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风口上的钙钛矿:趟“无人区” 解“最痛点” 待“蝶变时”

2024-03-05 钛白粉
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  超高的理论光电转换效率、较大的成本优势以及广泛的下游应用市场,作为下一代最具竞争力的光电材料之一,钙钛矿

  回望过去的一年,符合光伏产业降本增效核心逻辑的钙钛矿,已然被资本之手搅沸。当证券交易市场归于平静,当产业化热盼更趋理性,被视作能够颠覆晶硅体系的第三代光伏技术,钙钛矿电池如何在2023年这一关键年份描绘自己的生长轨迹?其产业化时点是否会提前?行业发展还需解决哪些瓶颈?一旦产业化将对光伏产业链产生哪些影响?

  带着一系列问题,中国证券报记者前往苏州、无锡、镇江等地进行调研。在与头部钙钛矿企业的对话中,记者通过调查了解到,技术在实验室中的“高光成绩”正逐步向产业化落地层面迈进。“中试线是今年重点发力方向。”不少受访企业表示,正在紧锣密鼓地规划建设或调试完善百兆瓦级中试线,为GW级产线冲刺做准备。

  针对产业化所面临的问题,业内人士认为,除工艺端要一直探索试错外,设备端的技术实力也要进一步跟进,两者之间需要保持良性互动以助推产业稳健发展。至于产业化能否提前,今年一线企业的心态更加从容,相较未来的不确定性更着眼于当下的每一天。

  “晶硅电池理论转换效率极限为29.43%,多年来产业界对这一上限的闯关屡次未果。”专家和记者说,相比之下,单结钙钛矿电池的理论效率极限为33%,全钙钛矿叠层电池理论效率高达45%,并且钙钛矿材料全部由自然界常见元素组成,规模化制造不受原材料限制。

  自1839年人类在乌拉尔山脉首次发现矿物质钛酸钙“CaTiO3”后,学术界对结构式为“ABX3”形式且具有与“CaTiO3”相似晶体结构材料的探索从未停止,此后为便于研究将其统称为钙钛矿。时间之河蜿蜒流淌一个多世纪后,这一“非钛非矿”的奇妙化合物在日本被“唤醒”,并以转换效率“从3.8%到10%”的快速成长一战成名,被业界公认有望在太阳能电池的“最痛点”处闪烁其特有的光泽。

  从发展脉络来看,国内企业对于钙钛矿电池技术的研发与国际几乎保持同步。2022年6月,经权威认证,仁烁光能全钙钛矿叠层电池稳态光电转换效率达到28%。仅过了半年,仁烁光能将该技术指标提升至29%,刷新了其在2022年6月创造的世界纪录。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。

  瓶瓶罐罐中的配方材料在调试更新、实验室里的测试数据在不断跳涨,但对于在产业一线的耕耘者而言,过程到底有多艰辛可能只有自己能懂。

  “这是一个真正的‘无人区’,我们基本上没有任何成熟经验可以借鉴,所有的模式都得自己趟。”仁烁光能董事长、南京大学教授谭海仁表示。

  在谭海仁看来,未来一两年内,选择钙钛矿为研发方向的公司需要静下心来思考产业化的技术难点和方向,例如工艺是否能再精进、设备是否能跟得上、应用领域是不是能够再拓展等。“不要讲故事,而是要把技术吃透,走过从‘0到1’的路程,闯过这个‘无人区’。”

  大正微纳总经理马晨同样认为,一个真心实意为产业高质量发展着想的公司,一定能在这片“无人区”耐得住寂寞,并通过团队的努力静待产业化到来。

  2022年10月,纤纳光电完成D轮融资;2022年12月,协鑫光电完成5亿元B+轮融资;2023年3月,极电光能完成数亿元A轮融资……自去年以来,钙钛矿领域投融资事件频发,创投基金、产业资本等纷纷入局。

  巧合的是,在记者前往镇江参观大正微纳研发线的当天,一家来自上海的资管公司也在实地调研。据相关负责人透露,企业内部正在筹备钙钛矿基金,现阶段正对头部公司进行深入了解。

