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钙钛矿「虚火」

现在公布中试线或量产规划的钙钛矿产能基本在百兆瓦级别,这个量太小,对晶硅的市场构不成什么影响,另外,如何统一钙钛矿寿命、稳定性的评价标准,也是业内亟须解决的问题。

奥联电子玩钙钛矿貌似“玩脱了”。

因公司涉嫌信息披露违法违规,2月23日,中国证监会决定对其立案调查。

从2022年12月9日高调官宣要在2023年实现“50MW钙钛矿太阳能电池中试线投产”,到今年2月21日被华能方面一纸澄清声明“打脸”,这短短74天内,奥联电子的股价从14.03元一度飙升至45.24元,翻了逾3倍。

能让一个在2022年前三季度营收仅为2.75亿元、扣非净利润为负的企业,在74天内便完成股价“乌鸦”变“凤凰”奇迹的,就是“钙钛矿”——一种有持续吸引投资者入场“魔力”的新材料。

事实上,疯牛般狂飙的不止是奥联电子,它只是钙钛矿这个行业的一个缩影而已!

作为一种新型吸光材料,钙钛矿以其所具有的高效率、低成本、低能耗、多应用场景等优势,被学界、市场乃至行业内部分企业视为下一代光伏组件的主流材料,甚至有可能将传统“晶硅”组件彻底淘汰。

面对这一颠覆性材料的出现,多家产业内外的上市公司表现出了浓厚的兴趣,除了被“打假”的奥联电子外,包括隆基绿能、天合光能、通威股份在内的光伏巨头,乃至造锂电池的宁德时代,均对外披露了其在钙钛矿领域的技术布局或搭建中试线的情况,包括协鑫光电、纤纳光电和极电光能等光伏行业的新秀也在积极推动这一新型材料的落地量产。

在万亿光伏市场中,组件环节又向来是规模*的一块儿,一时间,钙钛矿搅动资本市场一片光亮。国盛证券在2月15日发布的一份研报中也曾指出:预计2024年钙钛矿领域将建成GW(吉瓦,1吉瓦=10亿瓦)级别产线。“钙钛矿电池很可能会掀起一场光伏降本革命,用最快的速度淘汰‘晶硅’电池,如果哪家企业能在这条赛道取得先机,未来的成长空间不敢想象。”2月22日,国内光伏行业观察人士张鹏向经济观察报记者表示。

那么,钙钛矿“未来已来”了吗?

01 “天下苦硅料久矣”

连涨五周后,让光伏产业链最“揪心”的硅料价格终于再度企稳。

2月22日,中国有色金属工业协会硅业分会公布了最新的国内太阳能级多晶硅成交价。其中,单晶复投料成交均价为24.24万元/吨,周环比维持不变;单晶致密料成交均价为24.01万元/吨,周环比也维持不变。

硅业分会在公布数据的同时表示,近期各硅料企业签单价差本就较大,部分订单以上周区间高价成交,部分订单以区间低价成交,故本周硅料成交均价基本持稳。

硅料价格的企稳,让安徽一家组件厂商的总经理许生强松了一口气,“我都担心又像去年一样涨到30万元/吨去了,有点后悔没在春节前跳水的时候囤一批货。”2月23日,许生强接受记者采访时说。

作为当下光伏产业链最关键的原材料,多晶硅的价格走势直接决定了下游电池、组件产品的价格,而组件又是光伏电站建设中成本*的环节,因此,组件价格的高低直接影响着一座电站的度电成本。“去年组件价格最高的时候达到2元/w,现在普遍只有1.6元/w左右,只是四毛钱的价格降幅,就能将一座常见的10kw屋顶电站的建设成本降低4000元。”许生强同记者算了一笔账。

在光伏补贴全面退坡后,度电成本直接决定了光伏电站的投资收益率。2022年上游硅料、硅片价格的持续高烧,一度导致了国内部分大型电站出现停工、缓建的情形。张鹏说:“光伏行业的核心驱动因素是不断降低的度电成本。但是硅料价格暴涨带动组件价格过高,让电站IRR(收益率)不过关,只能先停工。”“天下苦硅料久矣”,这是过去两年间在光伏产业链中下游领域*的一句话。

