身為昆山協(xié)鑫光電材料有限公司的CEO，范斌從10年前開始琢磨一個(gè)問題：如何讓一種以鈣鈦礦為原料的薄膜太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)？

對(duì)全球光伏行業(yè)來說，這是一片還沒有人成功穿越過的“無(wú)人區(qū)”，而放眼人類能源利用的歷史長(zhǎng)河，這項(xiàng)技術(shù)潛力巨大。一旦成功，這項(xiàng)具有更高轉(zhuǎn)換效率和更低生產(chǎn)成本的“黑科技”，不僅將顛覆當(dāng)前以晶硅路線為主體的整個(gè)光伏市場(chǎng)格局，更會(huì)大大加速全球的碳達(dá)峰碳中和進(jìn)程。

日前，上海證券報(bào)記者在協(xié)鑫光電昆山廠區(qū)見到了范斌。他穿著黑色短袖T恤和牛仔褲，走到哪手里都拿著一個(gè)平板電腦，說話語(yǔ)速很快、思維跳躍，且喜歡不斷變換坐姿——比起職業(yè)經(jīng)理人，他更像一位天馬行空的極客工程師。

也正因不喜墨守成規(guī)，范斌帶領(lǐng)協(xié)鑫光電在這片“無(wú)人區(qū)”逢山開路，遇水疊橋。他們和其他幾家國(guó)內(nèi)鈣鈦礦企業(yè)一起成為行業(yè)的“領(lǐng)跑者”，一步步走出一條鈣鈦礦電池的量產(chǎn)之路。

鈣鈦礦的前世今生

在協(xié)鑫光電昆山廠區(qū)的后方，有一大片雜草叢生的空地，地上橫列著四排太陽(yáng)能組件，構(gòu)成一座迷你光伏電站。但和普通電站有所不同的是，這些組件中有不少都沒用鋁框封裝，外觀形狀、尺寸大小也不盡一致。

其中，第二排組件上覆蓋了一片片深藍(lán)色的電池片，是最常見的單晶硅電池；第三排組件顏色更深，近乎黑色，仔細(xì)看上面密布著垂直的細(xì)條紋，是一種碲化鎘薄膜電池；第一排和第四排組件上的電池則形如半透明的茶色玻璃，正是記者此次探訪的主角——鈣鈦礦薄膜電池。

“這是我們用來對(duì)比測(cè)試發(fā)電效率的一個(gè)小型示范電站。通過將早期的實(shí)驗(yàn)室小尺寸鈣鈦礦電池和最新研發(fā)的大尺寸鈣鈦礦電池，以及晶硅、碲化鎘電池放置在同一塊場(chǎng)地上，在緯度、光照等完全一樣的條件下對(duì)比它們發(fā)電效率的差異。”協(xié)鑫光電市場(chǎng)總監(jiān)王如君對(duì)記者說。

記者注意到，第一排組件上的鈣鈦礦電池大小不一，最小的僅30厘米×30厘米，稍大一點(diǎn)的是65厘米×45厘米，最大的則是1米×2米的商用尺寸。這些由小到大排列的電池片，仿佛濃縮了范斌和協(xié)鑫光電研發(fā)鈣鈦礦電池技術(shù)的篳路藍(lán)縷。

2021年9月，協(xié)鑫光電建成全球首條100兆瓦鈣鈦礦組件中試線，尺寸正是1米×2米。

“晶硅技術(shù)方面已經(jīng)有一條現(xiàn)成的路可以走了，只要稍微做些修改，改得不行還可以回來。而鈣鈦礦是在‘無(wú)人區(qū)’，前面的路通不通，要靠我們自己走出來。”范斌對(duì)記者說。

鈣鈦礦被視為“無(wú)人區(qū)”，是因?yàn)槠浼夹g(shù)原理和傳統(tǒng)的晶硅技術(shù)路線全然不同。

作為一種ABX3結(jié)構(gòu)的化合物，鈣鈦礦的前身還要追溯到近200年前。

1839年的一天，俄羅斯礦物學(xué)家古斯塔夫·羅斯在烏拉爾山脈發(fā)現(xiàn)一種具有特殊晶體結(jié)構(gòu)的鈣和鈦氧化物，遂以俄羅斯地質(zhì)學(xué)家列夫·佩羅夫斯基（Lev Perovski）的名字命名。這也是鈣鈦礦英文名稱Perovskite的由來。

