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经纬科创汇碳中和专场又与大家见面了，我们邀请学界与业界的资深专家，以及行业投资人与创业者来进行交流。 本篇是我们碳中和系列的第8篇文章，访谈对象是范斌，他是协鑫光电董事长，毕业于清华大学化学系，2010年领导建成了国内第一条大面积钙钛矿太阳能电池中试生产线，随后在钙钛矿技术路径上，从光电转换效率到量产工艺，不断获得新突破。 我们主要探讨了钙钛矿电池的技术原理、配方种类，激光刻蚀、涂布、结晶等关键工艺流程、性能优劣势等等，以及分析了钙钛矿稳定性、认证测试情况等问题。钙钛矿作为薄膜电池中极具潜力的技术路径，正在以前所未有的速度成熟。 如果你想更系统地了解碳中和（光伏、储能、碳捕捉等），请参考我们本期科创汇的其他文章，未来我们还会分享一系列分析研究。降本提效是光伏行业永恒的追求，PERC之后可能是异质结（HJT）、TOPCon或IBC，而再之后很可能是钙钛矿。钙钛矿的光电转化效率上限更高，可以突破晶硅电池极限，并且原材料从硅料换成钙钛矿，成本更低廉。以下，Enjoy： 经纬：钙钛矿的优势非常多，它是由电子传输层、钙钛矿层以及空穴传输层组成的“三明治”薄膜结构，优势包括了光电转换效率高，制备环节减少、成本更低等各方面。实现这些优势背后的原理是什么？范斌：当一个材料能有不断调整的空间时，那就会有更多机会去迭代出最优解。对于晶硅来说，从材料的视角看，它并不是一个很好的光电转化材料，它能成为主流主要是与半导体行业的发展有很大关系。它只是一个起步，不是终点。
比如如果从带隙角度看，晶硅的带隙有比较宽的吸收光谱，但这也意味着它在电压上的损失比较大。所以钙钛矿的价值在于，它有着可以连续可调的带隙。 在七、八十年代，陆续出现了一波薄膜电池，像砷化镓、碲化镉、铜铟镓硒等等，它在一定范围内可以调整带隙，但可调整范围比较窄，因为它们是纯无机的结构。碲化镉还是偏离最优带隙比较多，铜铟镓硒也一样，砷化镓非常贴近最佳带隙，但是它的制造工艺又很贵，所以砷化镓的成本降不下来。在钙钛矿技术出现之前，其实学术界和产业界已经努力探索新的材料，希望通过人工合成的方式，来获得更好的带隙材料，而钙钛矿是完全符合这个思想的，它配方的可调性也远远超过前面那些材料。这就是钙钛矿原理性的优势。 经纬：有关钙钛矿太阳能电池配方的种类，目前甲脒铅碘是用得比较多的。您认为对于配方，学界和产业界目前有达成共识吗？在这方面未来还会有哪些可能的突破？范斌：目前在论文里，见得最多的是三元的方案，往往是甲胺、甲脒和铯这样的三元组合，这是目前为止能够实现最高效率的一个方案。当然也有人在尝试二元组合，有的也能做出很高的效率。不过我并不认为配方组合已经是最优的了，后面的可能性依然非常多。现在我觉得市场共识是，后面还会有更好的东西出现，不会止步于此。当然，配方比例只是其中一环，构成配方的还有各种添加剂、钝化剂、缓冲层等等，这些也都是配方构成的一部分。比如某些添加剂是用来促进结晶的，这些材料能在结晶过程中优先挥发出来。还有一类是钝化剂，由于晶体是重复结构，所以它的边缘结构一定存在缺失，比如一起出现的A、B，到最后一定会出现只有A或者B的状态，所以边缘钝化很有必要，因为边缘的缺失会导致边缘离子出现扩散风险，这样会影响效率和稳定性。再有就是缓冲层，不同的带隙以及不同的状态，要匹配不同的缓冲层，以此形成比较好的欧姆接触，所以这三者对于配方来说都是必不可少的，同时完善好才是一个完整的配方。 经纬：在钙钛矿的工艺环节里，激光刻蚀的成熟度如何？范斌：我现在的看法是，激光刻蚀也不见得那么成熟，其实还是有很多地方有待突破。