专访于振瑞:钙钛矿进入产业化元年,极电光能补齐长城绿色生态链

史庄,河北保定一个不大的城中村,却先后诞生了两位河北首富。一位做了光伏,另一位也在做光伏。第一位企业家是英利的苗连生,是光伏产业的拓荒者;而第二位则是长城汽车的掌门人魏建军,正在用光伏打造新的“绿色长城”。

由于老乡的关系,魏建军对于光伏的了解非常早,也很感兴趣,除了看到新能源的市场机遇之外,魏建军更看重长城在迈向绿色转型时的生态闭环。在投资锂电池企业蜂巢能源和氢能企业未势能源之后,长城汽车已经形成了新能源汽车、锂电、氢能的绿色用能体系,但魏建军觉得还不够,没有绿色电力,这个生态体系是不完整的。

 

专访于振瑞:钙钛矿进入产业化元年,极电光能补齐长城绿色生态链
 

2017年底,看到光伏行业已逐步走向平价,魏建军找到于振瑞,希望找到一个好的光伏项目作为长城汽车迈进绿色电力的切入点。

接到任务后,于振瑞带队对光伏的技术做了全面的梳理。彼时已是他接触光伏行业的第32个年头,1985年于振瑞的本科毕业论文就是非晶硅薄膜电池的相关研究,在南开完成本硕博连读后,先后于新奥和中兴能源任职,参与了国内第一个薄膜太阳电池产业化项目,也有多年的晶硅研发经验和光伏电站设计经验。

“这也是我们的优势。”于振瑞笑着说,“我们比绝大多数搞钙钛矿产业化的公司更懂光伏,知道一项新技术从实验室迈向产业化过程中可能遇到的问题和解决方案,更知道行业需要什么。”

此时晶硅电池技术领域,PERC开始发力并已有内卷趋势,HJT、TopCON和IBC技术仍然前景不明,于振瑞认为作为后进者的长城在晶硅技术体系中很难有太大发展空间。

“晶硅虽然一直占据光伏市场超过95%的市场份额。但经过70年的研发,20多年商业化生产,无论是效率还是成本,都已经快接近天花板。”于振瑞称这也是酝酿下一代技术的最佳时机,“要实现双碳目标,承载全球电力清洁化的任务,总是需要有更大潜力的新技术接力的。”

而在回顾多年的晶硅和薄膜电池的发展历程时,于振瑞觉得,上述两种光伏技术在某种程度上陷入了“瓶颈”。“晶硅光伏技术的制造工艺很多传承自半导体工艺,奠定基础的同时,也让工艺和成本受到了限制;而且由于制造工艺源自于传统的半导体技术,所以技术同质化严重,行业内卷达到白热化程度。”或许,突破性的下一代技术,应该是去半导体化的独立工艺和材料体系。

最终,于振瑞将目光瞄向了钙钛矿,被学界认为是“唯一具备商业化前景的新兴光伏技术”。他说服中科院材料学博士邵君与澳洲回国博士郑策,组建了极电光能早期的核心技术团队。其中,邵君拥有15年钙钛矿光伏电池和染料敏化电池的研究开发经验,郑策则有在全球第一家钙钛矿产业化公司Greatcell Solar 从事钙钛矿产业化技术研发的经验。2020年,另一位薄膜电池领域的工艺和装备大牛、美国归国博士王雪戈加入团队。自此,一支由资深钙钛矿研发人员和经验丰富的产业化技术人员组成的钙钛矿创业团队正式亮相。

他们目标只有一个:研发适合大尺寸量产的钙钛矿光伏技术。

天选之子钙钛矿

钙钛矿近年来一直非常热门,全球多家研究机构和高校都在寻求钙钛矿的突破。除了看好新能源这个赛道之外,钙钛矿的研发热潮背后有其五大优势:

01

钙钛矿的效率“天花板”更高

晶硅电池理论上的效率极限是29.4% ,现实条件可实现的工程极限效率是27.1%;量产电池方面,根据中国光伏行业协会(CPIA)预测,到2030年,常规PERC晶硅电池效率24.1%,HJT电池效率26%,TOPCon电池效率25.6%,IBC电池效率26.2%,逼近工程极限,而钙钛矿单结电池理论极限33%。同时,钙钛矿电池的结构特性使其对杂质和缺陷的容忍度非常高,因此实际生产更容易逼近理论极限。

 

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02

钙钛矿的成本更低

钙钛矿太阳电池材料用量小、制程短、对材料纯度的要求低、生产过程能耗低、产业链短,是一种“天然的低成本”的光伏技术,钙钛矿组件的单瓦成本可以做到6毛钱以下。

03

技术发展速度快

于振瑞指出,晶硅技术经历了近70年的发展效率才达到26.7%、经过了40多年实验室研发才开始进入大规模产业化。而钙钛矿自2009年诞生,只用了12年就步入产业化时代,且效率屡创新高,已经达到25.7%,逼近晶硅电池的最高效率。当前关于钙钛矿太阳电池的研究仍然异常活跃,重大发现屡见Nature、Science等最高学术刊物的报道,还有巨大的技术潜力可挖;