2009年，日本科學(xué)家宮坂勉率先在染料敏化太陽(yáng)能電池中使用鈣鈦礦作為光吸收材料，這種礦物開始在太陽(yáng)能發(fā)電領(lǐng)域嶄露頭角。令業(yè)界稱奇的是，這種材料的效率提升速度非常之快——2009年時(shí)，用鈣鈦礦制造的太陽(yáng)能電池僅有3.8%的轉(zhuǎn)換率，到了2014年，這一數(shù)字已提升到19.3%，2023年更是提升到29%。作為對(duì)比，晶硅類電池完成這一進(jìn)程花了40年以上。

過去兩年，這種效率的提升非常驚人。

2022年6月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布，徐集賢教授團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦太陽(yáng)電池方面獲得重要進(jìn)展，創(chuàng)造了大面積單結(jié)鈣鈦礦電池穩(wěn)態(tài)認(rèn)證效率的世界紀(jì)錄——23.7%，被世界紀(jì)錄權(quán)威排行榜——馬丁格林效率表的主表收錄。

同月，仁爍光能全鈣鈦礦疊層電池穩(wěn)態(tài)光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到28%。半年后，該技術(shù)指標(biāo)又提升至29%。

2023年3月初，極電光能研發(fā)的809.8平方厘米大尺寸鈣鈦礦光伏組件轉(zhuǎn)換效率達(dá)到19.9%，創(chuàng)下業(yè)內(nèi)大尺寸鈣鈦礦組件轉(zhuǎn)換效率紀(jì)錄。

2023年4月2日，隆基綠能“29.55%的鈣鈦礦/晶體硅兩端疊層太陽(yáng)電池效率”被中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)光伏專委會(huì)推選為2022年太陽(yáng)能電池中國(guó)最高效率。

年晶硅電池的實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率是26.7%，到2022年提高到26.8%，5年僅提高了0.1個(gè)百分點(diǎn)。再看晶硅組件，目前主流的PERC組件轉(zhuǎn)換效率在21%左右，如果用異質(zhì)結(jié)這樣最好的電池或許能做出23%以上的效率，已經(jīng)是市場(chǎng)上能買到的最好的晶硅組件了。但對(duì)鈣鈦礦來說，單結(jié)電池效率的理論上限就是33%，疊層電池的理論上限達(dá)到43%至45%。至于單結(jié)組件的效率，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看應(yīng)該能做到25%至26%這樣的水平。未來，如果說能出現(xiàn)30%以上效率的組件，那必然是鈣鈦礦與某種材料的疊層，單靠晶硅估計(jì)很難做到。”范斌說。

他向記者透露，協(xié)鑫光電的鈣鈦礦組件中試線效率已過16%，目標(biāo)是今年底達(dá)到18%，“上周，我們開了一個(gè)過16%的慶祝會(huì)，效率在一個(gè)點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)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，另一方面則是制造成本大幅降低。

由于和晶硅路線的制造工藝完全不同，鈣鈦礦電池可由普通工業(yè)化學(xué)品和金屬廉價(jià)制造，并可印刷在塑料柔性膜上大量生產(chǎn)。晶硅電池則先要通過昂貴的高溫工藝制成純度相當(dāng)高的硅棒并切成硅片，才能制成。

與此同時(shí)，鈣鈦礦對(duì)缺陷的耐受性很高。它可溶解在溶劑中，并在接近室溫的條件下印刷。這意味著，理論上鈣鈦礦電池的成本只有晶硅電池的一半甚至更低。

“如果實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，鈣鈦礦電池的成本應(yīng)該可做到晶硅電池的一半左右，且能耗大幅下降，大概只有晶硅的十分之一。”南京大學(xué)光伏專家譚海仁教授對(duì)記者說。

但譚海仁認(rèn)為，鈣鈦礦電池要取代晶硅電池可能還要3至5年時(shí)間，一方面是產(chǎn)能要上來，另一方面是組件效率要做到和晶硅差不多甚至更高。

“鈣鈦礦的制造成本會(huì)顯著低于晶硅。以效率18%左右的鈣鈦礦電池為例，其成本會(huì)比晶硅電池低30%左右，這在主流應(yīng)用場(chǎng)景上已有一定優(yōu)勢(shì)。”范斌說。

