BOE IPC 2025钙钛矿光伏峰会论坛精彩演讲内容实录
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光启未来 聚势共赢
钙钛矿光伏峰会论坛
时间:2025年9月11日下午
地点:海慧厅A
内容:
主持人:尊敬的各位来宾、各位领导、产业同仁们:
大家下午好!
欢迎大家参加钙钛矿光伏峰会论坛。我是本次论坛的主持人郭磊。时隔一年,我又再次站在了IPC大会的舞台上。去年,钙钛矿事业相当于是懵懂起步,今年6月份首次也算是惊艳亮相于上海的光伏展。这一路走来非常不容易!经过这一年多的历练,我们对于钙钛矿光伏这个新事业更加坚定,也更有信心了。我的这份底气,除了来自于京东方自有的产业基因以外,更多是因为有了很多创新合作伙伴们的大力支持。因此,今天我们再次隆重召开钙钛矿光伏峰会论坛。一来是给大家分享一下我们最新的进展和成果,以及我们对这个新事业最新的想法和思考;二来,借着这个机会,能够与大家近距离、面对面地共同商讨钙钛矿光伏产业化之大计。
在本次议程开始之前,请允许我为大家隆重介绍本次与会的主要嘉宾和领导,也请介绍到的嘉宾和领导起身与大家致意。
三峡集团科学技术研究院副主任专业师、光伏团队负责人 刘冬雪女士
京东方科技集团执行董事、执行副总裁、首席运营官 王锡平先生
京东方科技集团副总裁、新材料业务CO-CEO 王震宇先生
还有一些稍后会上台分享的嘉宾,我会在后面的议程中给大家介绍。再次感谢各位领导和嘉宾的莅临。
今年的参会人数是去年的2倍还多,除了产业链上下游的伙伴们以外,我们今年还请到了25位从事钙钛矿光伏科研的大咖教授们,他们坐在了第二排和第三排。各位老师,你们辛苦了!
下面开始正式启动本次的峰会论坛。首先,我们有请王锡平总为大家做开幕致辞,有请王总!
王锡平:大家好!大家很辛苦,我就简单说。我们为什么做钙钛矿光伏,实际上,上午周老师的分享说了,AI的尽头是能源,能源的自主掌控是很重要的。为什么京东方要进来做这个事呢?陈董事长的第N曲线理论也告诉大家了,我们的能力可以复用。基于这两点,我们团队全身心投入到对京东方来讲全新的事业当中。这是我想跟大家汇报的简单背景。今天也特别开心看到,今年的会场比去年更明亮、更宽敞,来的嘉宾也更多,欢迎大家!
等会儿各位同仁,包括各位老师可能会给大家做一些分享。在过去的这一年,我们取得了很多突破,团队也收获了很多的成长,具体的他们会分享。总之,我们想把这个事干好,除了要仰仗各位专家、各位老师给我们多做指导,产业链上游伙伴们多给我们支持,提供好的材料、装备等等,也拜托合作伙伴多给我们提供应用的场景来推动我们的产品化。
我就说这么多,把时间留给各位大咖来分享。谢谢!
主持人:感谢王总。王总可以说是京东方钙钛矿事业的“大家长”,也正是在以王总为代表的京东方集团各位领导的支持下,京东方的钙钛矿事业才得以快速地从桌面上的议题转化成实打实的三大研发平台。说到这儿,相信很多伙伴们都很关心我们目前进展如何。接下来,有请合肥京东方光能科技有限公司总经理寇建龙先生,为大家带来第一个主旨报告,报告的题目是《聚势共赢 共创钙钛矿产业未来》,欢迎寇总!
寇建龙:
欢迎各位再次出席本次钙钛矿技术峰会论坛。今年是我们第二次举办该论坛。回顾去年首届论坛,正如锡平总所提到的,我们在一个仅能容纳约200人的会议室中举办。而今年我们移步至可容纳约350人的会场,规模显著扩大,这也与我们目前200MW至300MW的产能水平更加匹配。展望未来,当会场能够容纳千人时——我相信那意味着钙钛矿已迈入GW级阶段——我们将做好准备,欢迎更多合作伙伴共同参与、深入探讨。
在筹办两届论坛的过程中,我们感受到了一定的压力。原因在于当前钙钛矿领域几乎每月或每两月举办一场行业论坛,各类成果频频发布。我们的策划团队不断思考:BOE举办的钙钛矿分论坛,与其他论坛有何不同?是否只是重复性的交流?经过深入讨论,团队提出我们的核心差异在于“开放与价值”。诸位所期待的,是获取真实的、有价值的信息,了解BOE对钙钛矿技术的认知与实践进展。这也正是本届论坛策划的根本出发点。
在此基础上,我们进一步优化了论坛的内容设计与互动机制。本届还特别安排了圆桌讨论环节,邀请在座专家学者分享观点。我们仅设定主题,不提供讲稿或文案,旨在呈现最真实、最前沿的思考。我的汇报也将遵循这一原则。
我的报告分为两个主要部分:第一,向各位汇报京东方在钙钛矿领域一年来的进展。我们希望借此机会分享实际成果;第二,探讨京东方在推进钙钛矿产业化过程中所遇到的问题,期待与各位合作伙伴共同寻求解决方案。
我本次分享的题目是《聚势共赢,共创钙钛矿产业未来》。在报告准备过程中,我认为有必要再次强调京东方布局钙钛矿的战略意图与战略定力。重要的事情值得多次重申,我们的战略已连续两年宣贯,本次也有新伙伴初次参会,因此再次说明尤为必要。
过去一年中,不少合作伙伴委婉地询问:京东方是否是一时兴起或追逐热点才涉足钙钛矿?我在此明确回应:绝非如此。今天上午,陈炎顺董事长在谈及“第N曲线”时强调了“五力”——洞察力、思考力、战略力、创新力与生命力。我们进入钙钛矿赛道,正是基于集团的深入调研与战略洞察。京东方多年来始终致力于战略升维,从早期的CRT显像管,到2003年布局LCD,再到柔性显示OLED,直至近年提出的“屏之物联”战略以及“第N曲线”。“第N曲线”依托于我们在半导体显示、玻璃基加工与大规模智能制造领域积累二十余年的核心能力,锁定钙钛矿光伏、玻璃基封装及人工智能等关键赛道。从集团战略高度出发,京东方对钙钛矿的重视与投入是坚定且长期的。
我相信,在众多钙钛矿相关企业中,京东方是唯一将钙钛矿提升至集团战略高度的跨界企业。创业公司或需如此,但作为跨界布局者,京东方无疑是首家赋予钙钛矿如此战略地位的公司。
接下来,谈谈京东方做钙钛矿的核心优势。我认为,最关键的是可复用我们在半导体显示领域积累的经验与技术能力。举例来说,目前我们开发的1.2米×2.4米钙钛矿组件,其玻璃尺寸相当于6代显示产线规格;而我们最大可处理的玻璃基板尺寸达3.37米×2.94米,对应10.5代线。在大面积工艺处理上——包括涂布、沉积、PVD及ALD等——我们直接沿用显示领域的设备与工艺经验,仅需切换材料体系,技术能力完全匹配。可以类比为:厨房厨具相同,过去我们做“蛋糕”(显示),现在做“面包”(钙钛矿)同样胜任。这体现了我们在技术逻辑与制造能力上的复用性。
下面向各位汇报一些实际进展。以下所有数据均经由莱茵认证,并非自有测试结果。首先,我们在小面积组件上实现了27.2%的转换效率,当前世界纪录为27.3%,我们有望继续突破。不过对京东方而言,打破纪录并非首要目标,产业化才是重点。目前,我们的1.2米×2.4米刚性组件功率已达505W;柔性组件则为340W。两项成果均获莱茵认证。
其次,在寿命与良率方面分享以下进展:经过一年探索,我们已在湿热测试(T95)实现4000小时可靠性,团队现正聚焦光性能测试与离子迁移问题,通过钝化等工艺手段进一步提升。在MPPT双85测试条件下,目前达到T90 900小时。请注意,双85测试仍不足够,我们后续将叠加TC循环与UV老化等综合测试,以真实模拟户外环境。当前我们展示的是85℃+MPPT条件下的数据,未来将逐步完善其他测试维度,明年会同步更新。
另外,京东方的理念始终强调“良率”。我们所汇报的505W等数据,均基于批量良率的支撑。目前,产线良率已超95%,最近两月投片约600片,其中95%的组件转换效率稳定维持在±1%以内。组件的一致性是我们上半年重点攻坚的成果。此前,同一批次中或有个别组件性能优异,但整体不稳定毫无意义。唯有实现批次稳定性,才能有效甄别工艺、材料或设备问题,推动持续改进。我们耗时3-4个月实现产线稳定与产品一致性,在此基础之上提升转换效率方具实际价值。
同时,我们也在探索差异化应用。目前钙钛矿组件直接竞逐地面电站仍需时间,因此柔性、BIPV及消费电子等差异化场景成为重要方向。我们开发了全系列BIPV产品,涵盖不同透光率、光伏屋顶与地砖等,并已落地多个示范项目,如合肥钙钛矿车棚、北京国管幼儿园地砖、合肥示范小屋等。上海光伏展上,我们获颁业内首个全场景光伏建筑认证。此外,本次服贸会期间,我们在首钢园设置了BOE钙钛矿示范展区,欢迎各位前往参观。
然而,示范转向商业化需产品具备足够竞争力:转换效率需持续提升至18%以上(否则投资回报周期过长),产品可靠性须达15年以上。目前BIPV商业化仍面临效率与寿命门槛。
产品认证方面,我们已完成900 cm²组件的TUV认证、BIPV的3C认证及柔性组件认证,并计划于今年11月通过1.2米×2.4米组件的TUV莱茵认证。
关于产业化时机,我们认为应客观判断。历史数据预示,平米级组件效率每年可提升1个百分点。协鑫1米×2米组件效率现为19%,今年目标20%;我们同样瞄准19%-20%。若效率突破23%,则具备初步应用条件。但可靠性仍需时间验证,当前行业实证数据仅积累2-3年,未来2-3年将有更清晰认知。
成本方面,近期招标显示钙钛矿组件价格约1.6-1.8元/W,对比晶硅0.6-0.7元/W看似不具优势。但我们分析,当前高价大多归因于规模不足:材料损耗率高、生产不连续推升成本。实际组件成本约0.8-1.0元/W,随规模扩大,材料与生产效率提升后成本有望下降。因此,成本并非核心担忧,效率与可靠性才是关键挑战。
最后,分享我们的思考与呼吁。钙钛矿技术发展需从机理层面突破,而非仅外围优化。例如,稳定性首先取决于钙钛矿膜质量与结晶工艺,需从材料选择、结晶动力学及设备匹配入手。因此,我们亟需与科研专家深入合作,夯实理论基础,指引工程实践。
其次,可靠性需标准化评价体系。行业协会正推动相关标准,企业端我们亦设立品质研发部门,致力于钙钛矿失效模式研究,通过实验室与户外实证对比构建加速老化模型。该工作已取得初步进展,但需持续投入。
此外,为避免重蹈光伏行业内卷覆辙,我们呼吁行业重视创新与知识产权保护。当前设备商、材料商多关注“何时量产”,而非“如何改进”。若钙钛矿量产之日再现同质化竞争,现今努力的价值将大打折扣。我们希望合作伙伴聚焦研发创新,而非价格血拼。例如,设备商可携手开发独创技术(如新型结晶工艺),而非提供雷同Demo设备。京东方愿开放产线,合作验证新技术,并保障知识产权不被泄露。合作模式包括联合开发(知识产权共享)、排他协议及未来量产优先采购等。我们近期拟推出“揭榜挂帅”计划,公开技术难题,征集解决方案。
具体技术需求包括:高阻水(10⁻⁵级)、低方阻(<8Ω)封装膜;原子级在线监测设备;高性能SAMs材料等。欢迎有兴趣的伙伴前往合肥基地,与我们的研发团队对接。
总结来说,京东方承诺:第一,为创新性设备与材料提供测试平台,并确保技术保密;第二,开展联合开发,共享知识产权;第三,在量产阶段给予合作方优先权与利润保障。钙钛矿产业发展绝非单打独斗之事,需生态协同。我们愿与各位共同努力,加速产业化进程。
我的分享到此结束。感谢各位的聆听!