04

产业生态容易搭建

钙钛矿工艺流程非常短,在FTO导电玻璃的基础上,只需要四道主要的镀膜工艺就可完成电池的制备。从初始原材料到成品光伏组件,全流程可以在一个工厂完成。钙钛矿生产所需原材料没有贵重材料,且供应稳定,不会发生上游原材料供应短缺和涨价的制约。透明导电玻璃是成熟的技术,只要有需求,产能可迅速扩大,价格也会快速降低。钙钛矿光伏的产业链很容易搭建起来,因此,只要技术一旦成熟,快速大规模产业化很容易实现。

05

外观漂亮、弱光发电性能好

钙钛矿外观漂亮、弱光发电性能好、可以制备在柔性基底上,因此产品形态和外观可以多样化,不但可以像晶硅光伏组件一样用于各类大型光伏电站,还可以应用于BIPV光电建筑、太阳能汽车、景观光伏、便携电源、传感器电源等各类“光伏+”场景,应用范围更广。

此外,钙钛矿是被光伏各界极罕见所共同接受的未来技术,几乎所有的光伏企业都认为钙钛矿是光伏产业的未来,只是在做单结结构还是叠层结构上存在不同技术路线,所以不存在技术路线零和博弈带来的风险:只要技术成熟可靠,就可以获得成功。

而作为在晶硅、薄膜都做过研究与生产的资深专家,于振瑞清醒地认识到,钙钛矿也存在着需要克服的短板,并且它在研发阶段的部分优势可能也会成为量产时的劣势,必须从开始就选定真正适合量产的技术。

钙钛矿太阳电池对杂质和缺陷容忍度高、对材料要求低,这让钙钛矿的研发成本较低。前期工作只需要调试出合适的配方和对制备工艺进行不同的优化,即可在小尺寸基材上很快得到较好的结果。这让钙钛矿技术流派繁多,但很多技术往往没有考虑到生产与应用端的要求。其实,薄膜类电池技术始终绕不开的挑战是大尺寸膜层制备,在大面积上的膜层一致性是所有薄膜电池量产的关键。

“我们一开始考虑的就是能够实现高效大尺寸钙钛矿组件的量产技术”于振瑞表示高新技术不应是空中楼阁,在他从业的近40年间,见过太多看上去很美的技术,最终却倒在了中试或量产这一关。

外界对极电的最大印象是“快”。事实也确实如此。从2018年6月项目立项,到2020年4月成立公司,到现在4年时间成为钙钛矿产业化排头兵。

所以,极电从成立那一刻起,就有着很清晰的目标:做量产下效率最高、稳定性最优、成本最低的钙钛矿电池。

极电光能的钙钛矿“黑科技”

钙钛矿是一个“工艺”与“配方”并重的技术,同时由于技术路线时间短,工艺尚未如晶硅般成熟,也无法向半导体设备借鉴,适合大尺寸、高效率量产的钙钛矿设备性能提升与国产化也是必须要解决的问题。要实现质的飞跃,“工艺”、“配方”、“设备”这三驾马车必须齐头并进。

2021年5月,极电宣布在63.98cm2的钙钛矿光伏组件上实现了破世界记录的20.5%的光电转换效率,获得了日本JET的检测认证。而更加值得关注的是,当天极电发布了两件笔者认为更重磅的消息:

第一件是在2021年三季度启动平米级组件试制线,2022年将产品推向市场,说明当时钙钛矿的量产和大尺寸制备取得了长足的进步。

第二件则更为关键地发布了“极创”整体解决方案,实际上是阐述了为什么极电可以取得这样的成就。

“极创”包括推出无甲胺钙钛矿材料体系、“原位固膜”薄膜制备技术和界面钝化与缺陷控制技术三大技术创新,从材料制作、技术应用、配方改进等维度打造核心技术优势,逐个攻破钙钛矿产业在效率提升、大面积制备以及稳定性方面的行业痛点,为钙钛矿商业化量产扫清障碍。

笔者认为“原位固膜”技术是钙钛矿研发史上的一次思想飞跃,是打破常规认知的灵感火花,也是另外两项技术得以应用的基础。

无甲胺钙钛矿材料体系制备的钙钛矿太阳电池效率更高,稳定性也更好,但是无甲胺钙钛矿薄膜的大面积制备一直是行业面临的一大挑战,极电光能的无甲胺钙钛矿材料体系采用了模拟计算的最佳配比,并添加了独创的稳相剂和钝化组分,从材料角度保证了钙钛矿组件的稳定性、高效率以及大面积制备的可实现性。

