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專訪于振瑞:鈣鈦礦進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化元年,極電光能補(bǔ)齊長(zhǎng)城綠色生態(tài)鏈

中國(guó)電力網(wǎng)發(fā)布時(shí)間:2022-06-27 13:24:03

史莊,河北保定一個(gè)不大的城中村,卻先后誕生了兩位河北首富。一位做了光伏,另一位也在做光伏。第一位企業(yè)家是英利的苗連生,是光伏產(chǎn)業(yè)的拓荒者;而第二位則是長(zhǎng)城汽車的掌門人魏建軍,正在用光伏打造新的“綠色長(zhǎng)城”。

由于老鄉(xiāng)的關(guān)系,魏建軍對(duì)于光伏的了解非常早,也很感興趣,除了看到新能源的市場(chǎng)機(jī)遇之外,魏建軍更看重長(zhǎng)城在邁向綠色轉(zhuǎn)型時(shí)的生態(tài)閉環(huán)。在投資鋰電池企業(yè)蜂巢能源和氫能企業(yè)未勢(shì)能源之后,長(zhǎng)城汽車已經(jīng)形成了新能源汽車、鋰電、氫能的綠色用能體系,但魏建軍覺(jué)得還不夠,沒(méi)有綠色電力,這個(gè)生態(tài)體系是不完整的。

 

 

2017年底,看到光伏行業(yè)已逐步走向平價(jià),魏建軍找到于振瑞,希望找到一個(gè)好的光伏項(xiàng)目作為長(zhǎng)城汽車邁進(jìn)綠色電力的切入點(diǎn)。

接到任務(wù)后,于振瑞帶隊(duì)對(duì)光伏的技術(shù)做了全面的梳理。彼時(shí)已是他接觸光伏行業(yè)的第32個(gè)年頭,1985年于振瑞的本科畢業(yè)論文就是非晶硅薄膜電池的相關(guān)研究,在南開完成本碩博連讀后,先后于新奧和中興能源任職,參與了國(guó)內(nèi)第一個(gè)薄膜太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目,也有多年的晶硅研發(fā)經(jīng)驗(yàn)和光伏電站設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

“這也是我們的優(yōu)勢(shì)。”于振瑞笑著說(shuō),“我們比絕大多數(shù)搞鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化的公司更懂光伏,知道一項(xiàng)新技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室邁向產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題和解決方案,更知道行業(yè)需要什么。”

此時(shí)晶硅電池技術(shù)領(lǐng)域,PERC開始發(fā)力并已有內(nèi)卷趨勢(shì),HJT、TopCON和IBC技術(shù)仍然前景不明,于振瑞認(rèn)為作為后進(jìn)者的長(zhǎng)城在晶硅技術(shù)體系中很難有太大發(fā)展空間。

“晶硅雖然一直占據(jù)光伏市場(chǎng)超過(guò)95%的市場(chǎng)份額。但經(jīng)過(guò)70年的研發(fā),20多年商業(yè)化生產(chǎn),無(wú)論是效率還是成本,都已經(jīng)快接近天花板。”于振瑞稱這也是醞釀下一代技術(shù)的最佳時(shí)機(jī),“要實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo),承載全球電力清潔化的任務(wù),總是需要有更大潛力的新技術(shù)接力的。”

而在回顧多年的晶硅和薄膜電池的發(fā)展歷程時(shí),于振瑞覺(jué)得,上述兩種光伏技術(shù)在某種程度上陷入了“瓶頸”。“晶硅光伏技術(shù)的制造工藝很多傳承自半導(dǎo)體工藝,奠定基礎(chǔ)的同時(shí),也讓工藝和成本受到了限制;而且由于制造工藝源自于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體技術(shù),所以技術(shù)同質(zhì)化嚴(yán)重,行業(yè)內(nèi)卷達(dá)到白熱化程度。”或許,突破性的下一代技術(shù),應(yīng)該是去半導(dǎo)體化的獨(dú)立工藝和材料體系。