2月16日,国内知名组件厂商阿特斯董事长瞿晓铧在苏州的一场光伏论坛上公开表示:“近两年,因装机加速增长,加之疫情推迟了硅料扩产,导致硅料供应偏紧,价格居高不下,给下游的制造企业和光伏电站的投资商带来了无穷的困扰”。“耗子进风箱,两头受气,风险压力山大,利润却薄如蝉翼!”瞿晓铧在演讲中如是形容组件厂商的处境。

一边是持续放量的终端市场,一边是居高不下的原材料价格,在这样两头受挤的环境中,光伏组件厂商们也开始积极找寻其他出路。例如:自行向上游拓展,投建属于自己的硅料产能;又或是签订大额长单,提前锁料保“心安”。

相较于在硅料这一环节上花心思,钙钛矿材料的出现,则给了整个光伏产业另一种解题思路。

“现在的光伏电池主要有两类,一类是晶体硅太阳能电池,比如单晶硅、多晶硅电池,可能占据着全市场99%的份额,还有一种是采用其他材料的薄膜太阳能电池,比如碲化镉、砷化镓等化合物,有比较针对性的应用场景,较为小众。”许生强告诉记者。

张鹏指出,硅基电池之所以成为*主流的光伏电池产品,主要因为硅材料来源广泛,且生产技术成熟,而薄膜电池因其原料储备较少且污染环境,一直未能对硅基电池的市场地位形成挑战。

02 掀起“降本增效”革命?

但眼下,钙钛矿材料的出现有望改变这一现状。“光伏行业所说的钙钛矿实际上指的是一种晶体结构,即化学结构式为ABX3等钙钛型化合物,该结构最早在天然的钙钛矿物里被发现,简单来说,结构式中的A和B指的是带正电的有机分子和金属离子,而X指的是带负电的卤素离子。”四川一家能源集团的钙钛矿研发工程师刘彬说。

刘彬告诉记者,钙钛矿是一种人工设计的晶体材料,此类材料具有合成工艺简单、光电转换效率较高、原材料储量丰富等特点,“很多大学生在实验室里仅靠一些基础化工品就可以自行制备钙钛矿太阳能电池。”

目前,市场主流的晶硅太阳能电池,其发电原理主要用两个掺杂不同元素的硅基体组成,其中包含带正自由电荷的部分被称为N型半导体,而缺少自由电子,存在大量带正电荷空穴的一边被称为P型半导体,这类电池的发电原理就是太阳光中的光子刺激N型半导体的自由电子流向P型半导体填充空穴,从而产生直流电。

而硅基材料电池存在一个理论上的转化效率极限,即最多只能将太阳光中包含的约33%的能量实现转换,这一极限也被称为肖克利-奎伊瑟极限,造成这一现象的原因主要在于硅基材料电池只能吸收特定波长的光,因此有大量能量被耗散。

刘彬进一步解释说,半导体所能吸收的能量有一个具体范围,小于这个范围便无法吸收,这造成了晶硅太阳能电池产生了大量废热,有很多能量并没有被利用起来,而钙钛矿的结构是可以人工设计的,将具有不同能隙(泛指半导体或绝缘体的价带顶端至传导带底端的能量差距)的钙钛矿材料堆叠至一起,便可以顺利吸收不同波长的光,从而实现高效率的能量转换。

正是依靠结构可定制设计的先天优势,钙钛矿材料实现了对太阳光更高效率的吸收,在实验室中表现出了惊人的转换效率。

刘彬告诉记者,其所在企业试制的钙钛矿电池,转换效率已超过28%,而钙钛矿的理论转换效率极限应该在45%左右,对晶硅电池来说属于革命性的进步。

钙钛矿太阳能电池具有的优势,或许还不仅仅只有转换效率高这一点,根据招商证券在1月19日发表的一份研报中的测算,钙钛矿原材料在单一工厂内仅需45分钟就可以加工成为组件。

刘彬亦表示,钙钛矿电池的产线成本要比晶硅电池的产线成本低50%-60%,所生产组件价格在0.5-0.6元/w左右,大大低于现在晶硅电池组件的价格。

值得注意的是,除了投建成本低之外,钙钛矿电池的生产能耗也相较晶硅电池大大降低,“硅基电池的生产需要1700度以上的高温,钙钛矿在300度以下就行。”张鹏表示。

在此背景下,对于“苦”硅料久矣的光伏产业链来说,廉价、高效且生产难度低的钙钛矿,自然成了光伏电池领域的“明日之星”,“钙钛矿电池很可能会掀起一场光伏降本革命,用最快的速度淘汰‘晶硅’电池,如果哪家企业能在这条赛道取得先机,未来的成长空间不敢想象。”张鹏说。

