穿越“无人区” 钙钛矿太阳能电池量产路径愈明
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身为昆山协鑫光电材料有限公司的CEO，范斌从10年前开始琢磨一个问题：如何让一种以钙钛矿为原料的薄膜太阳能电池实现量产？
对全球光伏行业来说，这是一片还没有人成功穿越过的“无人区”，而放眼人类能源利用的历史长河，这项技术潜力巨大。一旦成功，这项具有更高转换效率和更低生产成本的“黑科技”，不仅将颠覆当前以晶硅路线为主体的整个光伏市场格局，更会大大加速全球的碳达峰碳中和进程。
日前，上海证券报记者在协鑫光电昆山厂区见到了范斌。他穿着黑色短袖T恤和牛仔裤，走到哪手里都拿着一个平板电脑，说话语速很快、思维跳跃，且喜欢不断变换坐姿——比起职业经理人，他更像一位天马行空的极客工程师。
也正因不喜墨守成规，范斌带领协鑫光电在这片“无人区”逢山开路，遇水叠桥。他们和其他几家国内钙钛矿企业一起成为行业的“领跑者”，一步步走出一条钙钛矿电池的量产之路。
◎记者 陈其珏
钙钛矿的前世今生
在协鑫光电昆山厂区的后方，有一大片杂草丛生的空地，地上横列着四排太阳能组件，构成一座迷你光伏电站。但和普通电站有所不同的是，这些组件中有不少都没用铝框封装，外观形状、尺寸大小也不尽一致。
其中，第二排组件上覆盖了一片片深蓝色的电池片，是最常见的单晶硅电池；第三排组件颜色更深，近乎黑色，仔细看上面密布着垂直的细条纹，是一种碲化镉薄膜电池；第一排和第四排组件上的电池则形如半透明的茶色玻璃，正是记者此次探访的主角——钙钛矿薄膜电池。
“这是我们用来对比测试发电效率的一个小型示范电站。通过将早期的实验室小尺寸钙钛矿电池和最新研发的大尺寸钙钛矿电池，以及晶硅、碲化镉电池放置在同一块场地上，在纬度、光照等完全一样的条件下对比它们发电效率的差异。”协鑫光电市场总监王如君对记者说。
记者注意到，第一排组件上的钙钛矿电池大小不一，最小的仅30厘米×30厘米，稍大一点的是65厘米×45厘米，最大的则是1米×2米的商用尺寸。这些由小到大排列的电池片，仿佛浓缩了范斌和协鑫光电研发钙钛矿电池技术的筚路蓝缕。
2021年9月，协鑫光电建成全球首条100兆瓦钙钛矿组件中试线，尺寸正是1米×2米。
“晶硅技术方面已经有一条现成的路可以走了，只要稍微做些修改，改得不行还可以回来。而钙钛矿是在‘无人区’，前面的路通不通，要靠我们自己走出来。”范斌对记者说。
钙钛矿被视为“无人区”，是因为其技术原理和传统的晶硅技术路线全然不同。
作为一种ABX3结构的化合物，钙钛矿的前身还要追溯到近200年前。
1839年的一天，俄罗斯矿物学家古斯塔夫·罗斯在乌拉尔山脉发现一种具有特殊晶体结构的钙和钛氧化物，遂以俄罗斯地质学家列夫·佩罗夫斯基（Lev Perovski）的名字命名。这也是钙钛矿英文名称Perovskite的由来。
2009年，日本科学家宫坂勉率先在染料敏化太阳能电池中使用钙钛矿作为光吸收材料，这种矿物开始在太阳能发电领域崭露头角。令业界称奇的是，这种材料的效率提升速度非常之快——2009年时，用钙钛矿制造的太阳能电池仅有3.8%的转换率，到了2014年，这一数字已提升到19.3%，2023年更是提升到29%。作为对比，晶硅类电池完成这一进程花了40年以上。
过去两年，这种效率的提升非常惊人。