主持人:感谢寇总。寇总的报告非常饱满地呈现了京东方钙钛矿事业的进展,并且针对产业链的生态建设提出了召集令。我相信大家听完寇总的报告之后,一定会有很多问题。没关系,我们今年设立了问答环节,我们会在所有的报告发表完之后集中一个时间,给意犹未尽的嘉宾们分享探讨。
我们知道,随着新能源事业的蓬勃发展,对国家的能源结构带来了根本性的变化,这种变化也会对电网、电力系统产生不小的挑战。今天我们非常有幸请到了中国电力科学研究院电力系统研究所副所长马士聪博士,为大家带来《新型电力系统能源结构发展趋势及挑战》的主旨报告,掌声欢迎马所长!
马士聪: 全文(略)
主持人:感谢马所长。马所长一直在说他的时间超了,我觉得他的时间是非常值得的。我相信,很多人在正常的钙钛矿论坛里,很难听到像马所长这样的报告,体现了寇总在开场时说的,我们举办这个论坛就是不想浪费大家的时间,只是想让大家能够有所收获。马所长刚才一直在强调需求方是很多的,用电量在增多,发电量也在增多,马所长他们夹在中间。我们是在钙钛矿的技术上“啃硬骨头”。以马所长为代表的电力系统科研人员,他们面对的压力、面对的挑战,一点都不比大面积的钙钛矿结晶要小。我们再次把掌声献给马所长,谢谢!
马所长在他的领域里“攻山头”,我们在钙钛矿领域里也要解决稳定性的问题。刚才寇总说了,稳定性是京东方关注的头等大事。稳定性要解决,必须要从基理的角度出发,所以少不了高校老师们对我们的支持。因此,今年我们首次尝试圆桌研讨会的环节,共同探讨学术跟产业如何形成合力,一起解决大面积钙钛矿稳定性的问题。下面,由我来介绍一下参与本次研讨会的各位嘉宾,请各位嘉宾依次上台入座。他们是:
华能清能院光伏技术部副主任、中国光伏协会钙钛矿专委会执行秘书长 赵志国先生
中科院合肥固体物理研究所 潘旭教授
中科院青岛能源所太阳能光电转化与利用国家重点实验室副主任 逄淑平
河海大学新能源学院 丁勇教授
西安交通大学材料学院 陈波教授
北京理工大学前沿交叉科学院副研究员 朱城老师
请各位老师依次入座。再次感谢各位老师和嘉宾的加入!
刚才我们聊到,稳定性是大家最关心的一个问题。其实,我们确实很关心稳定性。各位老师都是科研一线的佼佼者,同时在自己研究的方向上进行了稳定性研究。我们做稳定性以来,稳定性跟行业内宣传的好像不太一样。为此,先看一下我们整理的PPT。
这是我们整理的企业端关于稳定性的一个结果。公开数据显示:几乎所有的企业,都是基于IEC的这套标准。核心考察的是双85的存储、冷热循环,以及低剂量的UV。少数的头部企业,能够在个别指标上超出现有的标准。我们做稳定性的时候,发现双85存储是比较容易通过的一个测试。考虑到离子移动的问题,要做光热协同的软化。光加热一起做,同时这种剂量的UV也不够,15千瓦时的UV剂量相当于连续光照60小时的累计剂量而已,所以UV也要做高剂量的UV,针对这两点,我们第一反应是先看看学术界做到了什么水平。我们整理了一下学术界相关成果。
这是我们整理的在85℃+MPPT>1000Hr的科研成果。可以看到从去年的下半年开始,就陆续涌现出一批很好的科研成果,既有高效率,又都能在1000小时以上的寿命,最好的已经逼进4000小时。看起来学术界在这个老化测试上已经找到了一定的方向。那针对UV的结果又如何呢?可以看到明显感觉科研的成果少了很多,而且绝大多数的UV累计剂量都是在100千瓦时以下。唯二有2个高点在700千瓦时的辐照度,但它们的光热协同稳定性表现也不好。也就是说,目前还没有一个方案能够既满足光热协同老化以及高剂量UV。
通过这三张PPT的对比不难看出,学术界关注的老化跟产业界关注的老化,有一点错位、脱节。针对这个问题,我们今天特意举办这次圆桌研讨会,共同探讨这个问题。今天,我跟赵主任算是企业界的代表,重点跟各位老师聊一聊稳定性的问题。在开场的时候,我想听听各位嘉宾,针对钙钛矿的稳定性,你们是怎么看待的?我们请赵主任先分享。有请!
赵志国:谢谢郭总。对于用户来讲,华能集团作为光伏产品的最大用户之一,对于稳定性还是关注的。除了用户之外,我们研发也做了很多,对于钙钛矿的稳定性也是寄予很大的期望,因为对于未来来讲,必须要把稳定性解决掉。
刚才郭总也介绍了,影响稳定性的因素有很多,包括接触式的,比如水汽或者其他腐蚀性气体。非接触式的就是光、热、电,还有可能的应力。在多种复杂因素影响下,要做到长周期稳定性,对于大型地面电站,我们不说25年,至少20年是必需的寿命。对未来来讲,一定要加强多元技术每一个环节。对于钙钛矿材料来讲,由于材料特殊性,意味着成本会低,也意味着稳定性更有挑战。未来,我们希望学术界和产业界与用户,共同把钙钛矿多元耦合下的稳定性攻克出来,让我们在未来的电站里面用到20年甚至25年的寿命。
主持人:谢谢赵主任。赵主任提出了需求端的需求。下面,我们把这个问题交给潘老师,潘老师聊聊钙钛矿的稳定性。
潘旭:郭总刚刚讲了一个非常现实的问题,学术界稳定性的方法和产业界的不太一样,这也确实是目前存在的一个现实问题。学术界知不知道呢?我们知道,但是我们现在没有办法。从材料的本体角度来讲,由于钙钛矿本身的制备比较容易,从化学反应的可逆角度来讲,越容易制备的材料就必定意味着可能在稳定性上有所缺失。对于学术界,可能没有办法把所有的因素综合在一起去考察它的长期稳定性,因为一考察最后的结果可能就是,现阶段确实存在一定的不足,这是产业界最后得出来的结论,目前整体的性能肯定达不到赵老师所说的20年。
这个问题,我想要分几个方面看。第一个,学术界虽然达不到,但我们希望通过不断去解决单一方面的稳定性,最后才能综合在一起。而钙钛矿发展的时间不是在一个那么非常成熟的阶段,到现在为止也就是十几年的时间,请给科学家们一点时间来解决这个问题,这是我们一直在努力的事情,所有科研人员都在奔着这个方向努力,我们也在做统一下的稳定性,这样才能真正为产业赋能。这是第一点。
第二个是钙钛矿稳定性的问题,寇总也说了,我们平时也会有这个感觉。现在IEC的认证标准是针对硅电池的,而针对硅电池的间接带隙半导体和钙钛矿的直接带隙半导体是完全不同的两类。因此,完全沿用那个标准来测试,实际上是没有办法得到真正的实际使用寿命的。针对这一点,现在已经有很多研究学者在做这个方面的研究,包括标准的建立,包括一系列测试条件、测试设备的开发,也都是有相关研究的。还是一句话,需要时间。
第三点,作为一个材料研发人,应该直视材料本体的不稳定性。对于钙钛矿,它是一个软晶格材料。软晶格材料天然地会在UV下、会在光热条件下产生比较大的变化,或者说天然的它内部存在的离子迁移会比较严重,我们如何对软晶格进行改性,这也是目前我们这个团队核心在做的一些科学内容。我相信在短期内会有明确的结论,会有一定的突破。
最后一句话,希望通过全体科研人员的努力,正视钙钛矿目前遇到的问题,也明确看到未来的希望,最终把钙钛矿新型的薄膜光伏电池成功地推向应用市场,为我们国家的能源做出科研人员的贡献。
主持人:谢谢潘老师。第三位请逄老师来分享一下。
逄淑平:感谢有这个机会来分享一点不成熟的想法。稳定性来说,刚才讲了产业界、学术界,本来应该是一个统一的东西,鉴于科研界测试的方法单一,尤其是最近的光热,实际上是很难测试的一个东西。不是不愿意去做,是平台的限制。这是第一方面。
第二方面,整个行业的发展,我们开始关注的是相的不稳定,相的转变。后来相转变不是问题了,又是湿度、氧气不稳定,这些问题现在看也不是大问题,最后慢慢过渡到光热。做到光热的时候,尤其是2018年左右的时候,MA体系占主导的时候,我当时非常灰心,觉得这个事无解。
当时去了一趟协鑫,我的结果跟它的差别很大。实验室的条件,或者我们测试的方法,跟真正的产品是不一样的,所以就看你怎么去测。简单一点,就是封装不封装的问题,带来的结果也是不同的。在我去协鑫看之前是悲观的,我都想放弃这个方向了,我觉得根本解决不了。后来我看了之后,确实突破了我之前的认知,我觉得这个事还是有解的。后续我去做光热,光热是分解的反应,我们花了好几年去看到底发生了什么反应。后来发现它的反应是可逆的。我们做化学的知道,只要是可逆的,就有方法去解决。
我经常在实验室跟学生说的一个例子,也是给学生打气。10年前、20年前我们穿的旅游鞋,你穿两年基本都是黄色的,现在为什么不是了呢?需要一些方法去抑制自由基的反应。对于钙钛矿来说,这方面还有很多可以做的东西。不同的企业,当然需要不同的方法去解决。从这个角度上来说,是有一些途径是可以抑制光热分解的。这是从化学角度。
再回过头来,从一个大的行业来说,大家都说了钙钛矿晶格或者是界面材料很多,SAMs层是大家诟病很多的稳定性的一个点。我重点想说的是:尽管这么多的问题,像京东方这家企业已经做得这么好了,可能是在两年前、三年前我们自己不敢想象的事情。我们退一步再想一下,假如解决了80%,我们能不能达到10年、15年甚至更高的水平,个人来说还是有信心的。
我就分享这些。
主持人:谢谢逄老师。听到逄老师说企业界给了学术界信心,也让我更加有信心。第四位请丁勇老师。
丁勇:感谢郭总的邀请及介绍。我在实验室发现,跟今天下午寇总说得很像,钙钛矿最大的问题是光热老化情况下的离子迁移以及相分离,这个可能来自于钙钛矿软晶格的特性。正因为它形成能比较低,很容易发生相转,同时导致里面的碘离子和铯离子发生迁移,从而导致钙钛矿在光热条件下晶格发生结构性的变化,导致它的性能衰减。
我们在实验的时候,通常也是通过增强钙钛矿表面晶格的刚性,让整个晶格变得更加稳定,在光热条件下能够抑制离子的迁移,同时也能够有效地抑制里面的有机阳离子组分的逃逸,从而保护钙钛矿内部晶格受外界应力的影响,从而达到从晶格角度、原子角度提高钙钛矿结构的本质稳定性。这是我们在实验室的一个策略。
另外,我们有时候会牺牲一点点效率,采用像氧化镍这种材料来替代,现在比较流行的SAM材料,单分子材料在效率上面具有极大的优势,能将效率从之前的正式结构25%陆续提高到27.5%。但是SAMs材料自身带来的稳定性问题,也是不可忽略的,尤其是它的热稳定性以及热脱附,包括SAM材料自身分解情况。我们在应用过程中,尤其是在大面积生产过程中,我们可能会采用溅射氧化镍的方式来替代易分解的SAM材料,从而提高稳定性。
第三个,回到逄老师说的,组分工程上钙钛矿最核心的常用添加剂材料,像氯甲胺,从2019年被报道以来,广泛应用于所有窄带隙钙钛矿最核心的添加剂之一。最大的问题是,氯甲胺在里面很容易没有被完全释出,从而在里面会有残留,这部分残留也会影响钙钛矿稳定性。因此,如何减少和尽可能不用氯甲胺,反而用一些可替代的添加剂材料,从而获得一个高本征稳定的钙钛矿材料,这也是我们团队所追寻的核心目标之一。谢谢大家!