我们现在跟一些供应商一起努力，但结果现在还远远称不上完美。钙钛矿在激光刻蚀上其实是有特殊要求的，我们简单来看像当年的碲化镉和铜铟镓硒，这是微米级别，铜铟镓硒可能三、五个微米，碲化镉两个微米，但钙钛矿是0.3-0.5微米的级别，所以加工精度的要求是更高的，直接把以前的设备移植过来，并不能实现最佳状态，需要修改的地方非常多，这也是我们深入探究的时候才逐渐体会到的。 所以现在的制造工艺里，激光刻蚀依然是难点，并且不容易。 经纬：除了激光刻蚀之外，想要量产，目前的涂布工艺成熟度如何？范斌：涂布本身是容易的，但是涂完之后的结晶环节不容易。钙钛矿对涂布的工艺要求，并没有超过面板行业的要求，只要能够涂均匀就可以了。所以涂布环节直接买现成的设备几乎就可以了，这是一个比较成熟的工艺。难点在后面的结晶，这里面需要更好的均匀度，并且在连续生产中，重现性也要更好，这些都是需要累积更多经验的。这一环节的一大难点是，在别的行业里没有相关应用，几乎是专门为钙钛矿而开发的。我们要在大组件上，获得时间和空间上的高度一致性，这里面的难度可想而知。 我们的结晶设备是自主开发的，再委托给机器厂帮我们加工出来，这一直是我们整个工艺环节的重中之重，目前可以说在一米乘两米的面积上，已经能够比较好地解决结晶问题。我们在进步，但还没有到完美。 经纬：从原理层面，结晶之所以难，主要是卡在了哪里？范斌：在实验室里，针对1平方厘米或者0.1平方厘米时，要获得一个运作良好的结晶程序容易很多，但当放大到一米乘两米的时候，要在每个位置都达到同样的效果，这个难度就很大了。需要在各个点上挥发的速度都一致，结晶的速度要可控。这个是对结果的要求，要想实现这个结果，就需要从设备和工艺层面进行特殊设计，包括材料本身的配方也会影响设计和工艺的开发。经纬：除了涂布，我听说市场里还有一些别的技术路径，比如蒸发，您怎么看待其他工艺方式？范斌：蒸发这个工艺在很多年以前，我们就尝试过，我的判断是蒸发会导致钙钛矿在材料配方选择上，受到非常大的限制。因为我们刚才谈到的那些添加剂、钝化剂，它们往往是蒸不出来的，因为这些是相对大分子量级的材料。所以如果选择蒸发作为制造工艺的话，那么材料选择的空间，可能会缩小到原来的四分之一以下，这不利于钙钛矿发挥本身的潜力。 经纬：对于封装环节，目前市场对钙钛矿稳定性的讨论比较多，而稳定性其中一个很重要的影响因素，是封装技术如果不够成熟的话，可能会进去水汽。您觉得目前晶硅组件的那些封装技术，如果用过来是不是可行，以及有没有一些更好的方式来做封装？范斌：现在基本上是可行的，我们也做了不少尝试，主要是胶膜要替换掉，原本晶硅里面用的EVA胶膜，在钙钛矿里用不了，因为EVA是聚醋酸乙烯酯，它的聚合不可能100%完成，里面一定会存在醋酸的残基，而醋酸会跟胺类反应成氨基酸，所以从原理上EVA就不可用。我们现在主要是用POE。除了EVA材料替换掉以外，其他的封装和晶硅是一样的。当然，即便是在晶硅里，POE的效果也是优于EVA，主要是因为EVA在国内大量量产，性价比比较高，就用得多一些。未来随着POE在国内扩产，晶硅也会使用POE，所以从封装的材料和工艺上讲，钙钛矿和晶硅并没有本质的区别。 经纬：对于钙钛矿太阳能电池，什么样的面积尺寸是最适合的？从光电转化效率等角度来综合考虑，您觉得会有这样合适区间吗？范斌：我们在设计的过程中，主要参考现在的光伏行业，市场上最认可的尺寸就是我们的目标。我们最开始设置1米乘2米的尺寸，主要是因为这个尺寸在2020年左右，是晶硅光伏里的主流市场，是经济性和安装难度平衡最好的尺寸。