钙钛矿“产业化”下一站：晶硅“颠覆者”？

光伏技术发展到今天，主流的晶硅路线愈发逼近理论转化效率极限。

2022年11月，隆基绿能自主研发的硅异质结（HJT）电池转换效率达26.81%，时隔5年后，终于打破此前由日本企业保持的26.7%的效率纪录。

在物理法则下，晶体硅电池的效率提升之路正变得越来越窄，在通往其29%的极限效率终点过程中，今后每0.1个百分点的效率提升都意味着人类在科研领域的巨大成功，这解释了为什么历时五年全球晶硅转换效率纪录才被打破。

然而，正当晶硅路线企业为提升0.1%的效率而投入巨大之际，新的光伏颠覆者——钙钛矿电池却已悄悄来到身边。其只用了10年时间，便拿出了媲美晶体硅电池60多年所取得效率的成绩单。

短短十年间，钙钛矿单层转换效率从最初发明时的3.8%已经来到最新的25.7%。产业化方面，钙钛矿不断迎来突破。截至2022年末，国内已经有数家头部企业已开启100MW级以上大面积量产线中试，并乐观地将实现GW级组件产能目标定在了2024年-2026年之间。

随着钙钛矿极限效率值的一次次突破，钙钛矿的产业的动向终于引来一、二级资本市场的关注。

2022年以来，天合光能、明阳集团、协鑫集团、三峡集团、通威集团先后宣布已投入资金开启钙钛矿产业化研究。一级市场中，头部企业频繁迎来亿元级规模融资。二级市场上，有关钙钛矿概念的个股炒作更是引人注目，奥联电子在宣布投资钙钛矿之后，短短两月股价上涨超过两倍。

资本的嗅觉最为敏锐，钙钛矿正在以崭新姿态杀入产业。然而，对于资本市场和产业界来说，其方向并不一致。资本市场只关注市场涨跌，产业界需要关注的问题更加现实：未来能否真正取代晶硅路线，成为光伏行业下一代催生浪潮的颠覆者？

“产业化”前夜

2009年，正当晶硅路线发展正如火如荼之势，日本科学家Miyasaka在实验室制备出了第一款钙钛矿电池。

此后，经韩国成均馆大学Nam-GyuPark教授、英国牛津的Henry J.Snaith教授对电池结构进行调整优化，钙钛矿电池效率突破了10%的大关，自此钙钛矿迎来广泛关注，其电池效率也快速提升。最新的电池效率已攀升到25.7%，逼近晶硅当下电池最高转换效率26.81%。

对于光伏行业而言，无论何种技术，转化效率潜能的天花板决定了一项技术是否具有发掘潜力，而当下25.7%的最新电池效率，意味着钙钛矿路线具备了未来挑战晶硅光伏电池主导地位的实力。

在钙钛矿路线的产业化道路上，国内企业走在全球前列。目前国内已经有3家企业具备100MW级及以上钙钛矿大尺寸组件生产线，分别是：协鑫光电、极电光能、纤钠光电。

三家企业同样迎来资本市场热捧。比如，2022年12月中旬，协鑫光电材料有限公司（下称协鑫光电）宣布完成5亿元人民币B+轮融资。此前10月，另一家钙钛矿产业化头部企业纤纳光电业已宣布完成D轮融资。

协鑫光电董事长范斌告诉21世纪经济报道记者，公司已建成全球首条100MW量产线，组件尺寸达1m×2m。目前，公司组件效率突破已16%，预计2023年组件效率突破18%。

1m×2m尺寸下，18%的组件效率意味着什么？范斌认为，这意味着，公司旗下的钙钛矿已经能够与晶硅的PERC路线，在组件效率上一较高下。

范斌解释，晶硅目前主流路线——PERC电池目前的转换效率是23%，但实际做成组件后，大概会有2.5%的效率损失，因此，实际量产组件效率为20.5%。

相比之下，钙钛矿组件效率尽管只有18%，但其弱光系数、温度系数都比晶硅要好，通过极电光能实测，钙钛矿的电量能比晶硅同等效率的组件高10%左右，因此可以与PERC路线的发电效率相近。

有关弱光系数、温度系数，姜伟龙解释得更为详细：钙钛矿由于其材料特性，弱光下发电效率要优于晶硅，高温下的发电表现同样好于晶硅。“随着温度提升，晶硅组件的效率降低得会比较快，而钙钛矿效率则相对较低有限。在沙漠高温环境下，钙钛矿的发力表现比晶硅强，已经是业界共识。