主持人:谢谢丁老师的分享。下一位请陈波老师。
陈波:首先,过去几年里在学术界的不断努力下,钙钛矿的稳定性虽然还有很多问题,但是已经从原来的几百小时提高到年的水平。包括刚才郭总总结分享的,在过去一年的时间里,有非常大的突破。我相信在学术界、企业的努力下,稳定性肯定还会有更大的提升。
这包括两大方面,第一,钙钛矿本身稳定性的提升,从以前MA体系到现在的FA体系,加上二维的钝化,SAM层,都使稳定性得到了质的提升。第二,抑制界面的反应。比如我们近期做的把氨基的二维钝化材料换成脒基的,我们可以在85度连续光照严苛的条件下使稳定性得到很大的提升。在学术界短短的几年里,稳定性得到飞速的提升。在我们产业化的进程中,学术圈和产业界的不断努力,稳定性也会得到非常大的进步,也希望早日达到晶硅的25年或者是30多年的稳定性。
第二个,学术圈跟企业界一个比较大的区别是面积上。我们学校做的面积比较小一点,而公司做的是米级的单位。在稳定性的放大过程中,可能会涉及到均匀性的问题,像钙钛矿的薄膜、SAM层、钝化材料的均匀性,这是决定未来如何解决产业化稳定性更重要的一点。
主持人:谢谢陈老师。最后有请朱城老师。
朱城:感谢郭总。首先,我想表达的有两点。第一点,在我看来,我们领域内的稳定性有几个非常难的难点:第一,大量的文献和实验,像各位老师之前提到的,反映了一些普遍的特征。比如说,钙钛矿的黑相变黄相,在水环境下的相变,钙钛矿非常典型的独有的离子迁移,钙钛矿MACl的有机组分的逃逸和挥发,或者是直接性的分解。这样的特殊性现象,已经被广泛地普遍认识到,但是我们的器械在不同的应力条件下,都可能产生7-8种的失效现象。这里面有两个问题:第一个,在7-8种典型的降解机制中,谁限制了1000小时寿命主导的失效机制?在解决了第一个难关之后,谁是主导1000-2000小时的第二个重要失效机制?这7、8个因素的主导因素,谁是效率和寿命的短板?我怎么去把它鉴别开来?这是我认为的第一个难点。
第二个难点,各个实验室因为气氛、组分的选择不同,甚至是功能层材料的选择不同,很可能在7-8种的因素里面,限制第一个1000小时的主导因素是不完全一致的,这样就会带来我的研究、发表的论文、发表的文章,相对于你的器件来说借鉴意义不是那么大。一个是主导的失效因素,第二个是如何解决主导失效因素不同实验室之间的差异带来的共识性的问题,是我认为稳定性领域的第一个重要难点。
第二个问题,我认为钙钛矿电池最核心的问题,仍然是钙钛矿本身稳定性的问题。我们纵观光伏历史会发现,已经商用的晶硅电池来源于第四主族,从后来开始三五族的砷化镓、二六族的碲化镉或者是过渡族金属的铜铟镓硒,光伏的组分是越来越从共价键向离子键的这样一个增强的过程。这给我们带来一个好处的平衡是什么呢?从材料的角度,它的电子活性会越来越高,因为我们的太阳能电池本质是控制大量电子定向流动的过程。但是,带来的另外一个结果是,给材料本身的稳定性带来相对较差的表现。所以,在钙钛矿本身的稳定性上面,如何在离子键和共价键的特性上,稍微把平衡往更稳定的构架结构上稍稍调节一下,这是我认为在钙钛矿未来本身组分上需要调节的一个最重要的方向。相对于现在的很多界面来说,本质也是功能层和钙钛矿之间的相互作用不够稳定,所以,钙钛矿层本身的稳定性,以及钙钛矿层和其他的功能层相互作用的化学间的稳定性,我认为是未来稳定性调节方向最重要的“指路明灯”。谢谢郭总!
主持人:感谢朱老师,也感谢各位嘉宾的分享。针对稳定性,大家能感觉到每个嘉宾尤其是老师们,都会从第一性原理,从本身的晶格属性来出发想这个问题,这也是我们需要科研界帮产业界解决问题的初衷。
说到稳定性,京东方也做过一些研究,包括刚才大家说的热稳定性。我之前想的是,热稳定性到底好不好,看下FAPbl3的单晶热稳定性不就行了,我们当时没找到单晶,找到了微晶测了一下,发现它的分解温度还可以,能到200度以上。从这个角度来看,现有的FAPbl3,只要把晶体结晶做好了,热稳定性不是问题。
紧接着就是离子移动。我们当时很有幸请教了吉林大学的董庆锋老师,董老师今天也来到现场了,董老师是最开始研究单晶钙钛矿离子移动问题的专家。当时我向董老师请教,单晶有没有离子移动?董老师说:单晶也有离子移动。我心里就凉了一半,我心想是不是要凉?后来董老师跟我说:我们可以想办法。就像刚才朱城老师说的,钙钛矿是可以灵活设计的,可以想办法增加离子迁移能的势垒,来减少离子迁移。这是第一招。第二招,刚才逄老师也提到过,很多分解是可逆的,可以在界面上增加阻挡层,把它摁在钙钛矿薄膜内部,也会起到不错的改善效果。
总体来说,就像各位老师说的,钙钛矿因为好制备,所以它肯定会有先天稳定性不如晶硅的问题,但是并不代表它无解。各位老师都从各自的角度,有从配方组分的,有从界面的,包括制程、工艺、气氛多个维度去做这个事情,所以它一定是有解的。只是像潘老师说的,我们需要时间去摸索、去探索。
各位老师在发表过程中,我感觉是我一开始说得不对,好像我在批评老师研究得不到位一样,其实不是这个意思,我必须得圆回来。第一个议题,我们想的是加强合作,所以今天第一个议题就是如何推进校企合作。我们简单分个组,让朱城老师、丁老师和陈波老师作为学校组的代表,从学校角度谈谈希望企业给学校带来什么?赵主任和我肯定是企业的代表,潘老师跟逄老师有大量跟校企合作的经验,所以今天两位老师也代表企业的角度,从企业角度希望学校做些什么。这一轮自由发言,主打的就是一个真实,请大家放下包袱,我们绝不会让大家打起来的。看看哪位嘉宾先分享。
赵主任:感谢大家。刚才我听京东方的寇总讲得特别好,也讲到我们的心坎。刚才说到平台化,我们老师们在前沿做的技术非常好,导入到企业里需要企业界代表安心,不会有技术的泄密或者未来成果共享的问题。第一个是平台能够把技术导过来,能够有很好的合作机制,这方面和京东方的想法是一样的。
第二个,企业做技术的验证实证,可能比高校更有优势。华能正在做并网实证的数据。在系统端的建设,电站的建设以及跑数据抓取过程中发现了很多问题,很多问题都是可以反哺到学术研究,以及整个产业发展技术导入里面来。所以第二点我说的是,在实证方面可以和前沿的学术研究高校把技术验证得更好,支持上游的技术研发方向更加精准一些。
举个简单的例子,不一定对。我们在做系统电站的时候,之前在做组件的时候都说薄膜组件会省掉银浆、边框之类的。但是,可以告诉大家,从一个整体的系统来看,前端省掉的银浆一定会在系统端、汇流端补回来。大家说薄膜好、薄膜组件便宜,最终的成本会转嫁到业主方,我们会用更多的汇流把电流再汇起来。比如说小组件没有边框,便宜,但系统端的支架成本可能会增加1毛左右。整体来看,需要学术和产业的融合,才能把很多问题看得更透彻一些。这是第二点。
第三点,我们和华北电力大学、清华大学、北理工做了很多校企的人才培养,做了很好的工程硕博士的合作。第三点是希望和高校推进人才的培养,培养出针对企业或者是工程领域实际解决实际应用问题的人才,也是整个行业发展需要的。
主持人:感谢赵主任。其他老师有没有?刚才企业方代表发言了,学校方哪位老师来?
丁勇:我跟赵总也是有合作的,跟极电光能做一个示范电站的项目。感谢寇总跟郭总让我们承担了京东方室内光伏的课题,该课题主要是解决室内光伏稳定性的问题。
企业最大的优势,在资金以及在平台上有更多的灵活性,而高校的优势在基础科学以及人才培养方面上,但是高校最缺的是经费。刚好企业给高校提供平台,我们可以针对平台做很多有意义的事情。说白了,也是通过培养学生,解决企业实际生产遇到的问题,从而培养出具有工程性思维的学生。像我们学校来说,学术硕士偏少一点,工程硕士越来越多,这种情况下需要一个媒介去实现自身的价值,同时完成他在校期间三年的培养。刚好企业开放更好的平台,尤其像钙钛矿组件,京东方也做了很多应用示范,三年、五年或者很长时间内,可能会有疲劳损失或者服役损失之类的,刚好可以与高校的研究课题相结合,进一步分析一下为什么会损失、损失的主要原因是什么,以此来拓宽这方面的基础性研究,同时好好培养学生解决这方面问题的能力。
主持人:我感觉丁老师和赵主任说得能呼应得上,赵主任提到了提供平台,您那边提到了缺钱建平台,赵主任提到了可以进行联合的人才培养,都不谋而合。针对这几点以外,各位老师、嘉宾们还有没有想补充的?
