鈣鈦礦不再是試驗品，第一次真正變成了工業(yè)品。
這個春天屬于鈣鈦礦
江南四月，草長鶯飛。
春節(jié)剛過，極電光能（簡稱“極電”）就投入到緊張的“建設(shè)、運營、實驗、測試”的工作中，辦公樓還沒有完全建好，設(shè)備產(chǎn)能爬坡，實驗室配方調(diào)配，廠區(qū)內(nèi)自有項目應(yīng)用還在不斷增加……極電的這個春天注定忙碌。
極電中試的0.72㎡鈣鈦礦組件被用作園區(qū)圍墻，新建大樓的外立面也在適當(dāng)?shù)牡胤郊右岳?，彩色和帶圖案的BIPV組件被用于辦公樓的玄關(guān)背景墻，但今天的主角不是它們。
近期，極電光能GW級大尺寸鈣鈦礦光伏組件生產(chǎn)線于此落成，是全球第一條面向大尺寸批量化生產(chǎn)的鈣鈦礦組件生產(chǎn)線。產(chǎn)線長達300多米，前后道十幾個工序。
“GW級”、“大尺寸”，無論是哪個字眼，在鈣鈦礦領(lǐng)域都是里程碑式的事件。
無人之境
近年來，晶硅電池技術(shù)潛力基本開發(fā)完畢，鈣鈦礦電池得到熱捧，一時間大量研究與資金資源投入其中，又因其在剛起步階段，很容易在某一個方面出研究成果，所以也被戲稱為“最容易發(fā)SCI的技術(shù)”。這其中有理論派，自然也有更注重實際生產(chǎn)與應(yīng)用的實踐派。
十年前，長城集團董事長魏建軍被人問了一個問題：“新能源車，電車是潔凈，但只是使用過程的清潔，源頭清潔怎么實現(xiàn)？”于是他決定做光伏，組建極電光能，從源頭上生產(chǎn)清潔電力產(chǎn)品。
極電的團隊非常均衡，有人專注學(xué)術(shù)研究，也有人在打造產(chǎn)品方面經(jīng)驗豐富，同時工程化團隊能力非常強，產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗豐富，履歷完整。
帶頭人于振瑞博士有著二十多年光伏學(xué)術(shù)研究經(jīng)歷，2009年到現(xiàn)在一直從事產(chǎn)業(yè)化的工作，中間還包括電站設(shè)計經(jīng)歷。
“當(dāng)我做了產(chǎn)業(yè)化研究后才發(fā)現(xiàn)，與學(xué)術(shù)研究相比，二者的基本思考問題的邏輯有很大不同。”于振瑞指出學(xué)術(shù)研究是為了解決科學(xué)問題，產(chǎn)業(yè)化研究則是將產(chǎn)品賣出去。“我常常和大家講，技術(shù)不等于產(chǎn)品，產(chǎn)品也不等于商品?！彼D了頓，“我們要為市場提供非常好的商品，支撐商品的是產(chǎn)品，是解決方案，而只有得到市場認可的產(chǎn)品才叫商品；支撐產(chǎn)品的是技術(shù)，我們重點開發(fā)的是對產(chǎn)品有用的技術(shù)，這是我們的戰(zhàn)略思考?！?/p>
所以極電團隊一開始的目標(biāo)就是明確的：做有實際應(yīng)用價值的大尺寸鈣鈦礦組件。
“對光伏產(chǎn)品來講，最終產(chǎn)品形態(tài)，肯定是大尺寸，這是先決條件?！庇谡袢鹬赋鲡}鈦礦組件四大要素“大尺寸、高效率、高穩(wěn)定、低成本”中，大尺寸是前提。“這是我們的基本思路。”
逆向推導(dǎo)，以終為始
一開始，極電團隊也不知道這條前所未有的生產(chǎn)線應(yīng)該是什么樣子。
2018年極電成立之時，預(yù)計五年初見成效。“現(xiàn)在看當(dāng)時的預(yù)期稍微有點樂觀。”于振瑞笑笑，“規(guī)模化和大尺寸化的過程中，遇到了很多當(dāng)初意想不到的困難?！?/p>
