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钙钛矿,会是光伏革命的终极答案吗?

新能源变革的背后,实质是材料的跃迁。动力电池新路线钠离子电池,其实是从锂到钠元素的转变;光伏硅片从P型到N型的迭代,实质是其中掺杂的硼元素到磷元

新能源变革的背后,实质是材料的跃迁。

动力电池新路线钠离子电池,其实是从锂到钠元素的转变;光伏硅片从P型到N型的迭代,实质是其中掺杂的硼元素到磷元素的迁移。

作为新能源的主力军,当前光伏的商业化集中在晶硅电池,而硅的能量转化效率(PCE)是有极限的。越是从中“榨取”电能,就越能感受到晶硅电池提升空间的逼仄。

除非超越硅。

光伏产业变革的十字路口,用10年时间走完晶硅电池50年发展之路的钙钛矿横空出世,其能力转化率已经突破晶硅电池极限。

光伏即将迎来再一次颠覆。

“吊打”晶硅电池

“PERC之后可能是异质结(HJT)或者TOPCon,而HJT和TOPCon之后的未来,一定是钙钛矿。”

随着钙钛矿电池转换效率不断突破极值,业内普遍将其看做引领光伏产业未来发展的“最佳人选”。

2009年,日本科学家Tsutomu Miyasaka首次用钙钛矿光伏电池发电,当时的电能转换效率仅有3.8%,仅仅在十年之后的2019年,钙钛矿电池性能便飙升至25%。

2021年11月,柏林亥姆霍兹中心(HZB)研发的钙钛矿串联电池转换效率高达29.8%,创造了至今为止钙钛矿电池最高纪录。

值得注意的是,这一记录超过目前效率最高的异质结、TOPCon等晶硅技术的效率极限,将同为薄膜电池的其它技术路线甩开几条街。

晶硅组件不同技术的理论极限分别为:

晶体硅太阳能电池理论极限效率:29.43%;

普通单晶硅电池理想条件下最高效率为24.5%;

HJT电池理想条件下最高效率为27.5%;

TOPCon电池具有更加高的效率上限:28.2%-28.7%。

可以说,在能量转换效率上,钙钛矿已经吊打晶硅电池,将光伏这一新能源上升至全新高度。

从理论极限来看,钙钛电池单层电池理论效率极值可达31%,晶硅/钙钛矿双节叠层转换效率可达35%,而三节层电池理论极限可能升值至45%以上。

             

而如果掺杂新型材料,钙钛矿电池的转换效率最高能达到惊人的50%,是目前晶硅电池的2倍左右。

尽管这些数据目前还仅限于实验室或者理论研究层面,但钙钛矿显然已经拥有了强劲的竞争力,它的出世为光伏产业打开了全新的想象空间。

成本低于火电?

“降本增效”是光伏产业化的核心要义,也是光伏企业追逐的终极命题。

自光伏技术诞生起,这个行业就围绕着“效率与成本”不断掀起新的技术变革。效率方面,晶体硅光伏电池的理论极限效率是29.43%,在目前研发的光伏新技术路线中,能突破30%阈值的包括钙钛矿和GaAs(砷化镓)。其中,GaAs双结叠层电池达到了32.8%的实验室最高记录,优于钙钛矿。

但产业化绕不开成本,由于GaAs技术工艺复杂,原材料价格十分昂贵,低成本大规模量产难以满足光伏商业化要求。

因此,成本更具优势的钙钛矿/HJT叠层电池被认为是突破30%转换效率的最具性价比的技术路线。

对比来看,钙钛矿对杂质不敏感,通常90%左右纯度的钙钛矿就可以用于制造效率超20%的电池;而晶硅对杂质非常敏感,纯度必须达到99.9999%以上才能用于制造。

光伏企业投资1GW晶硅电池,需要从硅料、硅片、电池、组件合计超过9亿元;而协鑫纳米披露的数据显示,其建造的钙钛矿百兆瓦产线投资为1亿元,1GW的投资仅为5亿元。也就是说,1GW钙钛矿电池的投资强度仅为晶硅的一半。

             

而且,晶硅电池产业链需要硅料、硅片、电池、组件4个工厂,而钙钛矿仅需1个工厂,产业链显著缩短,且大幅降低了物流等成本。

昆山协鑫光电CEO范斌甚至认为:“钙钛矿的度电成本有望比火电还低,跟火电拉开一毛钱到一毛五的成本差异,从而实现光伏对火电的大规模替代。”

从2020年几大电力公司的度电成本来看,如果钙钛矿度电成本降低至仅有晶硅电池发电的一半,那么将明显优于火力发电,成为极具竞争力的新能源。

                