范斌表示，成本顯著下降后，太陽(yáng)能產(chǎn)品會(huì)受到中國(guó)、印度等低BOS（除光伏組件外的系統(tǒng)成本）地區(qū)的歡迎。在這類地區(qū)，組件的成本下降會(huì)對(duì)總體成本起到較大影響，單結(jié)的鈣鈦礦電池應(yīng)該有很大幾率取代晶硅。在歐美等高BOS地區(qū)，鈣鈦礦和晶硅疊層會(huì)更受歡迎。

“當(dāng)然，隨著社會(huì)的發(fā)展，最終大家的BOS都會(huì)提高。也就是說，提升效率才是根本。”范斌說。

在范斌看來，鈣鈦礦是一種通用型產(chǎn)品，未來會(huì)成為市場(chǎng)的絕對(duì)主流。“我們不需要為它設(shè)計(jì)什么特別的應(yīng)用場(chǎng)景，晶硅能用的地方它都能用，晶硅不能用的地方它也能用。”

“總體而言，晶硅的前景已經(jīng)一覽無(wú)遺了。如果要進(jìn)一步提升整個(gè)光伏體系的效率，面前的選擇只有鈣鈦礦。這也是為什么產(chǎn)業(yè)界和投資界現(xiàn)在都看好鈣鈦礦。”范斌說。

神秘的產(chǎn)線

誘人的產(chǎn)業(yè)前景，廣闊的應(yīng)用空間，加上趨之若鶩的資本，令鈣鈦礦這片“無(wú)人區(qū)”不乏闖蕩者。但這些闖蕩者對(duì)各自采用的工藝、購(gòu)置的設(shè)備往往秘而不宣。

記者在協(xié)鑫光電中試線車間外看到，車間的所有窗戶都被簾布遮擋得嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)，僅可從墻上掛著的簡(jiǎn)介了解相關(guān)設(shè)備的名稱和用途，包括：用于在透明導(dǎo)電玻璃上刻線的激光機(jī)、用于電池緩沖層和背電極層制作的鍍膜機(jī)、用于透明導(dǎo)電玻璃基底和背板玻璃清洗的清洗機(jī)等。

之后，記者來到已投產(chǎn)150兆瓦鈣鈦礦組件中試線并啟動(dòng)全球首條吉瓦級(jí)鈣鈦礦量產(chǎn)線建設(shè)的無(wú)錫企業(yè)——極電光能。在被要求在手機(jī)攝像頭上貼上“禁止拍照”的貼紙并承諾全程不拿出手機(jī)后，記者終于得以參觀這座神秘的中試線車間。

這條2022年12月正式投產(chǎn)的產(chǎn)線主要分為前道的鍍膜和后道的測(cè)試封裝兩個(gè)車間。透過鍍膜工藝車間的窗口，只見一條綠色的流水線緩緩滾過一臺(tái)白色設(shè)備，線上鋪著一塊塊導(dǎo)電玻璃。經(jīng)過設(shè)備內(nèi)部時(shí)，幾根激光探頭帶動(dòng)著光斑在玻璃上時(shí)而來回挪移，時(shí)而上下起落。

“這是一臺(tái)激光劃刻的設(shè)備。”極電光能一位工作人員介紹，和晶硅光伏的生產(chǎn)流程不同，整個(gè)鈣鈦礦的產(chǎn)業(yè)鏈很短，只有12道工序。其中，在鍍膜工藝車間的最前部會(huì)先進(jìn)行玻璃的磨邊和清洗。在獲得潔凈的FTO導(dǎo)電玻璃后，通過傳輸線將之運(yùn)到這臺(tái)設(shè)備上進(jìn)行第一道激光劃刻——用激光在玻璃上劃成若干個(gè)主電池的區(qū)域。完成后再進(jìn)入后道的PVD設(shè)備進(jìn)行第一層的電荷傳輸層制備。

這一步完成后就是關(guān)鍵的鈣鈦礦層的制備。該工作人員表示，極電光能的鈣鈦礦制備使用獨(dú)創(chuàng)的原位固膜兩部法，相關(guān)設(shè)備位于產(chǎn)線的最深處。用該法制備的鈣鈦礦膜層整體性能更好，成膜質(zhì)量也更高。