逄淑平:我补充几点。大家都知道,山东省从2023年底到2024年在钙钛矿方面出了很多政策,也很支持,确实支持了不少。我分享一点历程。我们省厅第一件事是见各位专家,第二件事是带着省内的一些人(行政的、做科研的)跑遍了大江南北的所有钙钛矿企业,省厅的领导都进过产线。我们也提了我们的建议,确实实验室很多技术没有到产业去转化。原因有很多:一是尺寸不一样;二是工业路线不一样,但最关键的是相互之间缺少信任。企业可能不会告诉你我有哪条路线,你去研究那块适应不适应,存在信任的关系,或者是高效的沟通关系,这是最大的一个坎儿。
基于此,我们省厅支持我们建了一个平台,联合了省内的好多高校一起建的平台,我们也希望他们来用。但是另一个问题是,即便是我们有了平台,人家会不会来用。还是回归到一个问题,大家基础做得很好,产业也有需求,但是中间缺了桥梁。作为企业来讲,今天很好,寇总敢于把几大问题给展示出来,在行业内有很少企业真的把问题拿出来。我也跟企业对接过几次,你去问现在产线有哪些难点,他们不会告诉你他有什么难点。大家相互信任、相互坦诚自己的问题,这是企业迈出第一步的关键。任何学校或者每个人只是一块,解决不了现场的问题。假如把前面固定了、后面固定了,就留中间一个问题,抛给专业的人去做,我觉得这可能是比较直接、简单、高效的方法。
主持人:感谢逄老师。
潘旭:我也补充一点。刚刚逄老师已经触及了一点灵魂了,最大的问题是信任问题。信任问题,说白了到最后是利益分配问题。今天京东方寇总说,希望带着下游所有企业互利共赢,有这个承诺,为我们开了一个很好的先河。这是第一点。
第二点,在这个之外还有一个,科研人员的关注点和企业的关注点是不一样的,这是由它的天然属性造成的。科研人员追求的目标是发文章、拿国家项目,这个必然是追求往高精尖方向发展,而企业要求的是实打实的,要解决现实问题。怎么把这两个融合到一起?我们现在面临的就是这个问题。我们如果为企业服务,可能这拨学生发不出文章来,毕业不了。如果我们做自己的东西,做的不是企业实际需要的,能发文章的东西不是企业实际需要的,如何在这两个里面找到结合点,是需要建立在第一点的基础上的,充分信任的基础上,真正地融成一个团队深入沟通,找到双方都能解决的点共同去钻研。有些事情只适合企业干,有些事情只适合高校干,但是中间还有一部分是适合高校和企业一起干的,把这个点给找到,我相信校企合作就会非常顺利。
主持人:感谢潘老师。
陈波:企业跟高校的核心竞争力不一样。高校核心竞争力是从0到1的创新,企业是从1到100甚至1000到1万的技术落地,技术落地过程中可能也会涉及很多的问题。学界希望看到企业抛出的是具象的、迫切的、真实的需求,刚才寇总给我们分享了京东方遇到的具体问题,我觉得这点就非常好,让高校能针对企业目前遇到的痛处有的放矢,这样我们的研究也能更好地落地,缩短成果转化路径。
第二,高校毕竟资源比较有限,长期户外实测的稳定性、量产的良率,如果可以的话,企业能开放部分的数据,让高校能了解到在产业化进程中的问题,可以让我们设计更好的配方,拓宽工艺窗口,提高整个生产的良率,这样学界跟企业的对接能更快。如果条件允许的话,可以做共建研究院,让高校老师参与到中试线具体的研究进程中,让高校老师更好地了解产业化。说实话高校老师很少能了解到产业化的过程中具体问题是什么。这方面的对接能帮助高校老师更好地做好校企合作。
主持人:通过各位嘉宾的分享,我渐渐理清了应该怎么干校企合作这个事情。出发点一定是企业提出问题。我们要告诉你们,我们遇到的难题是什么,一起来商讨这个难题,把这个难题拆解成一个个课题,再把课题细分成一个个专题。可能某个老师专攻某个技术问题,我们再找一个设备厂商专攻设备的问题,这样就容易形成良性循环。同时,我也认为,之所以高校的老师看起来没有给企业做太多输出,是因为工艺路线不一样。之前很多老师是用反溶剂在做小电池,企业都是用抽气法在做成膜。为什么学校不会用抽气法做呢?因为那个设备贵,要买300mm*300mm的一套没个上百万下不来。刚才提到的平台,也是我们能够提供的资源。我们可以让老师们在更大的面积上去做实验,这样的话老师相关的研究也会聚焦在大面积的器件上,也会加速企业问题的解决。非常感谢各位嘉宾的分享。经过这一趴之后,我们会对未来的校企合作有更清晰的认知和路径。
刚才在讨论中,我们是刻意分了两个组,但我发现大家还是比较温柔。我现在点个火,我们搞一个辩论赛。这个辩论赛场跟下面的伙伴也有关系,辩论的题目是:材料配方重要还是设备重要?这个问题比较尖锐。我们还是分两个组,朱城老师、潘旭老师和陈波老师作为材料配方组,赵老师是装备组,逄老师因为跟设备企业有过合作,所以逄老师放在设备组也没有问题。丁老师跟另外一个苏州大学的丁老师曾经发了一篇好的文章,就是讲抽气法装备的,所以我觉得您放在装备组也没问题。我们这一轮辩论大家都有自己的立场,你们认为材料重要,你们认为装备重要,要说出理由。这一轮讨论6分钟左右。
朱城:我先抛砖引玉一下,我是配方代表,两个观点。
第一,我认为,从配方的角度来说,就像我刚刚说的,材料、组分、结构是一切器件最核心的基础,材料决定了效率、带隙及离子迁移率、缺陷容忍度,决定了材料效率的天花板和稳定性的天花板,所以我认为配方相对于设备更重要一点。而设备在我的事业中,在未来的工业生产中,不管是制备设备还是检测设备,制备设备可能是更好地保持高效率的生产、良率和均匀性,检测设备保证我的品控。至少从现阶段来说,我认为配方第一个决定了你的天花板。
第二,很多设备或者是工艺实现不了的问题,我们平常说它是工程问题,但是这些工程问题的本质核心是配方里面的科学问题。就像我们最常说的钙钛矿结晶问题,在2014、2015年做钙钛矿的时候,我们实验室做出来的钙钛矿没有办法连续成膜,全是孔洞。现在在大面积上也是这样。后来发现了好的溶剂DMSO,好的溶剂比例以及和前躯体之间的相互作用,我认为是在钙钛矿里面形成的一套非常有价值的理论体系,是基于溶液法的一套东西。而这个东西做出来之后,我们会发现反溶剂的工艺窗口没有那么短,也可以延长到10秒甚至是1分钟,它对于装备的适配性需求就不再那么高。我认为,很多配方里面的科学问题,也可以解决装备方面的工艺问题。这就是我的两个观点。
主持人:感谢朱老师。朱老师的意思是说,我有武功秘笈。你有剑,没有武功剑也耍不起来。朱老师作为配方组已经率先发言了,我们请设备组做个反驳。
赵志国:仅代表此次辩论的观点。配方和设备应该分阶段,对于高校老师,钙钛矿相对的设备门槛很低,可以去研究配方体系。在高校老师那边研究的配方多一些,各种各样的配方体系都有。到产业,因为这个议题是产业化过程,给到产业界来讲,大体会归纳或者收敛到相对比较窄的材料体系范围。要实现这个很好的材料体系,其实已经很窄了,要实现材料的结晶质量、材料的成膜质量以及最终的组件性能,对于设备的要求就会更高。京东方和其他做产业的企业,很多情况下是由于设备很难实现预期的工艺要求,导致整个组件的良率和效率非常低。所以,我认为在产业化过程当中,很好的设备甚至说在产业化里面,尤其是在稳定性和高效率的过程当中,一些更精密的设备,包括RPD或者ALD(音)原子层沉积,原子级控制层面上,这些更精密的设备对钙钛矿组件的性能提升是更加至关重要的,所以在产业化过程当中设备更重要一些。
主持人:我感受到潘老师已经按捺不住要反驳了。
潘旭:真不是按捺不住了,是给我们出了一个非常大的难题。产业化过程中肯定是配方更重要,因为配方是一切材料最基本的东西,决定了基础性能。说白了,配方包括后面使用的工艺,我们现在大部分使用的是小面积反溶剂法,京东方的产线用的是非反溶剂法。我说句不客气的,如果反溶剂法真的能够提升稳定性,真的能做成非常好的电池,非常稳固的电池,改一下工艺又怎么了?没有问题,只是工艺手段,总是有办法解决的。反倒是材料的基础,这个东西是没有办法的,它是天然属性,必须材料上突破产业才有可能,这是一个前提条件的问题。在这个基础上讲,我当然说在产业化过程中配方更重要。当然了,你要把我放到另一方,我也有话说。综合的观点,在产业化的过程中,每个环节缺失都是不行的。
主持人:丁老师也有要补充的
丁勇:首先感谢下面的杨冠军老师跟丁斌老师。我跟丁斌老师在瑞士一直做抽气法的技术迭代。在原有的基础上,当时最简单的想法是,如何实现从小面积做到大面积的过程中尽可能减少效率损失。效率损失最根本的原因,就是如何做好更高质量的大面积钙钛矿薄膜。对于无论是小电池还是大面积,它的配方一致的。核心的问题,就是刚才讲的怎么将钙钛矿薄膜尤其是放大过程中的薄膜质量做得越高越好,尽可能减少里面的孔洞。我们在杨冠军老师的基础上不断迭代,做到第三代抽气法。我们在迭代的过程中,抽气法可以适用一切配方。无论什么样的带隙,什么样的溶剂体系,都能在我们这个抽气法精准的复现。抽气法最大的优点,是不限于配方的要求。配方是设备的灵魂,设备又是配方的载体,所以我们希望能够在更高稳定、更好配方基础上,同时结合更高、更先进的全自动化抽气法实现高重复率、高一致性的钙钛矿大面积生产。
主持人:我们还有一分钟时间,各位老师还有没有补充的?
陈波:我是配方组的。首先,配方是非常重要的,如果没有一个好的配方,让我们看到钙钛矿有这么好的效率和目前稳定性的提升,这个“蛋糕”就做不起来,所以配方决定了产业化梦想的边界到底有多少。装备决定我们如何实现产业化。刚才朱老师提到,配方决定了现在的天花板。在近几年配方的不断研究中,我们拓宽了工艺窗口、减少了对设备的依赖度,可以更好地为产业化提供更多的路径。配方和设备哪个更重要,取决于产业化的瓶颈在哪。如果天花板已经高到那个程度,哪怕低一点也可以。如果天花板的效率只有15%,这个时候可能还需要配方去提升。
主持人:感谢陈老师辩证地阐述了一下这个问题。由于时间关系,这一轮的辩论就到此结束了。这个问题是我给大家挖了一个坑,跟潘老师说的一样,配方可以说出配方的道理,装备也可以说出装备的道理。先有鸡还是先有蛋。我们想说的是,配方也好,装备也好,它是两个路径,大家可以一起做。一个好的配方,可以让设备的要求变低,设备的成本也会跟着降低。一个好的设备可以兼容很多的配方,也会让产线更加灵活,对产品线的丰富也会更加有效。我们希望做材料的伙伴们能够帮我们研究配方,做装备的伙伴们不停去研究装备,大家在各自的道路上最终会走到同一个终点。
再次感谢各位嘉宾的分享。感觉好像有点意犹未尽,没关系,我们后面在合肥现场再组织一次研讨会,让更多的伙伴们一起参与进来。今天整个圆桌论坛环节就到此结束,我们再次用热烈掌声感谢各位嘉宾真知灼见的分享。谢谢各位嘉宾!
刚才从辩论也好、讨论也好,大家表达出来的观点就体现了一点,钙钛矿的产业化之路,注定不是一条一帆风顺的康庄大道,一定是充满荆棘坎坷的攻坚之旅,需要整个行业伙伴们的共同加持,才能加速这个时间。
我记得,去年拜访北理工陈棋老师的时候,陈老师给我举了个例子,让我印象深刻。他说:钙钛矿就是一座灯塔,它就在那里,实实在在的在那里,大家都能够看得到,但是通过灯塔的道路被一团迷雾所笼罩,我们要做的就是花一些时间和精力聚焦一下,找到从机理-材料-工艺-装备的知识地图,打造一个好的产业链生态。像刚才寇总号召的那样,有了好的产业链生态,我们才能快速地抵达灯塔。
刚才讨论的环节涉及很多技术的问题,软结膜、多晶薄膜等等相关知识点,我们趁热打铁,下一趴让我们感受一下学术殿堂的魅力。有请华北电力大学的姚建曦教授,为大家带来今天的第三个主旨报告,有请姚老师!
