專訪于振瑞：鈣鈦礦進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化元年，極電光能補齊長城綠色生態(tài)鏈
2022-06-27 13:32:51
索比光伏網(wǎng)
史莊，河北保定一個不大的城中村，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;而第二位則是長城汽車的掌門人魏建軍，正在用光伏打造新的“綠色長城”。
由于老鄉(xiāng)的關(guān)系，魏建軍對于光伏的了解非常早，也很感興趣，除了看到新能源的市場機(jī)遇之外，魏建軍更看重長城在邁向綠色轉(zhuǎn)型時的生態(tài)閉環(huán)。在投資鋰電池企業(yè)蜂巢能源和氫能企業(yè)未勢能源之后，長城汽車已經(jīng)形成了新能源汽車、鋰電、氫能的綠色用能體系，但魏建軍覺得還不夠，沒有綠色電力，這個生態(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，魏建軍找到于振瑞，希望找到一個好的光伏項目作為長城汽車邁進(jìn)綠色電力的切入點。
接到任務(wù)后，于振瑞帶隊對光伏的技術(shù)做了全面的梳理。彼時已是他接觸光伏行業(yè)的第32個年頭，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，參與了國內(nèi)第一個薄膜太陽電池產(chǎn)業(yè)化項目，也有多年的晶硅研發(fā)經(jīng)驗和光伏電站設(shè)計經(jīng)驗。
“這也是我們的優(yōu)勢。”于振瑞笑著說，“我們比絕大多數(shù)搞鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化的公司更懂光伏，知道一項新技術(shù)從實驗室邁向產(chǎn)業(yè)化過程中可能遇到的問題和解決方案，更知道行業(yè)需要什么。”
此時晶硅電池技術(shù)領(lǐng)域，PERC開始發(fā)力并已有內(nèi)卷趨勢，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)光伏市場超過95%的市場份額。但經(jīng)過70年的研發(fā)，20多年商業(yè)化生產(chǎn)，無論是效率還是成本，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)的最佳時機(jī)，“要實現(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，于振瑞覺得，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，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)”。他說服中科院材料學(xué)博士邵君與澳洲回國博士鄭策，組建了極電光能早期的核心技術(shù)團(tuán)隊。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，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。2020年，另一位薄膜電池領(lǐng)域的工藝和裝備大牛、美國歸國博士王雪戈加入團(tuán)隊。自此，一支由資深鈣鈦礦研發(fā)人員和經(jīng)驗豐富的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)人員組成的鈣鈦礦創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊正式亮相。
他們目標(biāo)只有一個：研發(fā)適合大尺寸量產(chǎn)的鈣鈦礦光伏技術(shù)。
鈣鈦礦近年來一直非常熱門，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賽道之外，鈣鈦礦的研發(fā)熱潮背后有其五大優(yōu)勢：
晶硅電池理論上的效率極限是29.4% ，現(xiàn)實條件可實現(xiàn)的工程極限效率是27.1%;量產(chǎn)電池方面，根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會(CPIA)預(yù)測，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，鈣鈦礦電池的結(jié)構(gòu)特性使其對雜質(zhì)和缺陷的容忍度非常高，因此實際生產(chǎn)更容易逼近理論極限。
鈣鈦礦太陽電池材料用量小、制程短、對材料純度的要求低、生產(chǎn)過程能耗低、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。
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)過了40多年實驗室研發(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)于鈣鈦礦太陽電池的研究仍然異常活躍，重大發(fā)現(xiàn)屢見Nature、Science等最高學(xué)術(shù)刊物的報道，還有巨大的技術(shù)潛力可挖;
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，全流程可以在一個工廠完成。鈣鈦礦生產(chǎn)所需原材料沒有貴重材料，且供應(yīng)穩(wěn)定，不會發(fā)生上游原材料供應(yīng)短缺和漲價的制約。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，價格也會快速降低。鈣鈦礦光伏的產(chǎn)業(yè)鏈很容易搭建起來，因此，只要技術(shù)一旦成熟，快速大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化很容易實現(xiàn)。
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、太陽能汽車、景觀光伏、便攜電源、傳感器電源等各類“光伏+”場景，應(yīng)用范圍更廣。
此外，鈣鈦礦是被光伏各界極罕見所共同接受的未來技術(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，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)路線零和博弈帶來的風(fēng)險：只要技術(shù)成熟可靠，就可以獲得成功。
而作為在晶硅、薄膜都做過研究與生產(chǎn)的資深專家，于振瑞清醒地認(rèn)識到，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)勢可能也會成為量產(chǎn)時的劣勢，必須從開始就選定真正適合量產(chǎn)的技術(shù)。