記者順著該工作人員指的方向望去，只能看到兩臺(tái)大型設(shè)備的輪廓。原來，從參觀走道能看到的只是最外部的幾臺(tái)設(shè)備，真正的關(guān)鍵設(shè)備仍“藏在深閨”。這個(gè)看起來并不大的車間其實(shí)內(nèi)部很深，整個(gè)車間的占地面積有足足8000平方米。

“我們整個(gè)產(chǎn)線是往里布局的，所以比較深，有100多米，主要設(shè)備很多都在最深處，是大家看不見的。”該工作人員說。

據(jù)介紹，這條產(chǎn)線整體呈U形，目前能看到的主要是PVD設(shè)備、兩臺(tái)激光劃刻設(shè)備和一臺(tái)激光清邊機(jī)，后者利用激光技術(shù)清除掉電池邊緣的沉積膜。激光清邊結(jié)束后，整個(gè)前道的鍍膜工藝就全部結(jié)束，相當(dāng)于電池片生產(chǎn)的環(huán)節(jié)到此為止。隨后，通過綠色的傳輸線，電池被輸送到后道的測(cè)試和封裝車間。

再經(jīng)過多道在線檢測(cè)、剔除一些不良品后，電池將進(jìn)行最后的封裝。

亟待攻克的難題

對(duì)鈣鈦礦產(chǎn)線、設(shè)備和工藝流程的保密工作如此煞費(fèi)苦心，原因在于，在這片“無(wú)人區(qū)”闖蕩的玩家需要攻克無(wú)數(shù)難題，也或多或少掌握一些專利。這些專利是他們甩開競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手、率先穿越“無(wú)人區(qū)”的秘訣。

“鈣鈦礦制備有個(gè)最特殊的點(diǎn)是結(jié)晶，溶液涂上去后，溶劑揮發(fā)掉，晶體長(zhǎng)出來。舉個(gè)例子，潑了杯咖啡在桌上，咖啡干掉后形成的不會(huì)是鏡面，一定是一圈一圈的印記，但你看我們的鈣鈦礦層涂上去后卻要長(zhǎng)成鏡面。用電子顯微鏡看，它是一顆顆晶體很致密地拼接在一起。如何控制晶體的生長(zhǎng)，可以說是鈣鈦礦工藝最大的難點(diǎn)，也是最有特色的地方。”范斌對(duì)記者說。

但這只是一方面。范斌表示，還有很多因素如界面控制、激光加工精度等，都會(huì)給鈣鈦礦電池研發(fā)帶來挑戰(zhàn)。

極電光能研發(fā)專家王良樂告訴記者，大面積鈣鈦礦材料的成膜是一個(gè)比較特殊的工藝。和其他材料的成膜不同，它是用一種鈣鈦礦前驅(qū)體溶液先在基板上涂開形成均勻平整的濕膜，再進(jìn)行加熱退火處理，使其中的溶劑揮發(fā)，溶質(zhì)反應(yīng)成核再結(jié)晶的一個(gè)過程。這個(gè)窗口期非常短，所以對(duì)成膜工藝的把控非常嚴(yán)格。

“就鈣鈦礦量產(chǎn)來說，目前狹縫涂布和蒸鍍機(jī)這兩個(gè)設(shè)備還不夠成熟，預(yù)計(jì)還要1到2年才能真正放量。”蘇州方昇光電裝備事業(yè)部研發(fā)總監(jiān)祝曉釗告訴記者，大面積鈣鈦礦電池鈣鈦礦層狹縫涂布成膜工藝難，是因?yàn)樵诖髿猸h(huán)境沉積鈣鈦礦層，成膜過程受環(huán)境中的濕度、溫度、灰塵影響大，缺陷多。同時(shí)，干法濕法混合制程切換繁瑣，增加了從大氣到真空的過渡腔室設(shè)備成本。

譚海仁表示，鈣鈦礦電池研發(fā)最主要的瓶頸還是涂布設(shè)備和激光劃線設(shè)備。一方面是產(chǎn)能要擴(kuò)大，另一方面是設(shè)備本身的性能和良品率也要提升，“隨著時(shí)間的投入、工程經(jīng)驗(yàn)的積累，這兩個(gè)問題還是容易解決的”。

不斷涌入的資本

隨著研發(fā)進(jìn)展加快，資本市場(chǎng)自2021年起也掀起了一輪鈣鈦礦投資熱潮。

2021年8月，高瓴氣候變化團(tuán)隊(duì)投資了鈣鈦礦研發(fā)廠商曜能科技；2022年5月，協(xié)鑫光電完成數(shù)億元人民幣B輪融資，由騰訊創(chuàng)投領(lǐng)投；2022年10月，纖納光電完成D輪融資；2023年3月，極電光能完成數(shù)億元A輪融資……