因此，极电光能副总裁姜伟龙同样给出了“同等效率下，钙钛矿组件发电量高出晶硅组件10%”的结论。姜伟龙还表示，今年年底，极电光能150MW级的产线转换效率有望来到19%。

发电效率逼近晶硅成熟路线，标志着钙钛矿产业化取得一大进步，接下来要解决的是量产问题。

姜伟龙表示，预计明年三季度，极电光能的GW级产线就会投产。“150MW级的产线经过3-6个月调试，基本能确定GW设备定型。所以今年三季度前后，公司会着手采购GW线设备，预计明年3-4月份，GW线的土建工作就会开工，最终明年三季度GW线就会投产。”

协鑫光电董事长范斌则将GW级产线目标定在了今年下半年。范斌表示，“第一条100MW线其实是最关键的。GW线其实可以简单理解成为10条100MW线的能力。我们在100兆瓦线把工艺和设备和材料都确定下来，才能够去复制10倍，是GW线开建的前提。”

最后，随着钙钛矿组件来到GW级产业规模，其规模效应下的成本优势也将凸显。

姜伟龙认为，经过测算，如果GW线的满产，安全成本应该在8毛钱到1块钱，而在当前20万元/吨的硅料价格前提下，晶硅组件的成本为1.6元/W左右。

取代晶硅挑战

大面积组件效率逼近晶硅、GW级产线开工在即、效率上限更高、成本更低，聚光灯下，这一切都指向了钙钛矿似乎具备了取代晶硅的实力。

然而现实情况是，2023年年初以来，头部晶硅企业又先后宣布几个百亿级扩产其现有的晶硅产线产能，继续押宝晶硅路线。难道晶硅企业看不到钙钛矿的产业化能力？问题又出在哪里？

事实上，尽管效率上限高、工艺简单、发展速度快，在技术降本的表现足够惊艳，但是走出实验室的钙钛矿电池还需要面对更多的挑战。

稳定性、大面积、毒性三大问题正在持续制约着钙钛矿的发展。

先说毒性问题，因为最开始钙钛矿材料中都含有重金属铅，可能会对人类健康产生不良影响，另外，一旦析出到周围环境中，将会产生污染。

不过，上海科技大学教授宁志军则独辟蹊径，其所走的路线是非铅钙钛矿电池，制作出来的钙钛矿电池具有更高的理论光电转化效率。毒性问题有望解决。

紧跟着是面积问题，有光伏行业专家张旺（化名）向21世纪经济报道表示，在实验室，电池面积小于1平方厘米，单结的钙钛矿做到高效率较为简单，但想在超过1平方米的面积实现超过20%效率的产品，难度非常大。因为两者的工艺路线完全相反。比如，实验室通常用的是旋涂法，这一方法对于制作大面积钙钛矿组件并不适用，协鑫纳米的大面积组件采用的则是涂布工艺。

目前来看，随着极电光能2019年开始上马1m×2m组件，2023年效率有望来到18%，且计划2023年开始GW级产线建设情况看，大面积效率提升的问题似乎也即将被解决。

最后则是稳定性问题，这也正是钙钛矿技术推广过程中所面临的最大的挑战。

稳定性争议

事实上，从诞生之日起，围绕钙钛矿身上的稳定性争议就没有停止过。

自2009年钙钛矿电池在实验室诞生之后，钙钛矿的稳定性表现就特别差：有的电池可能几分钟甚至十几秒钟就衰减没了。

10年过去了，随着材料和工艺的改善，钙钛矿稳定性已有明显提高，但相较晶硅长达25-30年寿命周期，其效率衰减依旧有一定距离。

“在接受光照的前八个月，最优质的钙钛矿能够保留97%的性能，而标准硅电池在第一年的衰退率是低于2%～3%的，在随后25～30年的时间中，标准硅电池每年的衰退率不超过0.5%。

相比目前标准的，市场上商业化的光伏产品来讲，钙钛矿稳定性不足是比较大的问题。”有“光伏之父”之称的悉尼新南威尔士大学（UNSW Sydney）马丁·格林2019年曾公开向媒体表示。

据晶科能源2月15日在光伏行业协会上发布的数据显示，第一年，其旗下的新型的TOPcon组件的功率衰减仅1%，此后每年线性功率衰减小于0.4%，30年后能保障其输出功率不低于原始输出功率的87.4%。同样地，30年后，PERC组件则可以达到原始输出功率85%。