2022年6月，中国科学技术大学宣布，徐集贤教授团队在钙钛矿太阳电池方面获得重要进展，创造了大面积单结钙钛矿电池稳态认证效率的世界纪录——23.7%，被世界纪录权威排行榜——马丁格林效率表的主表收录。
同月，仁烁光能全钙钛矿叠层电池稳态光电转换效率达到28%。半年后，该技术指标又提升至29%。
2023年3月初，极电光能研发的809.8平方厘米大尺寸钙钛矿光伏组件转换效率达到19.9%，创下业内大尺寸钙钛矿组件转换效率纪录。
2023年4月2日，隆基绿能“29.55%的钙钛矿/晶体硅两端叠层太阳电池效率”被中国可再生能源学会光伏专委会推选为2022年太阳能电池中国最高效率。
“2017年晶硅电池的实验室转换效率是26.7%，到2022年提高到26.8%，5年仅提高了0.1个百分点。再看晶硅组件，目前主流的PERC组件转换效率在21%左右，如果用异质结这样最好的电池或许能做出23%以上的效率，已经是市场上能买到的最好的晶硅组件了。但对钙钛矿来说，单结电池效率的理论上限就是33%，叠层电池的理论上限达到43%至45%。至于单结组件的效率，从长远看应该能做到25%至26%这样的水平。未来，如果说能出现30%以上效率的组件，那必然是钙钛矿与某种材料的叠层，单靠晶硅估计很难做到。”范斌说。
他向记者透露，协鑫光电的钙钛矿组件中试线效率已过16%，目标是今年底达到18%，“上周，我们开了一个过16%的庆祝会，效率在一个点一个点地往上爬。”
更高的效率，更低的成本
一方面是效率的“天花板”大幅抬高，另一方面则是制造成本大幅降低。
由于和晶硅路线的制造工艺完全不同，钙钛矿电池可由普通工业化学品和金属廉价制造，并可印刷在塑料柔性膜上大量生产。晶硅电池则先要通过昂贵的高温工艺制成纯度相当高的硅棒并切成硅片，才能制成。
与此同时，钙钛矿对缺陷的耐受性很高。它可溶解在溶剂中，并在接近室温的条件下印刷。这意味着，理论上钙钛矿电池的成本只有晶硅电池的一半甚至更低。
“如果实现大规模生产，钙钛矿电池的成本应该可做到晶硅电池的一半左右，且能耗大幅下降，大概只有晶硅的十分之一。”南京大学光伏专家谭海仁教授对记者说。
但谭海仁认为，钙钛矿电池要取代晶硅电池可能还要3至5年时间，一方面是产能要上来，另一方面是组件效率要做到和晶硅差不多甚至更高。
“钙钛矿的制造成本会显著低于晶硅。以效率18%左右的钙钛矿电池为例，其成本会比晶硅电池低30%左右，这在主流应用场景上已有一定优势。”范斌说。
范斌表示，成本显著下降后，太阳能产品会受到中国、印度等低BOS（除光伏组件外的系统成本）地区的欢迎。在这类地区，组件的成本下降会对总体成本起到较大影响，单结的钙钛矿电池应该有很大几率取代晶硅。在欧美等高BOS地区，钙钛矿和晶硅叠层会更受欢迎。
“当然，随着社会的发展，最终大家的BOS都会提高。也就是说，提升效率才是根本。”范斌说。
在范斌看来，钙钛矿是一种通用型产品，未来会成为市场的绝对主流。“我们不需要为它设计什么特别的应用场景，晶硅能用的地方它都能用，晶硅不能用的地方它也能用。”
“总体而言，晶硅的前景已经一览无遗了。如果要进一步提升整个光伏体系的效率，面前的选择只有钙钛矿。这也是为什么产业界和投资界现在都看好钙钛矿。”范斌说。
神秘的产线
诱人的产业前景，广阔的应用空间，加上趋之若鹜的资本，令钙钛矿这片“无人区”不乏闯荡者。但这些闯荡者对各自采用的工艺、购置的设备往往秘而不宣。