預(yù)計五年，實際花了七年。
這確實是近二十年的光伏歷史上從未遇過的挑戰(zhàn)：晶硅電池技術(shù)的奠基遠早于產(chǎn)業(yè)爆發(fā)，工藝路線與所需裝備基本齊備，而鈣鈦礦無論是材料配方、工藝思路還是裝備都沒有先例。
七年間，極電團隊一直以理論研究為基礎(chǔ)，瞄準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)化開展工作。
理論和實踐，兩手都要抓。
在電視劇《功勛》中，錢學(xué)森主持“兩彈一星”工作時，面對這些世界級的難題，提出了一種叫“反向研究”的方法，通過已知的結(jié)果來反向設(shè)計導(dǎo)彈的圖紙。
鈣鈦礦組件每一層膜都要大面積沉積，每一膜層都很薄，其中發(fā)電層厚度僅0.5微米，其它膜層更是只有十幾個納米厚度，在大尺寸下的精密控制是工藝核心。
極電團隊也選擇反向推導(dǎo)，鈣鈦礦大尺寸制膜是前提，也是鈣鈦礦生產(chǎn)過程中最核心的技術(shù)之一，隨后加上精密激光加工和高精密封裝。他們選擇從薄膜電池和面板這兩個領(lǐng)域?qū)ふ医鉀Q方案，如顯示屏生產(chǎn)中的部分技術(shù)特別適合鈣鈦礦組件制備。
“我們從這兩個行業(yè)尋找最先進的供應(yīng)商進行聯(lián)合開發(fā)?！痹讵M縫涂布設(shè)備和真空蒸鍍設(shè)備方面，極電分別找了面板行業(yè)最大的涂布設(shè)備和真空蒸鍍設(shè)備供應(yīng)商。對于如何把這些大面積鍍膜設(shè)備用于鈣鈦礦組件的生產(chǎn)，極電分別和兩家供應(yīng)商共同研究，提出設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計方案，匹配鈣鈦礦的制造工藝，提升控制精度；先進制造環(huán)節(jié)越來越離不開激光，極電的最新生產(chǎn)線中有至少四道激光工序，他們也選擇了與激光行業(yè)的龍頭企業(yè)聯(lián)合研發(fā)。這一模式大幅提高了極電光能150MW鈣鈦礦組件中試線的建設(shè)進度，“在中試線建設(shè)的設(shè)備選擇上，我們幾乎沒走彎路，一次成功！”于振瑞欣慰的告訴記者。
大部分的工作開展于2021年，設(shè)備廠商開始也會抱著懷疑的心態(tài)試水。作為長城系的公司，魏建軍要求各個機構(gòu)決策必須堅決執(zhí)行“藍軍機制”，極電的每一個重大決策也都是經(jīng)歷了團隊的多角度論證。2021年上半年，極電就想開始中試線的建設(shè)，但“藍軍”認為步子邁得太快，希望30cm*30cm做好之后，再推進下一步。
2022年初，中試線建設(shè)啟動；到2022年底，中試線成功建成。2024年底，在0.72㎡尺寸上實現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)效率18.1%的全球行業(yè)公認最高紀(jì)錄，標(biāo)志著在鈣鈦礦量產(chǎn)的“無人區(qū)”的拓荒工作初步完成。
極電也將好幾家設(shè)備企業(yè)帶入了鈣鈦礦行業(yè)，目前他們的設(shè)備成為不少其它鈣鈦礦組件企業(yè)的首選。
穩(wěn)效協(xié)同——鈣鈦礦成敗關(guān)鍵
極電的商業(yè)化之路開啟的非常早，是典型的“干中學(xué)”?！斑@兩年我們做了不少項目，而且各種類型都有，有些比較好，有些不夠好，但都給我們產(chǎn)品改善提供了非常寶貴的借鑒。”于振瑞認為，極電產(chǎn)品現(xiàn)在的高效穩(wěn)定，離不開市場的反復(fù)錘煉。