最終,于振瑞將目光瞄向了鈣鈦礦,被學(xué)界認(rèn)為是“唯一具備商業(yè)化前景的新興光伏技術(shù)”。他說(shuō)服中科院材料學(xué)博士邵君與澳洲回國(guó)博士鄭策,組建了極電光能早期的核心技術(shù)團(tuán)隊(duì)。其中,邵君擁有15年鈣鈦礦光伏電池和染料敏化電池的研究開發(fā)經(jīng)驗(yàn),鄭策則有在全球第一家鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化公司Greatcell Solar 從事鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研發(fā)的經(jīng)驗(yàn)。2020年,另一位薄膜電池領(lǐng)域的工藝和裝備大牛、美國(guó)歸國(guó)博士王雪戈加入團(tuán)隊(duì)。自此,一支由資深鈣鈦礦研發(fā)人員和經(jīng)驗(yàn)豐富的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)人員組成的鈣鈦礦創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)正式亮相。

他們目標(biāo)只有一個(gè):研發(fā)適合大尺寸量產(chǎn)的鈣鈦礦光伏技術(shù)。

天選之子鈣鈦礦

鈣鈦礦近年來(lái)一直非常熱門,全球多家研究機(jī)構(gòu)和高校都在尋求鈣鈦礦的突破。除了看好新能源這個(gè)賽道之外,鈣鈦礦的研發(fā)熱潮背后有其五大優(yōu)勢(shì):

01

鈣鈦礦的效率“天花板”更高

晶硅電池理論上的效率極限是29.4% ,現(xiàn)實(shí)條件可實(shí)現(xiàn)的工程極限效率是27.1%;量產(chǎn)電池方面,根據(jù)中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì)(CPIA)預(yù)測(cè),到2030年,常規(guī)PERC晶硅電池效率24.1%,HJT電池效率26%,TOPCon電池效率25.6%,IBC電池效率26.2%,逼近工程極限,而鈣鈦礦單結(jié)電池理論極限33%。同時(shí),鈣鈦礦電池的結(jié)構(gòu)特性使其對(duì)雜質(zhì)和缺陷的容忍度非常高,因此實(shí)際生產(chǎn)更容易逼近理論極限。

 

 

02

鈣鈦礦的成本更低

鈣鈦礦太陽(yáng)電池材料用量小、制程短、對(duì)材料純度的要求低、生產(chǎn)過(guò)程能耗低、產(chǎn)業(yè)鏈短,是一種“天然的低成本”的光伏技術(shù),鈣鈦礦組件的單瓦成本可以做到6毛錢以下。

03

技術(shù)發(fā)展速度快

于振瑞指出,晶硅技術(shù)經(jīng)歷了近70年的發(fā)展效率才達(dá)到26.7%、經(jīng)過(guò)了40多年實(shí)驗(yàn)室研發(fā)才開始進(jìn)入大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。而鈣鈦礦自2009年誕生,只用了12年就步入產(chǎn)業(yè)化時(shí)代,且效率屢創(chuàng)新高,已經(jīng)達(dá)到25.7%,逼近晶硅電池的最高效率。當(dāng)前關(guān)于鈣鈦礦太陽(yáng)電池的研究仍然異?;钴S,重大發(fā)現(xiàn)屢見(jiàn)Nature、Science等最高學(xué)術(shù)刊物的報(bào)道,還有巨大的技術(shù)潛力可挖;

04

產(chǎn)業(yè)生態(tài)容易搭建

鈣鈦礦工藝流程非常短,在FTO導(dǎo)電玻璃的基礎(chǔ)上,只需要四道主要的鍍膜工藝就可完成電池的制備。從初始原材料到成品光伏組件,全流程可以在一個(gè)工廠完成。鈣鈦礦生產(chǎn)所需原材料沒(méi)有貴重材料,且供應(yīng)穩(wěn)定,不會(huì)發(fā)生上游原材料供應(yīng)短缺和漲價(jià)的制約。透明導(dǎo)電玻璃是成熟的技術(shù),只要有需求,產(chǎn)能可迅速擴(kuò)大,價(jià)格也會(huì)快速降低。鈣鈦礦光伏的產(chǎn)業(yè)鏈很容易搭建起來(lái),因此,只要技術(shù)一旦成熟,快速大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化很容易實(shí)現(xiàn)。

05

外觀漂亮、弱光發(fā)電性能好

鈣鈦礦外觀漂亮、弱光發(fā)電性能好、可以制備在柔性基底上,因此產(chǎn)品形態(tài)和外觀可以多樣化,不但可以像晶硅光伏組件一樣用于各類大型光伏電站,還可以應(yīng)用于BIPV光電建筑、太陽(yáng)能汽車、景觀光伏、便攜電源、傳感器電源等各類“光伏+”場(chǎng)景,應(yīng)用范圍更廣。