姚建曦:感谢郭总的介绍。非常荣幸今天来参加京东方的论坛。我的报告本来是在圆桌会议之前的,我一直想的是抛砖引玉的作用,结果玉先出来了,我的砖后出来,请大家多指正。
我的报告题目叫“结晶调控及界面工程实现高效钙钛矿电池”。因为时间关系,我就不细说了。钙钛矿电池是光电转换效率最快的电池,现在的效率已经超过了27%。所谓的Perovski,就是以俄罗斯一个地质学家佩洛夫斯基的名字命名的,通常构成ABX3的结构,就是一个立方结构。A是通常有机的阳离子和Cs离子,B是金属离子,X通常是卤素元素。第一个电池是零九年,是日本一个做染料敏化太阳能电池的科学家,叫Miyasaka,他把它做光吸收材料。当时效率非常低,只有大概3.8%的效率。当时的问题也是稳定性很差,MAPbI3在液态电解质当中溶解度非常强。以前有一个做晶硅的老师说:钙钛矿电池有什么做得必要?我上一趟厕所它就分解了,没太大意义。但是,这么多年经过产业界、学术界的研究,稳定性已经得到很大的提升。前面几位老师也探讨了稳定性的问题。稳定性未来还是有很大增长空间的。
钙钛矿材料,主要考虑它的结构上有两个因子,一个叫做八面体因子,主要是看PbI2八面体能不能“撑”起来,通常用B位元素的半径除以X元素的半径。只要在这个范围内,0.4-0.9之间,我们就认为它可以形成稳定的八面体。另一个叫容忍因子,主要是立方结构能不能“拼”进来。只要在0.81和1之间,我们就认为它能够形成稳定的钙钛矿结构。当然了,其中会有一些畸变,八面体会有些倾斜,但是我们通常也认为它构成一个立方结构。
钙钛矿电池最大的优势,它的低温、全溶液、大面积,而且本身的物理特性也很好,使得相对而言成本比较低,性能比较优异。理论上,最高的转换效率可以做到33%,已经超过了晶硅的效率。也有人算过,不一定很准确。如果做一个100MW的组件,钙钛矿大概用35公斤左右,单晶硅大概需要7吨,两者原材料使用差异还是很大的。材料纯度来说,晶硅不管单晶硅、多晶硅,一般要4个9到6个9的纯度,钙钛矿大概95%就差不多了,对材料杂质的容忍度是比较高的。此外,能耗钙钛矿也呈现出了更大的优势。
钙钛矿材料这么火,这两年大家认为是发展最快的材料。从物理特性来说就两个:一个是高光学吸收系数,另外一个是长载流子扩散长度。高光学吸收系数,目前常用的不管是MAPbI3、FAPbI3还是CsPbI3,都是直接带隙半导体。意味着它的光学吸收系数大,可以达到10的五次方,这是远高于硅和有机材料的。由于它有这么大的光学吸收系数,我们可以用很薄的薄膜吸收所需要的太阳光谱能量,完成它的高效吸收,所以它非常适合用在轻量化柔性器件和探测器领域。载流子扩散长度长,可以达到1-10微米,近似于硅的。对材料的杂质容忍度和曲线的容忍度相对而言都是比较高的,使得我们在溶液下制备,并且可以不达到很高的纯度就能实现高的效率。
关于钙钛矿电池,经过这么多年的发展取得了很大进步。面向太阳电池商业应用的“金三角”,比如效率、成本和寿命。刚才寇总已经讲到了这个问题。钙钛矿材料现在还面临几个大的问题,前面几位老师基本都谈到过,我只能说再总结一下。
一个是稳定性问题。比如FAPbI3存在着黑相和黄相的相变过程。此外,还有人提出含铅毒性问题,将来能不能用非铅的或者低铅的元素来取代它?引入锡,但二价锡不是稳定的价态,它非常容易向四价锡相变。此外,还有Pbl2的自发析出和离子迁移的问题。这些问题都严重影响到了材料的稳定性问题。
还有薄膜质量。其实,在实验室小面积薄膜制备,我们说做一个很好的均匀性的薄膜难度并不大,但是尺寸一旦放大,比如2平米以上,结晶的不均匀性、缺陷密度等等问题就呈现出来了,所以将来薄膜质量也是一个很重要的问题。
此外,钙钛矿电池是多功能层的结构,我们有电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层,界面有很多,界面能级失配、缺陷密度高以及化学稳定性差,都是影响钙钛矿将来产业化的几个关键问题。
也有学者展望过,钙钛矿电池将来跟晶硅如何PK?有人预测:如果组件效率能做到26%,能达到10年的寿命,就能占据晶硅的市场。我个人一直认为,目前大家集中还是在主要赛道上,主要面向大规模集中的并网电站和光伏建筑一体化等等。但是,钙钛矿电池本身的结构特点以及制备特点,我们不一定完全要跟晶硅竞争,可以实现差异化的应用。包括京东方谈到了发展弱光的、室内光的,包括BIPV等等,因此不一定完全走晶硅的路线。
面向这几个问题,目前我们团队主要关注两大挑战。一个是相稳定性和薄膜质量问题,主要是基于添加剂的工程、掺杂,以及晶体再溶解结晶的策略。通过这些策略,对成核生长机制进行调控,实现整个钙钛矿结晶的调控。此外,界面缺陷方面,我们更关注薄膜表面的原位钝化和埋底策略,通过构建特定的异质节结构,希望改善载流子传输特性以及降低表界面缺陷。
这两年研究比较多的FAPbl3的体系,因为它的带宽是1.48电子伏特,相较于MAPbl3来说,和可见光光谱更加匹配。通常我们说的α-FAPbl3是光活性的,但是在光、热、水的作用下非常容易向非光活性的黄相发生相变。在相变过程当中,一方面晶体结构的崩塌引起了整个性能下降,此外,在相变过程当中即使存在逆反应,让它从δ相又变成黑相,在相变过程当中会诱导薄膜大量缺陷的产生,这样会加剧薄膜稳定性进一步下降。首先,我们要关注α-FAPbl3结晶和降低缺陷密度,这对性能提升至关重要。
现在我们关注的策略,主要有几个方面:一个方面,首先是在前躯体溶液当中形成预成核位点。通过预成核位点的实现,加速钙钛矿薄膜的成核结晶过程,因为它降低了晶体生长形成能。此外,从α-FAPbl3的结晶过程当中会有中间相,有β相,有2H、6H以及中间相产生,这些中间相会影响到最终立方相的结晶状况。如何调节各个相的形成能抑制中间相的产生,也是重要的一点。钙钛矿的表面、界面以及晶界当中都存在大量缺陷,通过具有特定官能团的化学分子,实现对表面缺陷的钝化。在获得了黑相的FAPbl3的基础上,还要考虑促进某些晶面的定向结晶,让它沿着一个晶面长,载流子在特定晶面当中的传输有利于光电子和空穴的分离。所以要调节不同晶面的界面能,使得FAPbl3实现定向的结晶过程。
这里介绍一下这两年我们在这方面的一些小工作。一个是我们构建了超分子界面钝化的策略,主要是构建了主客体双钝化。我们引入了一个冠醚Cs的超分子结构,在它的基础上又引入了PEAI钝化剂。这两者共同结合,能够把钙钛矿表面的缺陷大幅度降低,而且非常有利于提高稳定性。像冠醚Cs的热稳定性是非常好的。在这个基础上,能够有效降低钙钛矿薄膜的功函。效率是26%。很好的一点是,现在有些做稳定性,通常是最高效率很难实现最好的稳定性,这两者是有矛盾的。我们当时选择了一个效率很高的电池,把它进行长期的稳定性监测,发现其呈现了非常好的稳定性,结果见这个图。
另一方面,我们构建了多功能的聚合物,实现钙钛矿薄膜表面和内部的钝化。通过表面内部的钝化,实现晶体结构更加完善。这个电池很有意思的一点是,我们把它放到水当中去泡,目的是检验稳定性。发现长时间在水的浸泡过程当中,薄膜基本上不发生任何相变,而且铅的溶出量是非常低的,为我们获得更高稳定性的电池提供了很好的思路,,因为这是没有封装的电池,因此我们称之为内封装方法。
在结晶调控的方面,目前常用的方法是在前躯体溶液当中引入有机长链分子,让它对薄膜的结晶过程进行控制。但是,长链有机物的过多引入,因为链比较长,载流子传输势垒也比较大,会阻碍一些电荷的传输。针对这个方向,我们研究了很多具有特定官能团的小分子有机盐。将它们引入到前躯体溶液当中,发现引入之后使得溶液中的胶体粒子尺寸得到了非常大的改变,这种胶体尺寸增加有效降低了成核的结晶势垒,具有调节晶体生长的过程,而且还可以控制结晶速度,钝化缺陷。通过这种方法,使得钙钛矿薄膜的结晶性能明显增强。在这个实验基础上进行了大量理论计算,发现通过大量小分子的引入,可以使优先保障特定晶体生长,降低钙钛矿成核的势垒。
通过这些策略,一方面调节晶体生长过程,控制结晶速度,钝化缺陷。通过这种方法,使得薄膜的结晶性明显加强。在这个基础上也进行了大量理论计算,发现通过大量小分子的引入,可以优先使特定的晶面进行生长,而且降低钙钛矿的成核势垒。刚才圆桌会议的时候各位专家也谈到了,企业生产当中经常用抽气法实现大面积的电池。我们采用无反溶剂的办法,使用了甲基丙烷酮这种溶剂,大概接近30平方厘米的组件实现了22%左右的光电转换效率。
另外,也关注到做钙钛矿电池用的原材料。寇总也谈到企业界关注这么一个问题。我们通常用FAI、MAI融入到前躯体溶剂当中,然后就直接做膜。现在也有一种方法,是用FAI和碘化铅先溶,溶完之后结晶得到粉体,粉体溶解再进行制膜。这个过程当中有它的优势,能够减小钙钛矿残留当中的溶剂,以及未反应相和其他的溶剂相。我们在这个基础上,引入了特定的掺杂剂,得到纯立方相黑的FAPbl3粉末。如果不采取这种策略,6个月钙钛矿粉体中会出现碘化铅以及黄相。而我们这个粉体,放置6个月之后,晶体结构基本上不发生任何变化。新鲜的粉体直接做成电池,在实验室很容易做到大概26.5%的效率。如果把粉末放置6个月再做,它的效率还能维持在26.4%,基本上不发生任何变化,表面粉体具有优异的环境稳定性。
此外,我们关注到柔性钙钛矿电池,采用了一种通用的添加剂,通过减小缺陷,在小面积电池上做到了25.35%的光电转换效率,在接近120平方厘米的组件上面实现了16.74%的效率。这是上半年的工作,现在这两个都有突破。
前面讲了FAPbl3是一个杂化体系,这两年我们也一直在关注全无机的体系。我也想呼吁一下,大家对这个体系给予一些关注。这是因为,在全无机体当中,A类当中是没有用FA和MA,它用的是Cs,它是一个CsPbl3的体系。这个材料具有非常好的热稳定性,在350度以上不发生分解,非常适合高温环境,最高效率已经超过了22%。它虽然热稳定性好,但是仍旧有一个问题,这就是Cs+尺寸较小,没办法把八面体的空间有效支撑起来,使得在温度变化过程当中会出现,从立方相、四方相、正交黑相到正交黄相一系列相变,使得电池的性能下降。为了解决这些问题,现在有一类方法是提出用混维结构。也就是在A位把Cs用大分子阳离子取代,形成二维和三维混维结构。这种方法的确是能够提升稳定性以及降低缺陷。在有机无机杂化体系中是可行的,但是在全无机体系当中,如果Cs被有机物取代,热稳定性会严重下降,而且Cs离子交换难度也比较大。
针对这些问题,我们提出了两个策略。第一,为了解决Cs离子交换难度大的问题,我们提出了顺序处理的方法,用不同的有机物在钙钛矿表面进行定向刻蚀,我们构建了三维钙钛矿和二维、准二维的异质结结构,从而把电池效率提升到21%。另一个方面,我们采用了低维的全无机结构,构成了全无机的混维结构。全无机混维结构因为这个合成温度大概是在300度以上,所以它呈现了非常好的热稳定性以及环境稳定性。我们在双85的条件实现了非常好的稳定性,电池效率接近21%。
除了CsPbl3体系,CsPbl2Br这个体系大家也可以关注,因为它的带宽大概是1.9电子伏特,他的宽带系特征使其非常适合于用作叠层电池。我们通过很简单的结晶调控,在前躯体溶液当中引入很少量的水,使得薄膜的结晶明显变好,最后获得了钙钛矿有机叠层电池,效率做到了23.21%。
此外,我们这两年关注的一个重点,就是全无机的柔性电池。开始考虑全无机做柔性可能机械稳定性不好,但是恰恰相反,我们发现全无机柔性钙钛矿电池呈现非常好的机械稳定性。借助零维的CsPbl6和三维的CsPbl3,我们构筑了一个混维的全无机柔性电池。我们发现,结合上表面的刻蚀钝化策略,全无机钙钛矿电池效率做到了15%。现在报道全无机柔性的最高效率是15.03%,我们这个数值已经非常接近了。这个电池呈现了非常好的机械稳定性,在5毫米的曲率半径下经过6万次弯折,它的效率衰减仅仅不到2%。
以上就是非常浅薄的观点和小的工作。最后简单做一个总结。面向钙钛矿电池产业化进程,我们要发展成可控结晶,均匀大面积制备技术,并发展它的原理。另外,表面钝化和薄膜结晶的调控,对于改善载流子传输效率、提升电池效率及稳定性是非常有益的。通过多维结构调控和结晶的控制,能够实现高效高机械稳定性的柔性太阳电池。
以上是我的报告,敬请各位专家批评指正。谢谢!