现在光伏行业普遍放大到1.2米乘2.3米，这个尺寸是现在晶硅也好，碲化镉也好，都在往这个尺寸上发展，我们也会把尺寸放大到这个，简单的逻辑就是跟主流保持一致。经纬：对于钙钛矿材料稳定性的问题，我之前也听过您的观点，您提到太阳能电池对于高温的耐受性能，其实并不需要那么高，而是有一个适应范围就够用了。您对稳定性问题怎么看？范斌：我们对稳定性的判断并不是基于我们自己的认知，而是整个行业的进展。我们能够看到无论是学术界的也好，我们自己积累的数据也好，还有同行发布的数据也好，都能够验证一个观点：钙钛矿组件经过良好的封装，晶硅的测试条件都能通过。现在市场上还有观点说，对晶硅的测试项目还不够，但那到底怎么样才算够？这需要提出来。如果没有提出新的测试方法，那我们至少可以说，以目前的测试方法，钙钛矿不比晶硅差。经纬：目前行业里针对晶硅的测试，比如IEC61215，钙钛矿也都做过。范斌：对，全套的IEC标准我们都做过，不少友商也都做过。实际上你把晶硅的条件完全套进去，钙钛矿都是可以通过的，这是一个事实。当然，钙钛矿也需要有足够多示范电站的数据作支撑。仅靠测试标准，那肯定还是有限的。示范电站的铺开也就是未来一、两年的时间。对于原来晶硅的测试标准放到钙钛矿上够不够用，现在行业里也是有两种不同观点，一些人认为拿晶硅的标准就已经完全足够，不需要搞新的。另外一些人认为还是要新的标准，但目前还没有新的标准出现。对于我们来说，我们作为制造企业，肯定首先去遵循IEC的标准，反正也没有别的标准可以用。但我们也认可说，如果有人能合理、扎实的提出钙钛矿应该增加什么测试，我们也完全可以增加。 我们对于钙钛矿有足够的信心，因为我们自己积累了很多数据，我们要给业界信心靠得也不是承诺什么，这种承诺是苍白的，还是要靠大规模铺开实际验证的电站，由这些电站给出的数据才有说服力。 行业最初对钙钛矿的应用不屑一顾，觉得根本没有讨论的价值。后来反对者怀疑实验室数据不够好，能不能通过那些标准。现在标准都通过了，又有人说钙钛矿还没有大面积铺开，等未来1-2年后钙钛矿大面积铺开以后，就见分晓了，新兴行业也都是这样一路发展过来的。 经纬：另外，市场上比较多的质疑点还有一个，就是含铅问题，主要指钙钛矿的铅有一定的水溶性。这一点您怎么看？或者是不是可以大力发展相配套的回收机制？范斌：嗯我想传达的是，其实钙钛矿里面的铅含量，是远低于晶硅的铅。此外，晶硅里面的铅也是水溶性的铅，我也听到有人说晶硅里的铅是金属，所以不水溶，但其实晶硅是铜箔上涂铅，遇到潮湿的环境，它就会源源不断析出来变成水溶性的铅。所以认真地说，钙钛矿没有比晶硅更危险，钙钛矿里面的含铅量比晶硅至少低一个数量级。经纬：也有人在思考替换方案，比如把铅这个元素换成锡等等，但目前在材料上，还是铅的光电转化效率最高，您怎么看这种替换的思路？范斌：对是有人在研究，但我认为完全没有必要。当下的晶硅组件也用铅，在安全上也做得很好，钙钛矿为什么要去改？铅对环境肯定是有害的，但对于产业来说并不是完全不能用，而是要符合安全的环保标准，像晶硅它就符合，而钙钛矿的含铅量也已经低于万分之一了，这完全不是一个问题。经纬：钙钛矿叠层电池也是未来很重要的应用方向，要么是钙钛矿跟钙钛矿叠，或者跟晶硅叠，但目前跟晶硅还有一个电池寿命相匹配的问题。从您的角度来说，您看好未来叠层电池的方向吗？范斌：我认为钙钛矿与晶硅电池叠层时的寿命相匹配问题，其实也不是问题，首先钙钛矿的寿命肯定要达到足够长的标准，才有商业价值，如果寿命不达标，那无论它是单节还是多节都没有用。所以能不能和晶硅寿命相匹配，不是一个单独拎出来的问题，钙钛矿未来的寿命肯定要达到跟晶硅一样，我们对这一点也有信心。对于叠层电池来说，我觉得持有开放的态度比较重要，叠层可能是好的，但也可能因为某些原因不被市场认可。