此外,鈣鈦礦是被光伏各界極罕見(jiàn)所共同接受的未來(lái)技術(shù),幾乎所有的光伏企業(yè)都認(rèn)為鈣鈦礦是光伏產(chǎn)業(yè)的未來(lái),只是在做單結(jié)結(jié)構(gòu)還是疊層結(jié)構(gòu)上存在不同技術(shù)路線,所以不存在技術(shù)路線零和博弈帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn):只要技術(shù)成熟可靠,就可以獲得成功。

而作為在晶硅、薄膜都做過(guò)研究與生產(chǎn)的資深專家,于振瑞清醒地認(rèn)識(shí)到,鈣鈦礦也存在著需要克服的短板,并且它在研發(fā)階段的部分優(yōu)勢(shì)可能也會(huì)成為量產(chǎn)時(shí)的劣勢(shì),必須從開始就選定真正適合量產(chǎn)的技術(shù)。

鈣鈦礦太陽(yáng)電池對(duì)雜質(zhì)和缺陷容忍度高、對(duì)材料要求低,這讓鈣鈦礦的研發(fā)成本較低。前期工作只需要調(diào)試出合適的配方和對(duì)制備工藝進(jìn)行不同的優(yōu)化,即可在小尺寸基材上很快得到較好的結(jié)果。這讓鈣鈦礦技術(shù)流派繁多,但很多技術(shù)往往沒(méi)有考慮到生產(chǎn)與應(yīng)用端的要求。其實(shí),薄膜類電池技術(shù)始終繞不開的挑戰(zhàn)是大尺寸膜層制備,在大面積上的膜層一致性是所有薄膜電池量產(chǎn)的關(guān)鍵。

“我們一開始考慮的就是能夠?qū)崿F(xiàn)高效大尺寸鈣鈦礦組件的量產(chǎn)技術(shù)”于振瑞表示高新技術(shù)不應(yīng)是空中樓閣,在他從業(yè)的近40年間,見(jiàn)過(guò)太多看上去很美的技術(shù),最終卻倒在了中試或量產(chǎn)這一關(guān)。

外界對(duì)極電的最大印象是“快”。事實(shí)也確實(shí)如此。從2018年6月項(xiàng)目立項(xiàng),到2020年4月成立公司,到現(xiàn)在4年時(shí)間成為鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化排頭兵。

所以,極電從成立那一刻起,就有著很清晰的目標(biāo):做量產(chǎn)下效率最高、穩(wěn)定性最優(yōu)、成本最低的鈣鈦礦電池。

極電光能的鈣鈦礦“黑科技”

鈣鈦礦是一個(gè)“工藝”與“配方”并重的技術(shù),同時(shí)由于技術(shù)路線時(shí)間短,工藝尚未如晶硅般成熟,也無(wú)法向半導(dǎo)體設(shè)備借鑒,適合大尺寸、高效率量產(chǎn)的鈣鈦礦設(shè)備性能提升與國(guó)產(chǎn)化也是必須要解決的問(wèn)題。要實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍,“工藝”、“配方”、“設(shè)備”這三駕馬車必須齊頭并進(jìn)。

2021年5月,極電宣布在63.98cm2的鈣鈦礦光伏組件上實(shí)現(xiàn)了破世界記錄的20.5%的光電轉(zhuǎn)換效率,獲得了日本JET的檢測(cè)認(rèn)證。而更加值得關(guān)注的是,當(dāng)天極電發(fā)布了兩件筆者認(rèn)為更重磅的消息:

第一件是在2021年三季度啟動(dòng)平米級(jí)組件試制線,2022年將產(chǎn)品推向市場(chǎng),說(shuō)明當(dāng)時(shí)鈣鈦礦的量產(chǎn)和大尺寸制備取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