钙钛矿电池还有一大优势,作为一种高柔性的薄膜电池,可以使用在晶硅电池无法触达的使用场景;而且结构轻便,易于安装,更适合当前大力推广的光伏建筑一体化。

巨头角逐

作为第三代光伏技术,资本早已瞄上了这一技术蓝海。

此前不断刷新的世界纪录都出自实验室,问题是这些电池的尺寸很小,普遍只有1cm²-1.12cm²,寿命也非常短,不具备产业化条件。

企业要想在钙钛矿的商业化上更近一步,一方面要不断提升转化率,另一方面要着手解决尺寸和寿命的问题。

许多玩家已经下海进行产业化实践,目前国内最早实现量产的是昆山协鑫。2021年,昆山协鑫100MW钙钛矿生产线开始试生产,并且将组件面积扩大至1m×2m,光电转化效率提高至18%以上。协鑫光电目前可大规模量产的是45cm×65cm的产品,转换效率为15%。

除了协鑫光电,由三峡资本投资的纤纳光电,先后7次打破了钙钛矿光电转换效率记录。当前,其位于衢州的100MW量产线也已经破土动工。并且于今年2月,开建全球首个钙钛矿地面光伏电站。其和三峡科学院联合研发的叠层电池组件转化效率达到了26.63%。

长城汽车创始人魏建军控股的极电光能,在63.98cm²的钙钛矿光伏组件上,实现了20.5%的光电转换效率,创造了全球大面积钙钛矿电池效率的最高纪录。

极电光能更看重钙钛矿在光伏建筑一体化(BIPV)上的应用。极电光能总裁于振瑞此前就表示,“BIPV是现阶段钙钛矿电池最好的产业化路径之一,我们会首先切入BIPV领域,开发钙钛矿幕墙产品。”

由于幕墙产品的特殊性,钙钛矿能够发挥自己的独特优势,避开与晶硅电池直接“拼刺刀”。幕墙产品追求外观设计,且需要透明度,这恰好是钙钛矿的优势,却是晶硅技术的短板。钙钛矿电池能够做到美观且半透明,因此BIPV极有可能成为钙钛矿商业化的前哨站。

据悉,极电光能正在建设150MV钙钛矿试制线,预计在今年可进行投产,效率将不低于18%,且该项目产品尺寸达到了1.2×0.6平方米。

相比注重转化效率的纤纳光电和极电光能,万度光能更注重成本。自创立起,万度就主攻超低成本光伏器件——“印刷钙钛矿光伏”技术的开发,基于印刷技术和廉价原材料,研发出3600c㎡的钙钛矿组件,成本方面也更胜一筹。

在湖北鄂州、宜昌政府的支持下,万度光能的“野心”更大。2021年6月,其总投资高达60亿元的钙钛矿太阳能电池项目正式落地,这是迄今为止,最大的钙钛矿电池投资项目。

该项目共分为两期,一期产能为200MW,顺利量产后,万度光能计划扩充至10GW。

海外巨头中,韩国韩华集团最为积极,这家全球光伏TOP10企业与柏林亥姆霍兹中心(HZB)合作研发的钙钛矿/硅串联电池,创造了转化率高达29.8%的世界纪录。韩华集团已计划对此技术进行投资扩产,该技术也被列为韩国国家项目。

▲数据来源:索比光伏网,东方证券研究所
             

此外,传统晶硅电池玩家隆基股份、通威股份、东方日升等公司均对钙钛矿太阳能电池表现出浓厚兴趣,或已经在相关领域有所布局。

可以看出,钙钛矿的商业化仍处于起步阶段,但不少产业资本已经跑步入局。统计来看,今年预计有2GW的钙钛矿电池产能实现量产。

光伏技术产业化主要看三大要素——成本、效率、寿命。钙钛矿在成本和效率方面远胜于晶硅电池,但其寿命短、稳定性差、天然不稳定,导致效率衰减过快,这是钙钛矿技术产业化落地的最大掣肘。

要知道,目前的光伏电池普遍寿命在25-30年。因此,在提升产品尺寸和能量效率的同时,如何将钙钛矿的寿命提升至25年,将是押注钙钛矿技术的企业亟需解决的问题。

提升电池寿命,背后涉及到材料体系、电池结构、封装等等环节。当前,全球光伏界正在对钙钛矿的效率衰减和稳定性进行科技攻关,新的解决方案不断涌现,也许很快就会有最佳的解决办法。

作为世界经济论坛(WEF)认定的“改变人类生活的10大新兴技术”之一,钙钛矿电池的前景已经愈发清晰,一幅宏伟的产业蓝图正徐徐展开。

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