主持人:感谢姚老师。姚老师的报告专业性十足,而且在后面也提到了,姚老师通篇都在讲两个问题,第一个问题是怎么把钙钛矿的这层多晶膜做好;第二个是把钙钛矿、多晶膜跟传输层之间的界面做好。这也呼应了圆桌论坛里讨论的一个事情,就是装备的重要性。圆桌论坛讨论的时候,有一位装备厂商代表也有点按捺不住了,也要跃跃欲试。接下来,有请深圳市捷佳伟创新能源装备股份有限公司事业三部副总经理陈麒麟先生,为大家带来《钙钛矿电池核心装备提效降本进展》的主旨报告,有请陈总!
陈麒麟:
感谢郭博的介绍。刚才提到的第二个议题,产业化的过程是配方重要还是装备重要,在场的贵宾没有一个是装备业,所以我代表装备业补充一下,还是配方重要!
刚才寇总的演讲已经提到了。钙钛矿所有的设备,面板的设备都在用,所以产业化程度已经做得非常高了。关键的还是在配方,解决相关的提效、降本和可靠度的问题。我今天的主题是“钙钛矿电池核心装备提效降本”。降本是一个很大的课题,我们如果回顾光伏的产业,从2004年一直到现在20年的光景,光伏设备降本了将近90%,所以降幅是非常大的。
过去的晶硅电池怎么降本呢?基本上分为三个阶段:第一个进口替代。钙钛矿所有的设备平台有没有进口替代的机会?以我个人的经验为例,从2022年开始参与钙钛矿设备的投标。投标现场1个标案大概6、7家设备供应商,没有一家讲英文的,没有一家讲日文的,基本上就是老乡PK老乡,基本没有进口替代的机会。钙钛矿装备的进口替代要降本是不可能发生的,本来就是国产化设备的一个PK。
第二个是大产能的提升。我们早期在2004年的时候,一台设备晶硅电池1小时就几百片,现在晶硅电池的一个技术可以推升到1小时30000片的产能,这就是为什么光伏成本会大幅下降。
第三个降本是规模经济。我们从寇总的演讲里面能够看到,钙钛矿要进入规模经济非常困难。
没有进口替代,没有规模经济,钙钛矿怎么降本?在2-3年之间把设备成本降低50%,这是我今天要谈论的一个重要主题。我从钙钛矿的技术与装备做一个简单介绍,再就是GW级产线提效跟降本的方案。
简单做一个公司的介绍,因为寇总提醒,不要介绍太多公司的事情。捷佳伟创是2003年成立的公司,2004年就投入到光伏装备业,20年来专注在光伏设备业的发展。非常荣幸业界的肯定,一直在光伏的不同阶段做到头部企业。2018年上市,总部在深圳,在常州有一个生产基地。公司大概4000人,工程团队1200人,专利数超过1000件。过去在进口替代的过程也打过几场专利的仗,所以在后面的技术发展跟装备的发展里面,我们更重视专利的布局。
捷佳伟创跟其他装备公司可能不一样。要投入一个光伏技术,都是从第一道工序到最后一道工序,主工艺设备都是捷佳伟创的产品。第二个,现在一台设备的产能可能1小时1、2万片,自动化变得非常关键,所以自动化也是捷佳伟创的产品。第三个,工艺跟工艺的衔接是通过机械手臂去做整厂的串联,所以整厂自动化也是捷佳伟创的产品。第四个是生产管理,这也是捷佳伟创的产品。
这是一个高效技术曲线图,刚才那位老师也有提到。我要谈的不是技术的变化,而是在每一个技术迭代的过程装备业要做什么选择。我们在2020年的时候,产能已经推升到350GW。下一时代的技术到底是哪一个,没人知道。有些公司押TOPcon,有些公司押异质结,每家设备商的选择都不一样。但是,我们从现在的结果论来看,知道后来是TOPcon。从450KW的TOPcon全新的打造1200GW的TOPcon。押对宝的设备商相对来讲过得会比较好,如果踩错的话,可能就错失3-5年的发展机遇。
我们在晶硅电池技术里面,基本上就是这三个技术在互相叠加。在HBC、TBC、BIFI HJT三个杂化技术的叠加,还是在晶硅电池的工艺打转。往上走,基本上大家都只看到一个技术,钙钛矿+晶硅电池技术的发展。钙钛矿的发展未必跟晶硅电池技术是互相迭代的关系,而是可以共生共融的关系。今年有一个钙钛矿叠层的突破,不管在四端点叠层,不管在两端点叠层,在两端点小电池已经做到35%。两端点的组件在3.15平方已经做到841W,组件的效率已经27.2%,这个都在提升。四端点叠层,协鑫把小面积做到29%以上的组件效率。对整个规模技术来讲,对装备业来讲,后面的选择就是钙钛矿,这就是为什么捷佳伟创在钙钛矿的设备投入非常大。
钙钛矿的设备到底有哪几种形式?就看钙钛矿有哪几种产品结构。第一个单节钙钛矿,包括京东方、极电、协鑫在做的1.2米*2.4米的玻璃基板,在所有的单节钙钛矿产品应用。第二个,在晶硅的电池基础上做两端点的叠层。第三个,四端点的叠层。薄膜层跟晶硅层一起合作,创造一个新的产品结构。再就是钙钛矿可以跟钙钛矿叠加,钙钛矿与钙钛矿(OPV或CIGS)叠层薄膜组件。第五个,在今年比较火热的,钙钛矿的寿命现阶段可能没办法做到20年,甚至15年都是蛮挑战的,怎么进入电站市场是很困难的,所以柔性变成今年一个非常重要的主题。柔性市场可能涉及PET TCO怎么降本;第二个,贴膜技术怎么在柔性的基础上做生成。针对不同的产品结构,对设备都有不同的需求。
我们从真空设备来看,分为管形式、板式和卷绕设备。卷绕当然很清楚,用柔性钙钛矿。板式都是用单节钙钛矿电池,对于两端点的甚至管式的设备结构,像管式的ALD可以用在钙钛矿的设备里面。晶体设备湿法制程,大概就是两道化学清洗。现在柔性都采用贴膜的技术,所以柔性的湿膜完以后怎么清除胶变得非常重要,所以清洗又多了一道工序。在自动化智能设备里面,里面包含非真空的镀膜设备,如果用两端点就还有直线法印刷。钙钛矿的工艺包括SAM相关修饰层的工艺,就是狭缝涂布、真空干燥与晶化炉。最近还有一个新的技术,想要跟狭缝涂布PK的就是喷涂技术。激光设备主要应用于划片,还有整个单机设备的上下料跟全程自动化的部分。
今天重要的主题,我们在GW级的设备投资里面,不同技术目前投资金额到底多大?TOPcon大概在1.2-1.5亿,HJT大概是2.5-3亿左右,XBC电池(不是指传统的IBC)大概是3.5-4.5亿,钙钛矿一条GW线的投资大概要多少?大概在6.5亿左右。设备投资的降本,变成钙钛矿投资重要的议题。
怎么降本?之前大家建的线都是100MW,10条线就是1GW,当然不是这样的模式。GW级的配置,第一个以500MW为一个单元,2条线是1GW。第二个,玻璃基板以1.2米*2.4米为基底。第三个,每片30秒的生产节拍,达到500MW。需要的设备清单罗列在这里。两条线就是乘以2。在这个基础上,我们怎么做到降本?
成本的分析大概是这样,1GW大概要6.6亿,真空设备占比大概50%,这是核心中的核心。我要提的是真空设备怎么做到降本。再就是涂布设备占25%,激光占13%,其他的包括清洗、全厂自动化、封装大概占14%。我们怎么从6.5亿降到3.5亿,降幅大概46%,我们做了一些测算,因为整线设备我们都有做,所以可能的降幅大概48%,将近降50%。刚才提到这个不是进口替代,这个也不是规模经济,在没有这两个基础底项怎么达到降本,这就是后面要提的三个重点。第一个,大产能,是GW级降本非常重要的利器。第二个,新材料。材料的迭代更新,可以让设备降40%以上。第三个,创新的整合机。传统的晶硅电池不会发生,因为传统的晶硅电池如果11道工序,大概要11套设备,但是未来钙钛矿有10道工序可能用7台设备到8台设备就可以完成相关的工序,这是第三点创新整合机。
大设备怎么做呢?我们现在有几台设备在做1.2*2.4的玻璃基板的真空设备,还不能做到2.4米的镀膜幅宽,那个就是RPD的设备。包括贵公司和其他几家公司,RPD最大的镀膜幅宽是1.2米,我们有两个系统完成1.2米的相关工艺。我的长度是2.4米,如果可以把RPD的设备镀膜幅宽从1.2米拉伸到2.4米,同样的机身大概可以放两片玻璃。同样的生产节拍,可以大幅提升产能,降低每GW设备的投资。同样500MW的一条线,RPD基本上需要两台设备。但是,如果可以把镀膜幅宽从1.2米拉伸到2.4米,用一台设备就可以完成500MW的生产,所以设备投资基本上降低40%,另外占地面积降低50%。不管对于真空来讲、对于RPD来讲,增加镀膜幅宽是一个重要的议题。我们公司在这边也有相关的投入。
第二个新材料,PVD怎么降本?PVD现在已经做到2米4的镀膜幅宽了,看起来很难降低成本的。但是我这边要提一道工序,就是氧化镍工序。目前大部分的公司,90%的公司都还是用RF磁控溅射在做氧化镍。我们从去年建了自己的器件研发平台,材料也下了一些功夫。氧化镍是一个非导体,所以一定要用RF磁控溅射的方式来做。RF的镀膜速率很慢,我们怎么去解决这个问题?第一个,靶材做掺杂。现在不同的靶材有不同的掺杂方式,有掺杂锂、掺杂镁、掺杂铜,或者是做氧空缺,都可以让靶材具备导电性。具备导电性以后,我们就可以用旋转靶,用Dc Pulse的方式。我们验证了DC镀氧化镍是RF的将近十倍以上,所以可以看到非常明显的降本趋势。当然,镀膜的特性,从透光率来看差异不是很大,重点是器件没有什么差异化。我们客户端也进行了量产,包括市场端的应用实证,目前也没有什么相关的问题。如果未来在氧化镍能够从RF变成DC的话,设备一样可以降本超过40%以上。
现在氧化镍要镀多厚呢?大概15纳米到20纳米,30秒一个节拍,1.2*2.4的玻璃基板,用2.4米的镀膜幅宽,要10个平面靶。10个平面靶设备弄得老长,就是为了镀15纳米的氧化镍。镀膜速率很慢,所以我要10个平面靶来达到增加30秒的产能。如果可以用DC的方式来做,一个旋转靶就可以达到同样的效率。靶材的利用率,现在平面靶大概是30%-40%。DC的旋转靶,我们希望靶材利用率可以到83%。我们在换靶的过程也可以大幅缩短时间,可以让设备的Uptime从92%提升到94%。这是第二个降本的方案。一个新材料可以让已经把设备降本拉到极限的PVD降低40%以上,这是第二个点。
第三个创新点是创新整合机。在晶硅电池是很难发生的,但是对于薄膜钙钛矿来讲,或者是两端点的钙钛矿来讲,未来是期待可见的。我们也知道钙钛矿狭缝涂布机做完以后,后面有一系列的镀膜工序、电子传输层、缓冲层、背电极等等,基本上跨越三个不同的设备。我们有没有机会把不同的设备整合在一个设备里面?第一个阶段可以整合的,基本上就是蒸镀设备加上RPD设备。原来两道工序要两套设备。如果变成一套设备的时候,只要一个自动化。进料腔、缓冲腔原来要4个,乘以2要8个,现在只要4个,一样可以达到同样的产能。整个设备降本到最后一个阶段,那就是做整合机,把不同工序、不同工艺的设备进行相关的整合。
非常幸运,钙钛矿的所有镀膜设备,包括RPD、PVD蒸镀都属于线性动态镀膜。我们可以通过靶材的匹配、工艺腔的配置来达到同样的产能配速,把它做到二合一或者三合一整合。未来在两端点甚至可以做到三合一,可以把它整合在一体机里面,这就是第三个未来的降本方案。
最后做一个简单的总结。钙钛矿技术的发展是有未来性和必然性的,所以大家对晶硅电池下时代的技术没有太多的选择性,其实大家公认就是钙钛矿技术。钙钛矿跟晶硅会是一个互补共存的方式来进行,而不是互相迭代的方式。钙钛矿产品种类非常多,也有很多细分市场。不同细分市场对应的设备架构都不一样,有柔性的,有卷绕的设备,有管式的,有板式的,设备商在发展过程中要非常弹性配合客户需求。第三个,怎么实现设备不是在进口替代的情况下,没有规模经济的情况下,设备成本还要降50%。这三个点就是我刚才谈到的大产能、新材料、创新整合机。
以上就是我的报告。谢谢!