“我們?nèi)ツ暌炎鐾暌惠喨谫Y，現(xiàn)在在做第二輪。”譚海仁對(duì)記者說。他的另一重身份是仁爍光能董事長(zhǎng)。

這家初創(chuàng)的新型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)，目前正在建設(shè)一條150兆瓦的中試線，預(yù)計(jì)今年底投產(chǎn)。

“這條中試線的第一步還是做單結(jié)鈣鈦礦，等單結(jié)工藝跑通后，再去做雙結(jié)。正常來說，我們希望疊層工藝在產(chǎn)線升級(jí)后達(dá)到22%以上的組件效率，這樣就可以與晶硅競(jìng)爭(zhēng)。”譚海仁說。

數(shù)據(jù)顯示，僅2021年至2022年，鈣鈦礦領(lǐng)域投資額就高達(dá)近百億元。

其中，最引人矚目的莫過于全球最大的薄膜太陽(yáng)能組件生產(chǎn)商——美國(guó)第一太陽(yáng)能公司5月12日宣布3800萬(wàn)美元收購(gòu)歐洲鈣鈦礦技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)廠家Evolar，戰(zhàn)略布局鈣鈦礦。該消息發(fā)布后，第一太陽(yáng)能股價(jià)一天暴漲逾26%。

另用關(guān)鍵字檢索相關(guān)公告，2022年以來，公告涉及鈣鈦礦募集資金的A股上市公司達(dá)30家。

不僅是光伏企業(yè)，一些材料企業(yè)也開始轉(zhuǎn)向鈣鈦礦。近日，廣西東嵐新材料有限公司完成億元級(jí)A輪融資，其產(chǎn)品序列就包括鈣鈦礦材料。

量產(chǎn)之謎

不過，對(duì)于外界最為關(guān)注的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池量產(chǎn)時(shí)點(diǎn)，各方在接受記者采訪時(shí)觀點(diǎn)不一。

祝曉釗預(yù)計(jì)，鈣鈦礦電池的設(shè)備端成熟并放量還需要1到2年。

“現(xiàn)在大家還處在中試階段，只有到吉瓦級(jí)的生產(chǎn)才能叫大規(guī)模量產(chǎn)。我覺得可能還要2到3年時(shí)間。”譚海仁說，“一個(gè)工廠能連續(xù)量產(chǎn)，一年產(chǎn)量達(dá)到吉瓦水平，才能叫真正的吉瓦級(jí)。目前還不是很成熟，主要是設(shè)備端不夠成熟。”

范斌認(rèn)為，在沒有實(shí)現(xiàn)18%的效率之前就去大規(guī)模放量沒有任何意義。現(xiàn)在還處在提升產(chǎn)品性能、做技術(shù)攻關(guān)的階段。

“因此，我們目前這條線的核心任務(wù)仍是解決工藝問題、爬效率。等效率爬到18%后，我們會(huì)逐漸把產(chǎn)能放開，最后實(shí)現(xiàn)滿產(chǎn)。一旦效率達(dá)到18%，至少在經(jīng)濟(jì)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)，是一個(gè)可以真正用于盈利的產(chǎn)品，就看市場(chǎng)接不接受了。”范斌認(rèn)為，18%的組件效率是量產(chǎn)起點(diǎn)，已能對(duì)標(biāo)目前的碲化鎘組件。這也是為什么他選擇在示范電站放一排碲化鎘組件。

按照范斌的計(jì)劃，18%的鈣鈦礦組件效率將在今年底前實(shí)現(xiàn)。這意味著屆時(shí)量產(chǎn)大門有望真正打開。

“如果說效率卡在10%至14%這個(gè)區(qū)間時(shí)，我們還會(huì)對(duì)前途產(chǎn)生懷疑的話，那么當(dāng)我們踩到16%這條效率線，后面的局面就越來越明朗。我們現(xiàn)在就處在這個(gè)階段——16%已經(jīng)踩實(shí)，最難的路已經(jīng)走過。后面可能還有很多挑戰(zhàn)，但我們?cè)酵白撸疅o(wú)人區(qū)’的路就越明晰。”范斌說。