主流观点认为，钙钛矿电池要达到30年后85%输出功率这一目标还有很远的距离。

一道新能源首席技术官、SEMI中国标准技术委员会主席宋登元告诉21世纪经济报道记者：在2020年国家重点研发计划项目中，设立了一个“万小时工作寿命的钙钛矿太阳电池关键技术”的攻关项目，是要使效率大于20%的钙钛矿太阳电池工作寿命超过一万小时，项目对电池面积和衰减都提出了具体要求，这意味着钙钛矿的使用寿命距离晶硅来说还差得比较远。

宋登元解释，相比晶硅，钙钛矿的稳定性表现较差，与其材料和结构有着最直接关系。

据了解，钙钛矿天生结构“柔弱”，工作条件下受光照、电场、温度、水氧等作用的影响都会产生结构缺陷，导致半导体材料发生结构改变甚至分解；分解逃逸出来的离子还会进入到电荷传输层或者电极层，进一步破坏光电转换功能，造成整体器件效率的显著降低。

宋登元另外表示，钙钛矿结构下的有机物成分也是制约其效率表现的重要因素。“晶硅只有一种硅元素，而且形成的是稳定的具有金刚石晶体结构的单晶，是一种非常稳定的物质，且成分单一。但是对于钙钛矿来说，因为它是一种ABX3钙钛矿结构的材料，由几种元素组成的，其中A通常为有机阳离子，B为Pb离子，X为卤素元素。而钙钛矿材料的结构中含有有机物的成分，是一种有机-无机杂化材料，我们知道有机物不如无机物稳定，所以钙钛矿的稳定问题成为了公司和科研单位攻关的重点。”

姜伟龙认为，不稳定确实是钙钛矿的弱势，但目前其稳定性也在提高。

姜伟龙表示，2022年，美国普林斯顿大学做了一组测试，在钙钛矿110摄氏度的温度条件下，测量钙钛矿衰减寿命。然后将温度模拟成自然使用条件下的55摄氏度，模拟测量出的结果是，钙钛矿的使用寿命可以达到30年-50年。

其还表示，同行的产品还在通过IEC标准测试来证实钙钛矿的使用寿命达到了一定目标。

但姜伟龙同时表示，最后一步的实证测试，公司没办法解决，只能靠时间积累。目前，业内已经有企业陆续建设实证电站。“有了一年多的使用数据后，钙钛矿的寿命也应该能达到市场的认可。”

然而，模拟试验、一年多的实证使用数据是否就能够验证钙钛矿的稳定性？

张旺就对此持否定观点。他表示，晶硅当前发展之所以顺利，是因为其稳定性得到过几十年的验证。“比如晶硅20年前组件效率只有5%-6%，但20年后，效率能保持到4%-5%。但是钙钛矿发展太快了，还没有时间去验证。”

突围方向：BIPV市场

尺寸面积、转换效率、组件成本、稳定性问题……最终都可以归结到成本上。

宋登元总结道：“不管是钙钛矿还是晶硅电池，他们最终都是发电，因此具有能源属性。提升效率是为是为降低成本服务的，最终占据市场拼的是度电成本也就是LCOE。如果整个晶硅25-30年的生命周期内，钙钛矿证明了其度电成本能低于晶硅，钙钛矿就能就能成为对晶硅有挑战的技术，会蚕食晶硅市场，否则就就需要持续降本提效。”

但显然，由于光伏组件寿命周期太长，在钙钛矿效率没有超越晶硅，且无法证明短期内自身可靠性优于晶硅的前提下。在集中式电站领域，进入拼性价比环节，钙钛矿都很难撬动晶硅的地位。

但这并不意味着钙钛矿完全没有突围机会——分布式市场的BIPV就是其中一大方向。

广发电新分析师张芷菡认为，钙钛矿的突围方向在BIPV市场。申万宏源研报则认为，钙钛矿的主要应用市场包括BIPV和车顶光伏玻璃等。

所谓BIPV即光伏建筑一体化(Building Integrated PV)，是一种将太阳能发电(光伏)产品集成到建筑上的技术。

张芷菡解释，钙钛矿在美观程度、应用拓展上相比晶硅具备独有优势。“它在哪都能涂，比如做建筑幕墙，美观度也可以给予溢价，这是晶硅比不了的。”

姜伟龙同样认为，今后两年，钙钛矿的主要应用将以BIPV应用为主，像地面电站分布式光伏可能会有一些示范性的实质性的应用。

“因为在BIPV上，钙钛矿具备外观的优势：包括颜色的一致性，做成透光、彩色。这是它的差异化优势，所以在BIPV它的竞争力要比晶硅机会更强。”