主持人:感谢陈总。陈总的报告用非常详细和严谨的数据,罗列出了捷佳伟创在设备降本方面的努力。我相信,在以场景为代表的装备合作伙伴们的大力支持下,钙钛矿GW级的降效成本一定会越来越低。
前面姚老师的报告是学术成果的代表,陈总是作为高性价比装备的代表。有了这两点之后,产业化还不够,还需要有最关键的一方,就是第三方的评测。组件的功率、产品的寿命,绝对不能是“王婆卖瓜,自卖自夸”,一定要有权威的第三方机构给予客观、公正的评价。下面有请莱茵技术有限公司太阳能与商用产品部门首席技术专家高褀博士,为我们分享的题目是《钙钛矿光伏的产业化路径与测量/认证挑战》,掌声欢迎高博士!
高褀:感谢京东方的邀请,很荣幸可以代表第三方TIC行业在整体光伏行业下行的时候,带来我们对于钙钛矿后续的产业化路径以及相对应的测量/认证现状的理解和认识。
以下是我今天要开展的内容,包括我们对于整个光伏技术路线的介绍,钙钛矿光伏器件的测量方法、认证、可靠性以及后续的展望。
首先看一下整体的光伏路线。我们现在去聊钙钛矿光伏路线,没有办法避开晶硅。整体的光伏路线,经历了长时间对于钝化方面的研发,从PERC一直到TOPcon、HJT相对应的技术。TBC、HBC、HPBC都是我们正在研发的方向。除了晶硅以外,我们另外开辟的一个路线,就是新的材料和结构的开发,那我们就不得不提到钙钛矿以及后续的钙钛矿和叠层结构。在未来的3-5年之内,我们相信,如果整个光伏技术还在不断创新的话,BC和钙钛矿及其叠层会是未来主要的方向。
同样,我们现在聊钙钛矿,回顾以及对比一下晶硅,是否能够达到晶硅现有的市场水平。谈到钙钛矿和晶硅,第一想到的是今天的主题“可靠性”。有一段时间,晶硅生产商已经在聊50年的使用寿命了,在晶硅方面做得已经相当成熟。在钙钛矿方面,很多人都在聊钙钛矿的稳定性不好。抛开数据去谈这个问题,是很不科学的。有一部分的钙钛矿光伏组件,已经通过了IEC认证,IEC认证并不能说明后续可以用到几十年的寿命,但是至少可以保证初期几年之内质量是有保证,并且代表了可以使用一定的年限。
对于钙钛矿而言,我们的认证TUV莱茵占据了大概80%-90%以上的市场,所以我们在做可靠性测试的时候积累了大量数据。我们发现,在可靠性认证以及测试过程当中,比在大规模生产当中要简单一些,大多数可靠性问题在我们和生产商的共同努力下都可以有效解决。我们也花了大量精力做失效分析,也是帮助我们解决这些问题的一个方向。
在效率方面,钙钛矿现有的效率可增加的幅度很高。比如,叠层理论效率可以达到45%,现在大面积的组件可能不到30%。对于晶硅而言,实际研发效率已经达到27%以上,但是理论效率只有29%,上升的空间并不是很大。在碳足迹方面,钙钛矿比晶硅要低大概75%左右,所以相对而言也比较有优势。
在应用方面,对于晶硅而言,大多数使用的是大型地面电站的场景。对于钙钛矿而言,我们看到很多国外的订单和市场,他们也发来了很多测试和认证的订单,大多数都是集中在小的BIPV器件以及消费产品方面。对于我们现在所面临的市场,只能把钙钛矿做成和晶硅相比对的大型地面电站产品,因为气氛已经烘托到了这里。京东方已经在预测后续的钙钛矿是千亿市场,如果仅仅把它做成消费电子产品的话,可能后续也只是一个千万市场,所以相差会比较大。我们在钙钛矿方面已经做了大量投资。后续钙钛矿需要解决的问题,包括大的量产以及长期的可靠性。
如果看后续光伏的技术路线,钙钛矿如果要在现在的市场氛围之下走出和晶硅相当的道路。明牌的方面,效率要有大的提升。比较隐晦的方面,就是可靠性。可靠性其实有很多解决路径。首先要具有大规模量产能力,降低整体供应链的成本。对于晶硅而言,标志性的数字是GW。以异质结为例,国内市场没有到50GW,所以整体降本在这么多年当中都很痛苦。另外一个,我们是否具有大规模生产制造的能力,这也是我们能不能把这个产品做好,并且快速解决相对应问题的一个很重要的方面。
下面进入后续的测量和认证方面的主题。在钙钛矿的测量方面,我们面临着很多的挑战,由于离子迁移、响应速度相对而言比较慢。总结下来是稳定性、长期稳定性、短期稳定性、迟滞效应、线性度以及IV曲线修正和长期测量的可重复性。对应出来的因素,包括在测量过程中所涉及到的IV曲线、温度系数、光谱响应以及后续可靠性相关的话题。
首先我们看一下测量。测量方面,我们先看一下亚稳态。钙钛矿由于离子迁移在整个使用过程或者在保存过程当中会出现亚稳态的情况。在初期看到钙钛矿器件的时候,亚稳态可能恢复要做5个小时,随着钙钛矿产业的进步,亚稳态的消除依然需要3个小时,这个条件就是在光照下面去做MPPT的处理,我们在这个过程当中也会对它的功率进行监控,最终达到稳定条件,这样才是测量的前提。
下面是迟滞效应。我们在晶硅测量的时候,就已经发现了这样的问题。晶硅的迟滞效应主要是由于扩散效应所引起的,这是电路方面的问题,相对而言比较好解决,我们当时也提出了专利的动态IV测量方法。对于钙钛矿而言,它是器件级别所产生的问题,所以迟滞效应发生得会更慢,我们在测量过程当中可能没有办法在毫秒级别内解决这个问题。同样,我们还是采用了动态IV的测量方法,这样可以有效减少测量时间,并且提升测量精度。
下面是我们对于IV曲线温度修正以及辐照度线性度的理解。我们知道,在测量钙钛矿IV曲线的时候,没有办法完美地复制出来AM1.5G、光谱1000W/平方米以及25摄氏度的条件,所以我们需要去做IV曲线修正。IV曲线修正原来在晶硅的测量领域大家会忽视,因为晶硅是相对完美的线性器件,并且在测量的过程当中模拟器非常成熟,温度也可以控制得相对较好,测试时间也比较短。但是,钙钛矿器件很可能需要在稳态或者准稳态的条件下去做测量,就会导致可能要做辐照度的修正。由于温升所引起的问题,我们可能要做温度的修正。对于钙钛矿而言,有些器件的线性度相对而言是比较差的,在使用IEC60891进行IV曲线进行修正的时候,就可能需要用到非线性修正的方法。
为了解决上述问题,我们升级了对应的设备和软件。我们在设备方面提供了3A+级别的全光谱模拟器,并且准直度可以达到IEC的条件。实现IEC以及亚稳态处理的时候,我们也具有自主知识产权的软件,并且在整个使用过程中可以随机根据测试出现的问题进行修改。
下面是我们在测量当中所遇到的其他问题,可能跟IV曲线本身的测量无关。首先是光谱失配。现在的整个光伏测量系统全部都是针对于晶硅这样的测量系统所准备的,可能要用到晶硅的参考器件,要用到和晶硅更匹配的光谱对器件进行测量。但是,换到钙钛矿器件的时候,我们会发现原来的系统可能会造成更大的光谱失配值,可能高达10%以上。我们在测量的时候由于器件具有响应慢的情况,在测量的时候也需要做相同的光浸入的处理。
为了更直观地去看光谱失配所带来的影响,我们采用了蒙特卡罗的模拟。我们采用了大量参考器件,钙钛矿组件的光谱响应,以及模拟器的光谱,进行了蒙特卡罗的模拟。可以看到,我们在采用不同滤光片参考器件的时候,光谱失配值的差异非常大,但随着模拟器光谱的变化,它也有变化。左图,不加任何滤光片,我们在做晶硅测量时所用的参考器件,最大的光谱失配值可能会高达5%-10%。当我们采用了相对应的跟钙钛矿更匹配的参考器件之后,可以有效降低光谱失配值,并且在修正之后可以有效降低由于光谱失配修正所带来的测量不精度。
下面是我们在计算测量不精度时所要关注的问题。我们在做完测量之后要关注的是,后续的测量具有如何的可重复性以及复现性。我们要对整体的测量不精度进行估算。
以上是我们对于钙钛矿估算时所考虑到的因素,包括参考器件的光谱失配值、设备迟滞、辐照度不均匀度等等因素。我们在测量最大功率点不均匀度的时候,合成的不均匀度会是最大功率点电流和电压不均匀度的综合数值。以A+级的钙钛矿测量系统,整个测量不精度值可以达到2.6%。对于晶硅而言,莱茵的测量不精度大概0.4%。
说完测量,我们再说一下可靠性方面的问题。刚刚我在下面和专家聊的时候也提到过,钙钛矿大面积组件和小面积器件在做可靠性测试时,所面临的问题是不一样的,解决方法也不一样。我们刚开始觉得钙钛矿在做IEC认证的时候,刚才在圆桌会议上也讲了,现在的IEC标准是不是不适用于钙钛矿组件?实际上,IEC的标准是一个环境老化的标准,只有当钙钛矿的使用条件和晶硅的使用条件完全不同的时候,再去考虑是否要变换条件。如果真的需要变换条件,就要考虑当年为什么要加这个条件。对于钙钛矿而言,再去考虑如何减。
我们看实测的数据。钙钛矿我们测了这么多组件,整体失效数据拿到了很多,针对于IEC61215的序列C,它的失效是比较多的,因为这是相对而言比较长的序列,包括UV15测试、动载、TC50、HF10,这个序列我们把它综合地认为,它是机械与热应力的序列。做完动载之后,很多钙钛矿组件功率失效相对而言是比较小的,可能1%-2%。在经验方面会有比较小的缺陷。我们在去做TC和HF,我们可以把它简单的认为是热胀冷缩的过程,会给器件加热应力。原来所带来的缺陷就会变得扩大,我们在晶面上面会有更大的裂纹,后续在界面之间也会产生脱层。这个过程当中,器件可能就会衰减5%-10%以上,意味着整个认证会面临失败。
下面是水汽浸入和电势诱导衰减。在IEC认证的过程当中,涉及到大量跟水汽相关的测试,把组件直接放在水里面,并且加高电压去看漏电情况。包括DH测试以及PID测试,这些都是湿度相对而言比较高的测试。对于晶硅组件而言,我们在做湿漏电的时候,可能不会考虑在水当中浸泡了很短的一段时间就会对组件有很大影响,但是对于钙钛矿而言会有相对应的影响。我们在很多组件刚开始认证的时候,第一步湿漏电测试就会出现失败。对于DH,我们刚刚讲了很多。本身对于钙钛矿而言,它对湿气相对而言是比较敏感的。我们在一开始发现DH衰减的时候,可能还是一个可逆的反应,但是在做完DH1000相对而言比较长的测试之后,我们发现这个测试所导致的衰减是永久性的衰减。
对于PID测试,湿度和我们所加的系统电压是一个耦合的条件。耦合出来1500伏的系统电压,会导致玻璃表面钠离子迁移到钙钛矿层的表面,并且产生相对应的缺陷。在整个测试过程当中,我们发现,钙钛矿组件在针对PID负的时候所产生的衰减,这种衰减原则上是不可以做恢复的,即使我们知道它加一个负压可以恢复。如果出现了相对应的PID衰减,这样也会判定为失效。
下面是其他的测试。首先是热斑测试。我们对于组件做热斑测试的时候,在做选片的时候可能就要对组件进行遮挡,并且进行长时间IV的扫描。钙钛矿组件对于负电压相对而言是很敏感的,我们在遮挡的过程当中,我们在测IV(音)的时候不可避免地会导致一部分电池片产生负压的情况。在选片的过程当中,就已经出现了玻璃破碎或者有烧穿的现象。UV同样如此,钙钛矿对于UVB尤为敏感,在UVB的照射下可能会产生钙钛矿层的溶解,导致卤素的析出以及电荷传输层的衰减。这是我们实测的照片。
另外是TC。刚刚在提到关于TC的时候,对于晶硅组件可能要在升温过程中加一部分电流,对于钙钛矿要不要加,这是一个耦合的条件,因为钙钛矿对于电流可能更敏感一点。为什么在晶硅的时候加小的电流,是因为TC测试本身是一个热胀冷缩的测试,我们要看它的焊耐和电池接触的是不是好。如果对于钙钛矿而言,没有这个情况也可以把这个条件减掉它。我们在做测试条件更改的时候,还是要看一下原来加这个条件的初衷是什么。
刚刚听寇总和马总在聊的时候,大家聊了很多自己非常真诚的观点。我在下面其实也很紧张,京东方的论坛大家一定要说得这么肺腑之言吗?我们自己的总结一会儿再讲,我想针对于寇总的说法做一下我们后续的总结。
我们刚刚讲到未来已来,钙钛矿方面的发展,我们可能要想到它来得比我们想象得更快一些。我们刚开始说现在处于行业下行阶段,行业下行的时候,如果未来两年出现拐点,而且大概率会出现拐点,什么样的情况会出现?一些新的技术会很快地迭代去替代旧的技术。第三方是有“春江水暖鸭先知”本身的属性的,我们已经看到,在过去一两年没有出现的情况,有很多新的技术在晶硅里面已经开始做认证了。对于钙钛矿而言,寇总分享了整个效率预估的曲线,我们在做大数据统计的时候,晶硅组件以TOPcon为例大货出货时的效率也只有22.5%不到。可想而知,钙钛矿以及后续的叠层在这方面有非常大的机会。也就是说,在后续的两年之内,我们的行业出现拐点。当钙钛矿效率达到一定程度,并且供应链已经做得相对比较完善的时候,可能就是我们这个行业技术迭代的过程。如果我们错失了这次机会,有可能还要进入到原来的老路子,和晶硅组件进入“红海”里面去竞争。
我们很多认证数据和后续的认证计划,这里都不可以放,因为我们作为第三方是不可以做这样的事情,所以我就拿了寇总去我们那里认证的照片。希望京东方可以把我们整个成熟的供应链建起来,并且完成后续更多产品的认证,推动整个行业的进步。谢谢大家!
