效率已经达到29.8%,这已经超过晶硅电池的理论极限了。

除了和晶硅一起串联,钙钛矿电池自己也可以多层叠加,效率也不低。理论上,三层钙钛矿电池,也就是把三个钙钛矿电池上下重叠在一起,它的转换效率能达到40%以上。这几乎是晶硅效率的两倍了。

从2009年,日本科学家制备出第一个钙钛矿太阳电池。短短11年时间,单层钙钛矿电池的效率就从3.8%提升到25.8%。而晶硅电池,从1960年就开始发展,花了60多年,最高效率也才26%左右。现在学术圈的研究也没有停止,作为一个“年轻选手”,钙钛矿的潜力还很大。

好,讲完效率,我们再来看生产成本。我先说一下结论,从长期看,钙钛矿电池组件的生产成本会远远低于晶硅。

首先,钙钛矿电池可以很薄,原料用的就少。有机构做过计算,用35千克钙钛矿生产的光伏电池,如果要实现同样的装机量,换成晶硅就需要7吨。不但用量少,种类选择也很多。例如常见的甲胺铅碘—钙钛矿电池,组成元素有碳、氢、氮、铅和碘五种,这些元素在地球上都很常见。

还有就是生产能耗也比晶硅低。硅料主要来自石英中的二氧化硅,需要提纯,并且纯度要达到99.99%以上。提纯过程要加热到1000度以上,能耗非常大。钙钛矿对纯度要求就没这么高,耗能就低。

它的生产流程也相对简单。比如甲胺铅碘—钙钛矿电池,只需要先将碘化铅和碘化甲基铵合成液体,然后将液体涂在基片上结晶,再封装就完成了。相比之下,晶硅电池就比较复杂,要经历硅片切割、表面制绒等等,很多步骤。钙钛矿的流程少,人力物力投入就能减少。

要说钙钛矿的成本到底比晶硅降低多少,其实还没有统一数据。因为确实是新兴行业。不过可以参考已经试水的企业数据。比如,无锡的极光电能预测,到2025年,钙钛矿电池组件成本要比晶硅低30%到50%。昆山的协鑫光电说,1GW的钙钛矿电池投资强度只到晶硅的一半。

总之,很多企业都看好它的降本空间。现在钙钛矿已经是光伏产业里的“明星”材料,各类示范项目也开始投建起来。

当然,任何材料都不是完美的,钙钛矿也有不足。比如钙钛矿电池含有铅,这会造成环境污染,还有就是稳定性不足。 其中,稳定性不足是主要制约。因为钙钛矿晶体对水分、氧气、光线和温度都很敏感,很容易分解。所以,一块钙钛矿电池,可能用个一两年,效率就下降20%。如果电池衰退速度这么快,那就不经济了。这是很多人对钙钛矿保持谨慎的原因。

最近有不少钙钛矿项目落地,一个重要原因稳定性有了突破。比如,纤纳新能源公司的钙钛矿电池,在2021年通过了IEC61215标准的稳定性加严测试。IEC61215是全球光伏行业普遍参考的一个测试标准。能通过这个测试,说明稳定性这个制约因素不再那么突出。

特别是在过去一年,国内钙钛矿产业化进度很快。陆续有示范项目落地,很多资本、龙头企业,还有一些地方政府也闻风而动。连宁德时代也在搭建钙钛矿电池的中试线,也就是规模化前的生产试验。

当然,现在还是前期,很多路径都在尝试。比如,未来是以和晶硅串联为主,还是全钙钛矿电池为主,还没有定论。至少和晶硅串联更容易实现。不过,也有人预测,如果光伏建筑一体化市场爆发,全钙钛矿电池会更有市场。这些都有待验证。

其实,除了钙钛矿,科学家们还在探索很多新的光伏材料,比如有机光伏材料、染料敏化光伏材料。不过,整体来看,钙钛矿是综合性价比更高的材料,能兼顾效率和成本。所以,现阶段能挑战晶硅的材料,钙钛矿是最有力的竞争者了。

未来,钙钛矿能不能取代晶硅还不好说,可以确定的是,晶硅已经进入“瓶颈期”,现在确实是钙钛矿入局的机会。

好,最后,我给你留个问题,你还了解其他光伏电池的技术突破或者商业化案例吗?欢迎留言给我。

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