但这还不够,大尺寸下,一步溶液涂布技术制程简单,但是“涂后不可控”,导致薄膜结晶受环境影响大,随机性强,大面积生产面临良率低的风险。另外,溶液会流动,同时看似很平的玻璃,在微观尺度下是凹凸不平的,这对极薄的溶液来说已经有形成“天堑”而无法均匀结晶的可能。此前有研究方向是探讨如何将玻璃尽可能做的尽量平,减少缺陷,但这样会大幅抬高玻璃的成本,同时越大尺寸,制备越是困难。

而极电光能开创性的用“原位固膜”技术解决了这个难题:通过“干法搭骨架,湿法定结晶”的策略,弥补了“一步溶液涂布法”的缺陷,先利用真空法制作一层含有密集针孔的“骨架层”,再利用溶液涂布技术涂敷钙钛矿前驱液,把“形核”与“晶粒生长”分开,使得钙钛矿膜层制备在可控条件下发生,可实现高质量钙钛矿薄膜的面积连续放大。

界面钝化与缺陷控制技术通过独有的钝化剂和原位缓冲层技术,有效地抑制了钙钛矿内部和界面缺陷的形成,改善能带匹配,提高钙钛矿电池效率和稳定性。

 

专访于振瑞:钙钛矿进入产业化元年,极电光能补齐长城绿色生态链
 

“在得到马丁格林教授的认可后,我们更坚定了方向的正确性。”于振瑞说。2021年,在三项钙钛矿“黑科技”的加持下,极电全球范围内率先实现大面积钙钛矿组件效率超过20%的企业,被现代太阳能之父马丁-格林称为 “里程碑式的成果”。

钙钛矿产业化元年

据于振瑞介绍,目前极电全球规模最大的150MW钙钛矿光伏组件试制线设备已经入场安装调试,今年第四季度将全面投产。

于振瑞透露了极电目前效率的最新进展:

目前极电在20cm2的尺寸上效率超过了22%,300cm2的效率已经超过了18.2%。他希望在今年年底前900cm2组件效率能达到19%;计划在3年左右,将平米级组件的效率做到21%以上。目前学界认为钙钛矿效率超过晶硅只是时间问题,已有学术界人员探讨制备效率超过30%的电池的可能性。

极电也计划在2023年启动首条GW级生产线的建设,并在2024年正式投产,至2026年建成10GW的产能。

于振瑞认为2022年是钙钛矿产业化元年。“目前钙钛矿相对晶硅而言有外观优势,相对其他薄膜技术有成本效率双优势。未来钙钛矿会首先从BIPV上取得较大规模应用,也会在各类光伏电站上取得示范应用。”他认为到2025年钙钛矿技术将会迈过与晶硅技术正面竞争的阈值门槛,占据度电成本的优势地位,并进一步加速放量,成为主流产品。

而随着生产线的就位,极电的测试与实证也逐步到了数据“收获期”。

此前业内曾有观点,认为钙钛矿作为有机物,寿命不可能达到25年。对此于振瑞认为这是一种出于直觉的误解。“很多人认为有机的东西不稳定,实际很多行业的产品都是有机的,在室外25年没有问题。”于振瑞指出钙钛矿在2009年开始时,确实给业界一个效率高但衰减快的印象,但现在钙钛矿的材料体系与工艺持续优化,稳定性已经得到了验证。目前不仅能通过晶硅组件检测标准IEC61215的加速老化的认证测试,还通过了泡水、光老化等更严苛的测试,表现良好。

“不过,我们还是要用实际应用场景来检验。”钙钛矿技术的成功让长城汽车坚定了信心,同时也为极电钙钛矿组件的应用提供场景支持。极电光能的钙钛矿光伏产品将率先在长城爱情地产项目上做 BIPV(光伏建筑一体化)示范应用,这将是全球第一个大规模钙钛矿BIPV项目;同时,在与湖北省签订的2.8GW光伏项目上,开展钙钛矿在大型地面光伏电站上的示范应用并逐步大规模应用。

就在本次采访结束后的6月17日,科技日报以“可再生能源技术重要里程碑:钙钛矿太阳能电池寿命延至30年”为题报道了美国普林斯顿大学一个研究组发表在《Science》杂志上的最新成果。该课题组的成果表明,钙钛矿太阳电池在实际应用场合工作30年后,其效率仍保持初始值的80%!

至此,长城的绿色生态初步完成闭环。极电光能已经与同属长城旗下动力电池企业蜂巢能源、专注氢能及燃料电池技术及产品研发的未势能源,以及爱情地产签订战略合作协议,联合新能源行业上下游企业,持续加强相互赋能,融合发展,共同打造长城的绿色低碳、智能创新的新能源业务体系,结合长城清洁能源“生产-存储-使用”一体化供应链生态战略布局,补齐绿色生态体系中的最后一块拼图。

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