第二件則更為關(guān)鍵地發(fā)布了“極創(chuàng)”整體解決方案,實(shí)際上是闡述了為什么極電可以取得這樣的成就。

“極創(chuàng)”包括推出無(wú)甲胺鈣鈦礦材料體系、“原位固膜”薄膜制備技術(shù)和界面鈍化與缺陷控制技術(shù)三大技術(shù)創(chuàng)新,從材料制作、技術(shù)應(yīng)用、配方改進(jìn)等維度打造核心技術(shù)優(yōu)勢(shì),逐個(gè)攻破鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)在效率提升、大面積制備以及穩(wěn)定性方面的行業(yè)痛點(diǎn),為鈣鈦礦商業(yè)化量產(chǎn)掃清障礙。

筆者認(rèn)為“原位固膜”技術(shù)是鈣鈦礦研發(fā)史上的一次思想飛躍,是打破常規(guī)認(rèn)知的靈感火花,也是另外兩項(xiàng)技術(shù)得以應(yīng)用的基礎(chǔ)。

無(wú)甲胺鈣鈦礦材料體系制備的鈣鈦礦太陽(yáng)電池效率更高,穩(wěn)定性也更好,但是無(wú)甲胺鈣鈦礦薄膜的大面積制備一直是行業(yè)面臨的一大挑戰(zhàn),極電光能的無(wú)甲胺鈣鈦礦材料體系采用了模擬計(jì)算的最佳配比,并添加了獨(dú)創(chuàng)的穩(wěn)相劑和鈍化組分,從材料角度保證了鈣鈦礦組件的穩(wěn)定性、高效率以及大面積制備的可實(shí)現(xiàn)性。

但這還不夠,大尺寸下,一步溶液涂布技術(shù)制程簡(jiǎn)單,但是“涂后不可控”,導(dǎo)致薄膜結(jié)晶受環(huán)境影響大,隨機(jī)性強(qiáng),大面積生產(chǎn)面臨良率低的風(fēng)險(xiǎn)。另外,溶液會(huì)流動(dòng),同時(shí)看似很平的玻璃,在微觀尺度下是凹凸不平的,這對(duì)極薄的溶液來(lái)說(shuō)已經(jīng)有形成“天塹”而無(wú)法均勻結(jié)晶的可能。此前有研究方向是探討如何將玻璃盡可能做的盡量平,減少缺陷,但這樣會(huì)大幅抬高玻璃的成本,同時(shí)越大尺寸,制備越是困難。

而極電光能開創(chuàng)性的用“原位固膜”技術(shù)解決了這個(gè)難題:通過(guò)“干法搭骨架,濕法定結(jié)晶”的策略,彌補(bǔ)了“一步溶液涂布法”的缺陷,先利用真空法制作一層含有密集針孔的“骨架層”,再利用溶液涂布技術(shù)涂敷鈣鈦礦前驅(qū)液,把“形核”與“晶粒生長(zhǎng)”分開,使得鈣鈦礦膜層制備在可控條件下發(fā)生,可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜的面積連續(xù)放大。

界面鈍化與缺陷控制技術(shù)通過(guò)獨(dú)有的鈍化劑和原位緩沖層技術(shù),有效地抑制了鈣鈦礦內(nèi)部和界面缺陷的形成,改善能帶匹配,提高鈣鈦礦電池效率和穩(wěn)定性。

 

 

“在得到馬丁格林教授的認(rèn)可后,我們更堅(jiān)定了方向的正確性。”于振瑞說(shuō)。2021年,在三項(xiàng)鈣鈦礦“黑科技”的加持下,極電全球范圍內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)大面積鈣鈦礦組件效率超過(guò)20%的企業(yè),被現(xiàn)代太陽(yáng)能之父馬丁-格林稱為 “里程碑式的成果”。

鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化元年

據(jù)于振瑞介紹,目前極電全球規(guī)模最大的150MW鈣鈦礦光伏組件試制線設(shè)備已經(jīng)入場(chǎng)安裝調(diào)試,今年第四季度將全面投產(chǎn)。

于振瑞透露了極電目前效率的最新進(jìn)展:

目前極電在20cm2的尺寸上效率超過(guò)了22%,300cm2的效率已經(jīng)超過(guò)了18.2%。他希望在今年年底前900cm2組件效率能達(dá)到19%;計(jì)劃在3年左右,將平米級(jí)組件的效率做到21%以上。目前學(xué)界認(rèn)為鈣鈦礦效率超過(guò)晶硅只是時(shí)間問(wèn)題,已有學(xué)術(shù)界人員探討制備效率超過(guò)30%的電池的可能性。