记者在协鑫光电中试线车间外看到，车间的所有窗户都被帘布遮挡得严严实实，仅可从墙上挂着的简介了解相关设备的名称和用途，包括：用于在透明导电玻璃上刻线的激光机、用于电池缓冲层和背电极层制作的镀膜机、用于透明导电玻璃基底和背板玻璃清洗的清洗机等。
之后，记者来到已投产150兆瓦钙钛矿组件中试线并启动全球首条吉瓦级钙钛矿量产线建设的无锡企业——极电光能。在被要求在手机摄像头上贴上“禁止拍照”的贴纸并承诺全程不拿出手机后，记者终于得以参观这座神秘的中试线车间。
这条2022年12月正式投产的产线主要分为前道的镀膜和后道的测试封装两个车间。透过镀膜工艺车间的窗口，只见一条绿色的流水线缓缓滚过一台白色设备，线上铺着一块块导电玻璃。经过设备内部时，几根激光探头带动着光斑在玻璃上时而来回挪移，时而上下起落。
“这是一台激光划刻的设备。”极电光能一位工作人员介绍，和晶硅光伏的生产流程不同，整个钙钛矿的产业链很短，只有12道工序。其中，在镀膜工艺车间的最前部会先进行玻璃的磨边和清洗。在获得洁净的FTO导电玻璃后，通过传输线将之运到这台设备上进行第一道激光划刻——用激光在玻璃上划成若干个主电池的区域。完成后再进入后道的PVD设备进行第一层的电荷传输层制备。
这一步完成后就是关键的钙钛矿层的制备。该工作人员表示，极电光能的钙钛矿制备使用独创的原位固膜两部法，相关设备位于产线的最深处。用该法制备的钙钛矿膜层整体性能更好，成膜质量也更高。
记者顺着该工作人员指的方向望去，只能看到两台大型设备的轮廓。原来，从参观走道能看到的只是最外部的几台设备，真正的关键设备仍“藏在深闺”。这个看起来并不大的车间其实内部很深，整个车间的占地面积有足足8000平方米。
“我们整个产线是往里布局的，所以比较深，有100多米，主要设备很多都在最深处，是大家看不见的。”该工作人员说。
据介绍，这条产线整体呈U形，目前能看到的主要是PVD设备、两台激光划刻设备和一台激光清边机，后者利用激光技术清除掉电池边缘的沉积膜。激光清边结束后，整个前道的镀膜工艺就全部结束，相当于电池片生产的环节到此为止。随后，通过绿色的传输线，电池被输送到后道的测试和封装车间。
再经过多道在线检测、剔除一些不良品后，电池将进行最后的封装。
亟待攻克的难题
对钙钛矿产线、设备和工艺流程的保密工作如此煞费苦心，原因在于，在这片“无人区”闯荡的玩家需要攻克无数难题，也或多或少掌握一些专利。这些专利是他们甩开竞争对手、率先穿越“无人区”的秘诀。
“钙钛矿制备有个最特殊的点是结晶，溶液涂上去后，溶剂挥发掉，晶体长出来。举个例子，泼了杯咖啡在桌上，咖啡干掉后形成的不会是镜面，一定是一圈一圈的印记，但你看我们的钙钛矿层涂上去后却要长成镜面。用电子显微镜看，它是一颗颗晶体很致密地拼接在一起。如何控制晶体的生长，可以说是钙钛矿工艺最大的难点，也是最有特色的地方。”范斌对记者说。
但这只是一方面。范斌表示，还有很多因素如界面控制、激光加工精度等，都会给钙钛矿电池研发带来挑战。
极电光能研发专家王良乐告诉记者，大面积钙钛矿材料的成膜是一个比较特殊的工艺。和其他材料的成膜不同，它是用一种钙钛矿前驱体溶液先在基板上涂开形成均匀平整的湿膜，再进行加热退火处理，使其中的溶剂挥发，溶质反应成核再结晶的一个过程。这个窗口期非常短，所以对成膜工艺的把控非常严格。