  “一方面,晶硅技术转换效率存在天花板,且‘双碳’对光伏降本增效提出了更高的要求;另一方面,钙钛矿技术在效率和成本两大核心层面的发展速度很快。这个时点催生出的新技术,自然会得到资本关注。”极电光能副总裁姜伟龙说。

  当前,在以晶硅体系为主导的光伏产业中,硅料价格趋势几乎锚定整个光伏产业链的价格趋势。而钙钛矿材料成本仅占钙钛矿电池组件总成本约5%,且生产工艺流程温度不超过150摄氏度。这在降本增效、低碳制备为永恒命题的光伏领域,可以说有着得天独厚的优势。

  据中金公司估算,钙钛矿单结组件、全钙钛矿双结叠层组件的度电成本极限分别约0.255元/度、0.224元/度,较单结晶硅组件的极限值0.285元/度分别低11%、21%。若钙钛矿电池组件技术进一步实现这一度电成本目标值,将撬动标准地面、分布式光伏电站的千亿元市场空间。

  但制约钙钛矿电池产业化的问题目前依旧存在,诸如制作较大尺寸,连续、均匀的钙钛矿涂层较困难,钙钛矿材料也有在一定光照、加热以及湿度条件下易分解等痛点。

  针对市场对钙钛矿要么乐观、要么悲观的极端看法,姜伟龙认为大可不必那么纠结。“对困扰产业高质量发展的问题,只要有比较清晰的研发路径,每天都能看到进步即可,剩下的就交给时间。”姜伟龙表示,外界的冷和热不会影响企业的发展脚步,从研发线到中试线再到量产线,会按照规划路径一步步来。

  “有分歧说明有思考,市场越来越理性是一个好现象。与其过度关注外界的声音,不如把自己的产品做好。我们乐于见到有产业洞见力的机构与我们一道成长,也希望看到真正钻研技术研发的参与者加入进来。当产业高质量发展走上正轨,相信会有客观真实的评判。”谭海仁说。

  谭海仁认为,今年钙钛矿领域相比去年更温和一些,也更健康一些。“一是去年证券交易市场的炒作已逝去;二是一级市场也更为理性,机构真正走进公司实地调研,去了解各家公司的研发实力和技术路径的差异。”

  超高的光电转换效率、较大的成本优势以及广泛的下游应用市场,是推动钙钛矿电池加速产业化的核心因素。

  “从应用角度来讲,不一定所有的新技术全面超过现存技术才能生存,一定是新技术具备现存技术达不到的特点,未来才会存在市场订单。”马晨和记者说,光伏行业发展的新趋势无非是同样场地发更多电或利用更多场地发电。目前柔性轻质化钙钛矿组件效率不如晶硅,但是可实现利用更多场地来发电,比如光伏建筑一体化(BIPV)、车顶、3C应用领域等。这有望给光伏市场带来深远影响,同时也可能是钙钛矿电池的一个突破口。

  东亚前海表示,钙钛矿材料特性决定了钙钛矿电池的制作可采用轻薄、柔性基底,而带隙可调性使其具有室内光伏电池理想的宽带隙,将钙钛矿电池的下游应用场景范围拓展至弱光及室内光伏,进而可以大范围的应用于工业物联网、智能家居和智能出行等领域。

  在大正微纳厂区,记者看到,弱光环境下(仅借助会议室投影幕布光源)依靠钙钛矿电池发电的灯带依旧能够正常发光,小范围光照下给手机进行快充也不受影响。马晨透露,大正微纳的柔性钙钛矿电池可贴附于建筑玻璃内侧,更换成本极低。“公司有机会在这一领域实现重大突破,并已开始布局相关专利。”

  诸多优势加持之下,钙钛矿技术可谓生逢其时。在谭海仁看来,要想实现产业化突破,现阶段最核心的是要解决大面积制备良率、均匀性问题及相应设备端的技术实力,例如激光划线精度等。

  “目前,大面积制备难点大多数表现在钙钛矿电池结构中的钙钛矿层。为解决量产制备问题,研发人员设计了溶液涂布法和真空镀膜法。其中,溶液涂布法因成本低、设备兼容度高等特点成为主流,但大面积制备的均匀性、连续重复生产能力等难关仍需重点攻克。”马晨表示,设备研发的门槛和壁垒很高,目前国产涂布设备还要进一步提升技术能力,这需要下游企业做支撑来形成良性循环,也需要积累长期经验。