鈣鈦礦太陽電池對雜質(zhì)和缺陷容忍度高、對材料要求低，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)往往沒有考慮到生產(chǎn)與應(yīng)用端的要求。其實，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，見過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)。
外界對極電的最大印象是“快”。事實也確實如此。從2018年6月項目立項，到2020年4月成立公司，到現(xiàn)在4年時間成為鈣鈦礦產(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。
鈣鈦礦是一個“工藝”與“配方”并重的技術(shù)，同時由于技術(shù)路線時間短，工藝尚未如晶硅般成熟，也無法向半導(dǎo)體設(shè)備借鑒，適合大尺寸、高效率量產(chǎn)的鈣鈦礦設(shè)備性能提升與國產(chǎn)化也是必須要解決的問題。要實現(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年三季度啟動平米級組件試制線，2022年將產(chǎn)品推向市場，說明當(dāng)時鈣鈦礦的量產(chǎn)和大尺寸制備取得了長足的進(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，逐個攻破鈣鈦礦產(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，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，也是另外兩項技術(shù)得以應(yīng)用的基礎(chǔ)。
無甲胺鈣鈦礦材料體系制備的鈣鈦礦太陽電池效率更高，穩(wěn)定性也更好，但是無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)，極電光能的無甲胺鈣鈦礦材料體系采用了模擬計算的最佳配比，并添加了獨創(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現(xiàn)性。
但這還不夠，大尺寸下，一步溶液涂布技術(shù)制程簡單，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。另外，溶液會流動，同時看似很平的玻璃，在微觀尺度下是凹凸不平的，這對極薄的溶液來說已經(jīng)有形成“天塹”而無法均勻結(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，但這樣會大幅抬高玻璃的成本，同時越大尺寸，制備越是困難。
而極電光能開創(chuàng)性的用“原位固膜”技術(shù)解決了這個難題：通過“干法搭骨架，濕法定結(jié)晶”的策略，彌補了“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”分開，使得鈣鈦礦膜層制備在可控條件下發(fā)生，可實現(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)通過獨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，我們更堅定了方向的正確性。”于振瑞說。2021年，在三項鈣鈦礦“黑科技”的加持下，極電全球范圍內(nèi)率先實現(xiàn)大面積鈣鈦礦組件效率超過20%的企業(yè)，被現(xiàn)代太陽能之父馬丁-格林稱為 “里程碑式的成果”。
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)入場安裝調(diào)試，今年第四季度將全面投產(chǎn)。
目前極電在20cm2的尺寸上效率超過了22%，300cm2的效率已經(jīng)超過了18.2%。他希望在今年年底前900cm2組件效率能達(dá)到19%;計劃在3年左右，將平米級組件的效率做到21%以上。目前學(xué)界認(rèn)為鈣鈦礦效率超過晶硅只是時間問題，已有學(xué)術(shù)界人員探討制備效率超過30%的電池的可能性。
極電也計劃在2023年啟動首條GW級生產(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。“目前鈣鈦礦相對晶硅而言有外觀優(yōu)勢，相對其他薄膜技術(shù)有成本效率雙優(yōu)勢。未來鈣鈦礦會首先從BIPV上取得較大規(guī)模應(yīng)用，也會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)將會邁過與晶硅技術(shù)正面競爭的閾值門檻，占據(jù)度電成本的優(yōu)勢地位，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，極電的測試與實證也逐步到了數(shù)據(jù)“收獲期”。
此前業(yè)內(nèi)曾有觀點，認(rèn)為鈣鈦礦作為有機(jī)物，壽命不可能達(dá)到25年。對此于振瑞認(rèn)為這是一種出于直覺的誤解。“很多人認(rèn)為有機(jī)的東西不穩(wěn)定，實際很多行業(yè)的產(chǎn)品都是有機(jī)的，在室外25年沒有問題。”于振瑞指出鈣鈦礦在2009年開始時，確實給業(yè)界一個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)得到了驗證。目前不僅能通過晶硅組件檢測標(biāo)準(zhǔn)IEC61215的加速老化的認(rèn)證測試，還通過了泡水、光老化等更嚴(yán)苛的測試，表現(xiàn)良好。
“不過，我們還是要用實際應(yīng)用場景來檢驗。”鈣鈦礦技術(shù)的成功讓長城汽車堅定了信心，同時也為極電鈣鈦礦組件的應(yīng)用提供場景支持。極電光能的鈣鈦礦光伏產(chǎn)品將率先在長城愛情地產(chǎn)項目上做 BIPV(光伏建筑一體化)示范應(yīng)用，這將是全球第一個大規(guī)模鈣鈦礦BIPV項目;同時，在與湖北省簽訂的2.8GW光伏項目上，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，科技日報以“可再生能源技術(shù)重要里程碑:鈣鈦礦太陽能電池壽命延至30年”為題報道了美國普林斯頓大學(xué)一個研究組發(fā)表在《Science》雜志上的最新成果。該課題組的成果表明，鈣鈦礦太陽電池在實際應(yīng)用場合工作30年后，其效率仍保持初始值的80%!
至此，長城的綠色生態(tài)初步完成閉環(huán)。極電光能已經(jīng)與同屬長城旗下動力電池企業(yè)蜂巢能源、專注氫能及燃料電池技術(shù)及產(chǎn)品研發(fā)的未勢能源，以及愛情地產(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)合長城清潔能源“生產(chǎn)-存儲-使用”一體化供應(yīng)鏈生態(tài)戰(zhàn)略布局，補齊綠色生態(tài)體系中的最后一塊拼圖。
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