“就钙钛矿量产来说，目前狭缝涂布和蒸镀机这两个设备还不够成熟，预计还要1到2年才能真正放量。”苏州方昇光电装备事业部研发总监祝晓钊告诉记者，大面积钙钛矿电池钙钛矿层狭缝涂布成膜工艺难，是因为在大气环境沉积钙钛矿层，成膜过程受环境中的湿度、温度、灰尘影响大，缺陷多。同时，干法湿法混合制程切换繁琐，增加了从大气到真空的过渡腔室设备成本。
谭海仁表示，钙钛矿电池研发最主要的瓶颈还是涂布设备和激光划线设备。一方面是产能要扩大，另一方面是设备本身的性能和良品率也要提升，“随着时间的投入、工程经验的积累，这两个问题还是容易解决的”。
不断涌入的资本
随着研发进展加快，资本市场自2021年起也掀起了一轮钙钛矿投资热潮。
2021年8月，高瓴气候变化团队投资了钙钛矿研发厂商曜能科技；2022年5月，协鑫光电完成数亿元人民币B轮融资，由腾讯创投领投；2022年10月，纤纳光电完成D轮融资；2023年3月，极电光能完成数亿元A轮融资……
“我们去年已做完一轮融资，现在在做第二轮。”谭海仁对记者说。他的另一重身份是仁烁光能董事长。
这家初创的新型钙钛矿太阳能电池研发生产企业，目前正在建设一条150兆瓦的中试线，预计今年底投产。
“这条中试线的第一步还是做单结钙钛矿，等单结工艺跑通后，再去做双结。正常来说，我们希望叠层工艺在产线升级后达到22%以上的组件效率，这样就可以与晶硅竞争。”谭海仁说。
数据显示，仅2021年至2022年，钙钛矿领域投资额就高达近百亿元。
其中，最引人瞩目的莫过于全球最大的薄膜太阳能组件生产商——美国第一太阳能公司5月12日宣布3800万美元收购欧洲钙钛矿技术领导厂家Evolar，战略布局钙钛矿。该消息发布后，第一太阳能股价一天暴涨逾26%。
另用关键字检索相关公告，2022年以来，公告涉及钙钛矿募集资金的A股上市公司达30家。
不仅是光伏企业，一些材料企业也开始转向钙钛矿。近日，广西东岚新材料有限公司完成亿元级A轮融资，其产品序列就包括钙钛矿材料。
量产之谜
不过，对于外界最为关注的钙钛矿太阳能电池量产时点，各方在接受记者采访时观点不一。
祝晓钊预计，钙钛矿电池的设备端成熟并放量还需要1到2年。
“现在大家还处在中试阶段，只有到吉瓦级的生产才能叫大规模量产。我觉得可能还要2到3年时间。”谭海仁说，“一个工厂能连续量产，一年产量达到吉瓦水平，才能叫真正的吉瓦级。目前还不是很成熟，主要是设备端不够成熟。”
范斌认为，在没有实现18%的效率之前就去大规模放量没有任何意义。现在还处在提升产品性能、做技术攻关的阶段。
“因此，我们目前这条线的核心任务仍是解决工艺问题、爬效率。等效率爬到18%后，我们会逐渐把产能放开，最后实现满产。一旦效率达到18%，至少在经济上已经实现闭环，是一个可以真正用于盈利的产品，就看市场接不接受了。”范斌认为，18%的组件效率是量产起点，已能对标目前的碲化镉组件。这也是为什么他选择在示范电站放一排碲化镉组件。
按照范斌的计划，18%的钙钛矿组件效率将在今年底前实现。这意味着届时量产大门有望真正打开。
“如果说效率卡在10%至14%这个区间时，我们还会对前途产生怀疑的话，那么当我们踩到16%这条效率线，后面的局面就越来越明朗。我们现在就处在这个阶段——16%已经踩实，最难的路已经走过。后面可能还有很多挑战，但我们越往前走，‘无人区’的路就越明晰。”范斌说。