但我们可以坚持的是，一定要把单节先做好，才能有叠层的事，如果单节都做不好，都还没有足够成熟的工艺的话，那直接上叠层就会面临很大挑战，更可能因为堆积大量的不确定性，导致最终做不出来。所以我们会把单节先做好，等单节量产实现之后，我们肯定也会投入相关的力量去做叠层，到时候看市场选择，一楼都还没盖好怎么去盖二楼。 经纬：您对于单节电池的未来会有预测吗？现在钙钛矿的光电转化效率在实验室里，可能可以到36%，但在大面积量产时还到不了这个数字。同时晶硅那边TOPCon、异质结（HJT）也都有各自的突破，您对市场大方向如何判断？范斌：我们的目标是到明年年底，要实现18%的组件效率，这里需要澄清的是像TOPCon、PERC等在讲光电转换效率的时候，往往是指电池的效率，而这里我们说的是组件效率。所以从单节电池组件的角度来看，我们估计在实现18%之后，可能有机会在之后的一、两年内升到20%，然后再用一、两年的时间上到22%左右。如果五年之内钙钛矿能实现这些，那与晶硅相比，钙钛矿的成本优势就变得很有价值了，会直接体现在电站投资回报率上。 范斌：现在晶硅组件的售价是2元左右，因为现在上游的硅料有丰富利润，如果把这些超额利润拿掉的话，实际成本现在可以控制在1.5元左右。前几年的市场共识是，晶硅应该能降到1元左右，如今随着通胀和原材料价格上升，还不一定能实现。但钙钛矿我们相信能够做到0.5-0.6元，这是拿我们自己的很多数据测算出来的。经纬：钙钛矿还有一大应用场景是柔性电池，比如在柔性显示器、帐篷/移动电源，甚至是电动车的玻璃顶等等，都是具有想象力的应用场景。目前对于柔性钙钛矿电池，会遇到哪些技术难题？会降低光电转换效率吗？范斌：其实主要就是封装材料的问题，现在的柔性封装材料太贵了，是玻璃百倍以上的价格，所以最终做出的柔性组件，大多数都没有竞争力。但如果未来有材料方面的技术进步，那柔性组件的市场肯定会起来。我们现在的重点是聚焦在把钙钛矿电池的成本降下来，柔性电池我们以前尝试过，但现在没有投入资源。如果未来真的有新材料出现，那我们会跟进。经纬：如果未来柔性电池有市场机会，您觉得最初的应用场景可能在什么地方？范斌：其实我认为BIPV(光伏建筑一体化系统）倒不一定需要柔性电池，因为BIPV这种形式，甚至需要玻璃越厚越好，才能提供足够的刚度。而柔性最大的优势是重量轻，很便携。但在建筑物上如果太轻了，可能反而容易被风吹跑，像我们在做光伏电站的时候，往往还需要在组件下面吊水泥墩子增重。而在一些户外场景，或者电动车的玻璃顶这些地方，反而可能是最先的。经纬：从技术演进的特点来看，例如PERC打败BSF的历史中，您认为有没有对钙钛矿的发展，有借鉴意义的地方？范斌：技术演进特点让我们看明白一点，最终投资回报率决定了一切，或者说LCOE（平准化度电成本）的优势才是真正的优势，只靠光电转换效率的优势是没有什么用处的。其实IBC很早就做出挺高的效率，但是成本一直没有什么优势，所以并没有成为主流。而是PERC这种比较平衡的，成本没有太高，效率也没有太低的技术路线，成为了阶段性主流。在未来PERC、TOPCon、异质结的竞争中，也是一样。我们也在系统性关注光伏产业的投资机会，欢迎您与我们交流。您可以联系我们关注光伏领域的投资经理陈猛（meng.chen@matrixpartners.com.cn）；如果您对本文有独特的见解与想法，欢迎与本文作者刘一鸣（yiming.liu@matrixpartners.com.cn）交流。
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