去年7月，國家光伏質(zhì)檢中心CPVT利用極電0.72m2的鈣鈦礦組件在銀川實證基地建了一個鈣鈦礦與晶硅組件的對比實驗電站。根據(jù)CPVT公開的數(shù)據(jù)，鈣鈦礦組件比晶硅PERC組件的單瓦發(fā)電量高了11.85-16.1%。最近，一位客戶給于振瑞發(fā)來反饋，其在廣東今年并網(wǎng)了2個多月的30kW鈣鈦礦組件發(fā)電量比同一個場址的30kW晶硅組件發(fā)電量高了20%。于振瑞也非常吃驚，“沒想到發(fā)電性能這么好，我們在實驗室中測算的結(jié)果是，和PERC相比，鈣鈦礦的發(fā)電能力提高8-10%之間?！?/p>
在自己的電站中，極電的鈣鈦礦組件已經(jīng)穩(wěn)定運行了一年半，也拿到了行業(yè)第一張TüV認證證書。同時在國家電投大慶實證基地有1MW的鈣鈦礦組件正在進行實證測試?！斑@挺需要勇氣的。2024年在各類電站上的實證數(shù)據(jù)給了我們底氣，讓我們敢于在國家電投的實證基地進行實證測試?！庇谡袢鸩唤锌Ｉ蟼€月，于振瑞專程去了一趟該基地，對用自己的產(chǎn)品建設(shè)的已經(jīng)并網(wǎng)2個月的1MW實證電站進行了考察?！爱?dāng)看到我們的組件在藍天白云之下超發(fā)運行時，我還是禁不住有一點激動的?！庇谡袢鹣蛭艺f這話的時候，喜悅之情溢于言表。
圈內(nèi)人最關(guān)心的是尺寸，但外界最關(guān)心的則是穩(wěn)定性問題。
通過這些數(shù)據(jù)，極電向全行業(yè)證明了業(yè)界最關(guān)心的問題：鈣鈦礦不但穩(wěn)定，而且發(fā)電量也非常好。
此前，鈣鈦礦最被外界質(zhì)疑的就是有機物的穩(wěn)定性問題，以及衰減原理解釋不清，有的鈣鈦礦組件衰減非?？?，而有報道顯示，有些鈣鈦礦在經(jīng)過12600小時光照后，效率不降反升。
通過實際生產(chǎn)與測試，極電也在慢慢揭開鈣鈦礦發(fā)電與衰減的秘密。
鈣鈦礦作為有機物，單純看其穩(wěn)定性確實沒有辦法媲美作為無機物的晶硅。但鈣鈦礦晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，不穩(wěn)定的是晶粒邊緣，通過做大晶粒，減少晶界間的接觸面積，鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性就會更好。于振瑞介紹，“鈣鈦礦是多晶薄膜，把鈣鈦礦晶粒的尺寸做大，穩(wěn)定性就會大大增強。光作用于鈣鈦礦晶格，會在一定范圍內(nèi)引起晶格的微調(diào)，釋放其內(nèi)部應(yīng)力，修復(fù)一些內(nèi)在缺陷，使鈣鈦礦結(jié)構(gòu)更加完美，更有利于電荷傳輸。這就是上述說的組件效率光致增長的原因?！?/p>
進一步提升鈣鈦礦材料本征穩(wěn)定性的辦法還有很多，比如通過添加劑工程，鈍化其內(nèi)部晶界缺陷，并增強其化學(xué)鍵，使材料更加“結(jié)實”，原子分子之間的鍵合更穩(wěn)定等等?！按送?，硅是共價鍵，鈣鈦礦是離子晶體，化學(xué)鍵沒有晶硅那么強，我們通過添加劑，讓它的化學(xué)鍵的鍵能提升?！庇谡袢鸨硎尽?/p>
于振瑞透露極電團隊還致力于通過材料組合提升組件的穩(wěn)定性，“同時，上下膜層的匹配也很關(guān)鍵，鈣鈦礦發(fā)電層是做在一層氧化鎳上面的，二者之間也會發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致鈣鈦礦分解，所以中間要做好鈍化，不只是這兩層，所有膜層之間的配合，工藝優(yōu)化都要做好?！?/p>