  民生研究院院长助理、电新行业首席分析师邓永康表示,激光刻蚀同样是钙钛矿电池制备的重要环节,激光工艺关系到薄膜的损伤缺陷以及被切面的平整光滑程度,这类问题会共同影响电池的效率和寿命。

  “碲化镉等薄膜类电池国际头部企业产业化速度发展非常迅速,根本原因之一就是在激光设备上实现了突破。”谭海仁和记者说,对一个刚刚成长的产业而言,设备端和工艺端需要共同进步,设备端的迭代需要工艺端一直在改进反馈,设备端的成长也将有效推动工艺端的进步。

  “个人认为,涂布和激光设备如果能逐步完善,钙钛矿电池大规模制造会更有底气。”谭海仁说。

  在一个充分竞争的市场中,当一项成本和效率优势相对明显的新技术出现后,对其产业化的判断自然被摆上台面。一个核心关注点是:经过一年多的加快速度进行发展,钙钛矿电池产业化时点能否提前?

  “不会提前,也没必要提前。”针对这一问题,谭海仁的观点十分鲜明。他认为,一个健康的行业一定要遵循其自身发展规律,根据下游市场需求,摸清自身技术实力,沉下心来钻研技术难点才会走得远,而不是在产业化尚未成熟时盲目推出。

  浙江省光伏产业技术创新战略联盟秘书长赵永红持同样观点。“(钙钛矿电池)值得业界去努力,行业协会也会支持。但一个产品的成熟需要走很长的路,不能拔苗助长,更不能把不成熟的产品大规模推向市场。”赵永红说。

  “还需要3年左右才能真正向GW级突破,但从行业稳健发展角度来看,这已经很成功了。”谭海仁和记者说,平米级别测试的量产效率纪录目前不到15%,若能达到18%,无疑会是业内一个里程碑。“也许今年,也有一定的可能是明年,无论是谁跑出来都可以,我们等待这一刻到来。”

  “业界这几年在做的一个很重要的事就是投建自己的百兆瓦级中试线,因为走向量产必须在平米级尺寸上结合自动化连续生产来进行工艺验证。”姜伟龙表示,一旦百兆瓦级工艺顺利跑通,可为设备选型积累更多可行经验,从而大大加速未来GW级产线的建设进度。

  姜伟龙介绍,目前极电光能150MW钙钛矿产线处在工艺调试和小批量出货阶段,预计今年上半年陆续完成部分示范项目的交付。仁烁光能也在加速推进钙钛矿电池组件的产业化,公司投建的150MW中试线工艺方案已经定型,计划于2023年底完成0.6米x1.2米组件出片,2024年组件效率争取做到18%,2025年争取达到20%。

  不仅是中试线,记者在采访中获悉,GW级产线也已提上日程。谭海仁和记者说,公司会在2024年底至2025年初考虑GW级产线建设,投产粗略估计会在2026年。姜伟龙则透露,公司已启动GW级产线土建工作,并在下半年采购设备,2024年三季度投入试生产。

  基于当前企业的产能规划,预计,2026年国内钙钛矿总产能有望突破25GW,钙钛矿设备行业2026年年产值有望突破100亿元。

  华泰证券觉得,设备先行是新技术发展初期的重要逻辑,一旦产业化具备雏形,设备商有望率先兑现业绩。

  记者梳理发现,当前国内主要的涂布设备厂商大多数是非上市公司,包括德沪涂膜、大正微纳、众能光电等;镀膜设备领域则有京山轻机、捷佳伟创、奥来德等上市公司。

  马晨和记者说,高精密狭缝涂布机是大正微纳核心技术之一,团队通过技术研发实现了连续四层纳米级别薄膜的液相涂布制备,且核心设备能够自主生产,从而大幅度降低设备成本。

  在激光设备领域,帝尔激光、德龙激光、大族激光、杰普特等上市公司具备先发优势。推出了针对钙钛矿电池生产整段激光设备,目前已投入客户量产线使用。也表示,目前公司面向钙钛矿电池行业的几家龙头、前沿研究机构,均有激光设备的交付销售,以及大尺寸激光加工设施的整线交付。

 

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