03 大规模商用“还是幻想”

面对这一颠覆性材料的出现,多家产业内外的上市公司表现出了浓厚的兴趣,除了近日被“打假”的奥联电子外,包括隆基绿能(601012.SH)、天合光能(688599.SH)、通威股份(600438.SH)在内的光伏巨头,乃至造锂电池的宁德时代(300750.SZ),均对外披露了其在钙钛矿领域的技术布局或搭建中试线的情况。

但同时记者也注意到,目前明确披露大规模量产规划的有关厂商并不多,主要的披露信息主要集中在技术储备、专利布局等领域。“公司内可能就几名研究员在做市场及研发跟进,主要的研究力量还是集中在晶硅领域。”一位隆基绿能内部的研发人士向记者表示。

对此,刘彬认为,面对钙钛矿这一新材料,相较于高调抛出兆瓦级乃至吉瓦级量产规划的新玩家,传统光伏电池厂商所呈现出的仅做技术储备与跟进的“冷淡”态度,离不开该材料当下所面临的一系列制约。

刘彬说:“钙钛矿是一种软离子晶体,其稳定性不如晶硅,这是钙钛矿材料大规模量产最为致命的劣势。最早期的钙钛矿电池工作几分钟就不行了,虽然现在的稳定性有所提高,但还是无法媲美晶硅材料。”

刘彬解释道,钙钛矿的化学结构使其具有一定的水溶性,因此,在空气湿度较高的环境中,水分子可能会溶解电池材料,直接造成电池出现衰减;其次,过高的工作温度也会导致钙钛矿材料出现结构变化,降低电池性能与工作效率;另外,由于钙钛矿电池需要与多种材料共同杂化混合,当电极材料中的金属原子在长久的工作中扩散进入钙钛矿层后,也会引发电池材料分解。

张鹏亦认为,钙钛矿所存在的不耐高温、光照、高湿度、易分解等缺陷,正是光伏电池日常工作的缩影,若不能解决上述问题,钙钛矿电池的大规模商用恐怕只能存在于幻想当中。“这么脆弱的材料,用来组建光伏电站,恐怕会让业主很糟心。”张鹏调侃说。

据记者了解,目前钙钛矿太阳能电池在连续工作两千小时后,便会出现5%左右的功率衰减。而根据我国工信部下发的《光伏制造行业规范条件》要求,单晶硅组件首年衰减不超过3%,多晶硅组件首年衰减不超过2.5%,以后每年不超过0.7%,若按照晶硅电池的标准来看,钙钛矿电池的寿命还远远达不到大规模商用的要求。

“钙钛矿的效率和稳定性目前是存在矛盾的,如何兼顾二者还需要产业进一步进行研究,比如现在提升稳定性较好的方法,是通过良好封装,来保护其中的材料,但代价就是效率大大降低,可能只有百分之十几。”刘彬指出。

除了材料本身所具备的先天劣势,钙钛矿的制造工艺也会引发最终成品的效率问题。张鹏告诉记者,钙钛矿通过结晶工艺制造,在大面积的基底上,如何形成一个稳定均匀的薄膜,是一大挑战,如果成膜的均匀性较差,将会引发电路短接,降低器件性能。“要想在量产中实现实验室般的均匀涂膜,现在工艺上还不太能达到,所以大面积制备的钙钛矿电池效率要远低于实验室,实验室里手工搓出来巴掌大的电池,就算是有90%的转换效率也没什么太大意义,满足不了现实需求。”张鹏说。

在许生强看来,相较于已形成完善产业标准的硅电池,钙钛矿材料还需要行业间携手合作,尽快拿出统一的评判标准,才能更好地实现商业化落地。“现在公布中试线或量产规划的钙钛矿产能基本在百兆瓦级别,这个量太小,对晶硅的市场构不成什么影响,另外,如何统一钙钛矿寿命、稳定性的评价标准,也是业内亟须解决的问题。”许生强表示。

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