于振瑞給索比光伏網(wǎng)分析：“有很多方法都能夠提升穩(wěn)定性，鈣鈦礦組件的穩(wěn)定性是一個系統(tǒng)工程，鈣鈦礦材料本身的穩(wěn)定性只是因素之一，還要通過其它手段提升其綜合穩(wěn)定性?！?/p>
實證也表明，鈣鈦礦是可以做到穩(wěn)定的。
2022年，普林斯頓大學(xué)的一篇論文顯示，鈣鈦礦電池可以在標(biāo)準(zhǔn)太陽下，工作51000小時；去年南京航空航天大學(xué)中型尺寸鈣鈦礦組件在30°室溫，標(biāo)準(zhǔn)太陽條件下，工作43000小時，還保持著原來組件80%的發(fā)電效率。
極電希望通過實證案例和大尺寸組件的下線，讓外界對鈣鈦礦的印象從“有潛力的技術(shù)”變成真正的“好技術(shù)”。
這個過程中，極電奠定了大部分量產(chǎn)的工藝技術(shù)，產(chǎn)品實現(xiàn)穩(wěn)定性和效率協(xié)同提升，下一步要做的，就是生產(chǎn)“真正的好產(chǎn)品”。
2.8㎡鈣鈦礦組件。
鈣鈦礦的一大步
2023年4月，完成規(guī)劃設(shè)計的全行業(yè)首條GW級大尺寸鈣鈦礦生產(chǎn)線開建，下半年完成設(shè)備選型，2024年年中設(shè)備進場，2024年10月底，首片組件下線。
目前，極電大尺寸鈣鈦礦組件出貨了十幾MW，雖然相對晶硅體量不大，但對于鈣鈦礦技術(shù)來說，卻是這個賽道極為重要的一步，鈣鈦礦不再是試驗品，通過自動化生產(chǎn)線，可以批量生產(chǎn)、銷售、運輸?shù)娇蛻繇椖可希谝淮握嬲兂闪斯I(yè)品。
大尺寸鈣鈦礦組件的性能也在不斷地工藝改進和設(shè)備調(diào)試下持續(xù)提升。去年年底，極電鈣鈦礦組件測試功率450W，目前已經(jīng)接近470W，全面積效率16.7%。
目前昆山協(xié)鑫光電、纖納、京東方等企業(yè)也都在建設(shè)大尺寸GW級鈣鈦礦產(chǎn)線，在這個過程中，材料和工藝從百家爭鳴，到慢慢靠近趨同，鈣鈦礦企業(yè)在齊心協(xié)力找一條最優(yōu)的道路。
去年夏天，一位行業(yè)領(lǐng)袖專程帶隊來極電，技術(shù)出身的他與極電團隊交流非常透徹。臨別之際他說，“通過這次參觀，我對鈣鈦礦技術(shù)有了新的認識?！?/p>
這家公司是晶硅企業(yè)中最早從事疊層研究的晶硅企業(yè)之一。單結(jié)鈣鈦礦技術(shù)腳踏實地的發(fā)展，給了疊層電池研究人員很大的支持。于振瑞認為“單結(jié)做不好的話，疊層只能是空中樓閣。單結(jié)與疊層技術(shù)并非替代關(guān)系，各有各的優(yōu)勢，各有各的應(yīng)用場景?！?/p>
目前晶硅光伏組件價格低迷，作為新技術(shù)的鈣鈦礦自然也承受壓力?！霸谕瓿纱蟪叽绾头€(wěn)效協(xié)同的基礎(chǔ)工作后，我們正在加快降本增效工作，提良率，降成本。”于振瑞表示，“市場也逼著我們加速奔跑。”
目前鈣鈦礦在BIPV市場頗受歡迎，極電也在積極拓展“在功率以外有多元化功能性需求”的應(yīng)用場景?！拔覀円苍谘邪l(fā)新裝備?！庇谡袢鹱詈笸嘎?，“更先進的制程和裝備都在開發(fā)中，如果真的可行，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計都可能和現(xiàn)在大有不同?！?/p>
極電光能聯(lián)合創(chuàng)始人、總裁于振瑞
文章來源：索比光伏網(wǎng)
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