極電也計(jì)劃在2023年啟動(dòng)首條GW級(jí)生產(chǎn)線的建設(shè),并在2024年正式投產(chǎn),至2026年建成10GW的產(chǎn)能。

于振瑞認(rèn)為2022年是鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化元年。“目前鈣鈦礦相對(duì)晶硅而言有外觀優(yōu)勢(shì),相對(duì)其他薄膜技術(shù)有成本效率雙優(yōu)勢(shì)。未來(lái)鈣鈦礦會(huì)首先從BIPV上取得較大規(guī)模應(yīng)用,也會(huì)在各類光伏電站上取得示范應(yīng)用。”他認(rèn)為到2025年鈣鈦礦技術(shù)將會(huì)邁過(guò)與晶硅技術(shù)正面競(jìng)爭(zhēng)的閾值門檻,占據(jù)度電成本的優(yōu)勢(shì)地位,并進(jìn)一步加速放量,成為主流產(chǎn)品。

而隨著生產(chǎn)線的就位,極電的測(cè)試與實(shí)證也逐步到了數(shù)據(jù)“收獲期”。

此前業(yè)內(nèi)曾有觀點(diǎn),認(rèn)為鈣鈦礦作為有機(jī)物,壽命不可能達(dá)到25年。對(duì)此于振瑞認(rèn)為這是一種出于直覺(jué)的誤解。“很多人認(rèn)為有機(jī)的東西不穩(wěn)定,實(shí)際很多行業(yè)的產(chǎn)品都是有機(jī)的,在室外25年沒(méi)有問(wèn)題。”于振瑞指出鈣鈦礦在2009年開始時(shí),確實(shí)給業(yè)界一個(gè)效率高但衰減快的印象,但現(xiàn)在鈣鈦礦的材料體系與工藝持續(xù)優(yōu)化,穩(wěn)定性已經(jīng)得到了驗(yàn)證。目前不僅能通過(guò)晶硅組件檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)IEC61215的加速老化的認(rèn)證測(cè)試,還通過(guò)了泡水、光老化等更嚴(yán)苛的測(cè)試,表現(xiàn)良好。

“不過(guò),我們還是要用實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)檢驗(yàn)。”鈣鈦礦技術(shù)的成功讓長(zhǎng)城汽車堅(jiān)定了信心,同時(shí)也為極電鈣鈦礦組件的應(yīng)用提供場(chǎng)景支持。極電光能的鈣鈦礦光伏產(chǎn)品將率先在長(zhǎng)城愛(ài)情地產(chǎn)項(xiàng)目上做 BIPV(光伏建筑一體化)示范應(yīng)用,這將是全球第一個(gè)大規(guī)模鈣鈦礦BIPV項(xiàng)目;同時(shí),在與湖北省簽訂的2.8GW光伏項(xiàng)目上,開展鈣鈦礦在大型地面光伏電站上的示范應(yīng)用并逐步大規(guī)模應(yīng)用。

就在本次采訪結(jié)束后的6月17日,科技日?qǐng)?bào)以“可再生能源技術(shù)重要里程碑:鈣鈦礦太陽(yáng)能電池壽命延至30年”為題報(bào)道了美國(guó)普林斯頓大學(xué)一個(gè)研究組發(fā)表在《Science》雜志上的最新成果。該課題組的成果表明,鈣鈦礦太陽(yáng)電池在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合工作30年后,其效率仍保持初始值的80%!

至此,長(zhǎng)城的綠色生態(tài)初步完成閉環(huán)。極電光能已經(jīng)與同屬長(zhǎng)城旗下動(dòng)力電池企業(yè)蜂巢能源、專注氫能及燃料電池技術(shù)及產(chǎn)品研發(fā)的未勢(shì)能源,以及愛(ài)情地產(chǎn)簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議,聯(lián)合新能源行業(yè)上下游企業(yè),持續(xù)加強(qiáng)相互賦能,融合發(fā)展,共同打造長(zhǎng)城的綠色低碳、智能創(chuàng)新的新能源業(yè)務(wù)體系,結(jié)合長(zhǎng)城清潔能源“生產(chǎn)-存儲(chǔ)-使用”一體化供應(yīng)鏈生態(tài)戰(zhàn)略布局,補(bǔ)齊綠色生態(tài)體系中的最后一塊拼圖。

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