主持人:感谢高博。高博的报告以非常专业的视角,讲述了在做钙钛矿组件测试和评价时非常细的点。我在想,如果在行业内找一个人,不管是晶硅还是钙钛矿,他能了解所有光伏企业的组件特性的话,我觉得非高博莫属。
刚才姚老师也提到了,钙钛矿有一个非常好的优点,或者说晶硅不具备的,就是轻薄柔性。京东方在显示领域里,在柔性OLED也好、在柔性智慧视窗也好都取得了技术上的成功,这种成功也坚定了我们针对柔性钙钛矿的布局,尤其是柔性再匹配着钙钛矿的透光、透明、室内弱光发电的属性,可以演变出无限可能。
接下来,有请合肥京东方光能科技有限公司副总经理张然先生,为大家带来本次峰会论坛的最后一个主旨报告《柔性钙钛矿光伏商业化的挑战和解决方案》,有请张总!
张然:尊敬的各位嘉宾、产业界的各位同仁们,
大家好!辛苦各位听了一下午满满的干货,我们先来稍微放松一下,我邀请大家做一个小的调研。在座的各位伙伴,在我们的生活中有没有使用过光伏产品?比如您的房屋、车辆或电子设备是否与光伏技术结合过?如果有的话,请举手示意我。
非常感谢各位领导配合。通过现场调研来看,刚才举手的比例相对较少,可见光伏离普通消费者的生活还有一定距离,使用场景也比较单一。想必都是有实力的大佬,也都是我的目标客户;没有举手的则是‘隐藏大佬’”希望听完我今天的报告之后,都能成为我的潜在客户。正式开始我的报告:
中国光伏历经二十余年跨越式发展,实现了从最初原材料、市场、设备“三头在外”的被动局面,到如今稳居全球光伏制造领域领军地位的蜕变。这一巨大飞跃的背后,离不开技术突破与政策引导的双轮驱动。然而,如果从另一维度观察则会发现:即便当前光伏应用规模已十分庞大,但核心市场仍集中在电站领域(集中式与分布式);与此同时,大量新兴市场与差异化市场并未得到有效开发。这其中的原因究竟是什么呢?
追本溯源,传统光伏技术仍存在一些尚未突破的难题:组件普遍面临重量大、易隐裂、工作温度偏高、抗弯折性差、透光性不足等痛点。而柔性钙钛矿技术恰好精准攻克了这些问题。行业调研数据表明,随着柔性钙钛矿技术的持续成熟,其未来在建筑、汽车、电子消费品等领域将具备广阔的发展前景,预计至 2030 年,柔性钙钛矿的市场规模将达到几十吉瓦(GW)级别。
柔性钙钛矿究竟具备哪些核心优势?我们可以从三个维度具体来看:首先,是更轻质。若铺设面积同为1万平方,柔性钙钛矿相比传统光伏可减重94吨。以屋面光伏应用为例,这一特性能帮助业主节省高达5亿元的屋面加固成本——由于重量更轻,安装过程中还能缩短30%-50%的施工工期,显著提升工程效率;其次,是更安全。柔性钙钛矿的工作温度比传统光伏至少低 20℃,即便存在轻微遮挡,也几乎不会产生热斑效应;同时它抗冲击、耐损耗,断焊与隐裂风险远低于传统光伏,在长期使用中的稳定性更有保障;第三,是更灵活。柔性钙钛矿组件具备优异的可弯折特性与可调透光率,适用场景极为广泛,它既可以内嵌于玻璃中,塑造多样曲面造型;也能如贴纸般贴合于各类建筑、车体表面,实现更灵活的安装方式。更值得一提的是,如报告中所展示的,我们已将钙钛矿技术与集团自主研发的调光玻璃技术深度融合,打造出广受欢迎的 “自发电智能化调光窗” 创新产品,让技术落地更加具想象力。
大家不妨畅想一下:在不远的未来——或许一两年内就能实现 ——柔性钙钛矿广泛应用于建筑表层:无论是住宅还是厂房,除了屋顶已有的分布式光伏,我们还能在建筑立面上进行粘贴式电站建设。这才是迈向更绿色生活方式的切实实践。
综上所述,柔性钙钛矿的价值不言而喻,但“有用”只是起点,“好用”才是其打通商业化落地的核心关键。接下来,我将从寿命、效率、量产能力与成本四个核心维度,和大家一同拆解柔性钙钛矿究竟 “好不好用”。
首先来看寿命。我们围绕钙钛矿电池片的器件结构、抗水性能、膜层应力优化这三个核心维度,开展了大量技术攻关。目前经内部测试,柔性组件的寿命已符合行业针对低辐照、中辐照、高辐照等不同场景的标准要求,足以满足电子消费品、穿戴设备、户外移动设备,以及车载、户外贴附类产品的寿命需求。
其次是效率。我们始终将大尺寸组件的效率提升与技术突破作为核心方向。大家从趋势图中能清晰看到:起初2米级柔性组件的效率仅为 6.88%,但通过持续攻关、解决关键技术瓶颈,目前经权威认证的效率已达 15.1%。这个效率是什么概念?我曾与房车领域的合作伙伴交流,在北京市的日照条件下,两块这样的组件工作4小时,大约能产生3度电——这恰好能满足一辆房车或一个三口之家一天的基本用电需求。当然,这只是当前水平:我们已制定更高目标,计划年底冲刺18%的效率;而未来,柔性组件的效率目标将进一步设定在20% 以上。
第三个维度是量产性。谈及量产能力,作为 BOE 人,我有十足的信心。目前我们已搭建起一套完备的产线体系,覆盖手套箱、实验线,到GW级尺寸的中试线,背后有BOE集团全产业链的资源与平台支撑。今年,我们已在合肥、北京先后落地两处钙钛矿组件BIPV建筑示范项目,获得了众多政企领导的关注与认可。在量产管理上,熟悉我们的朋友应该了解,我们正将半导体显示领域成熟的管理思路与精细化标准,迁移至钙钛矿生产环节——这意味着我们的过程管理标准会更为严苛。从现有核心指标来看,多数已达到量产化要求;当然,我们仍在持续精进工艺,不断提升产线的稳定性与规模化能力。
最后一个关键维度,便是成本——这是决定柔性钙钛矿能否成功商业化的核心一环。坦白而言,当前柔性钙钛矿组件的成本显著高于刚性组件,且差距并非小幅。成本高在哪?大家可从数据中找到答案:导电膜与阻水膜是两大核心成本项,二者合计占组件总成本70%。为何这两类膜材如此昂贵?先看导电膜:能生产出钙钛矿所需低阻抗规格的厂商少之又少;阻水膜的情况类似,钙钛矿对阻水性能要求极高,需达到WVTR-5量级,而目前具备该能力的厂商,大家也清楚,仅有国外几家,几乎没有替代选择,国内厂商当前水平多集中在WVTR-3~-4量级,暂未完全满足需求。
在我看来,要突破成本瓶颈,首要任务是攻克这两类核心膜材的技术门槛。但事实上,国内具备导电膜、阻水膜生产基础的企业并不少——只是它们目前未涉足钙钛矿领域,而是分布在显示、电子等其他行业。尽管不同行业对膜材的规格要求存在差异,但这些企业无疑拥有深厚的技术积淀与研发实力,具备向钙钛矿专用膜材转型的潜力。大家从这张趋势图中能清晰看到:随着柔性钙钛矿组件及配套导电膜、阻水膜的出货量大幅增长,已有不少行业伙伴开始瞄准钙钛矿赛道,投入到专用导电膜与阻水膜的研发中。因此我坚信,攻克膜材技术难题、推动成本下降已指日可待。在此过程中,BOE非常希望能与各位伙伴携手,通过多元化资源支持为行业赋能,共同推动钙钛矿产业链做大做强。
这里向大家展示的,是我们的柔性大组件——其核心优势在于面积大、功率高,且采用一体化设计,无需拼接,能更好适配多元场景需求。下方则是我们在房车、建筑、户外、消费等应用场景的部分探索与尝试,也恳请各位嘉宾多提宝贵意见。
在汇报的最后,我想分享一点展望:随着我们技术实力与产品竞争力的快速提升,我坚信我们的产品定能覆盖更多客户,并为客户提供更优质的服务。同时,我也诚挚期待更多 “背靠背”的伙伴加入,与我们携手共创,共同打造钙钛矿产业更美好的未来。感谢大家!
主持人:感谢张总。张总的报告是从市场的痛点出发,引出了柔性钙钛矿的机会所在,并且阐述了京东方的破局之道,号召伙伴们一起合作共赢。
到此为止,本次论坛的所有主旨报告都已经发表完毕。
今天,我们一起见证了智慧与创新的交汇、学术与产业的共鸣。再次感谢每一位分享嘉宾的真知灼见。正是因为有了你们的坚持,才让钙钛矿从0到1。我们看到了实验室的微光是如何点亮新产业的朝阳,也看到了市场的需求反哺如何加速了技术的迭代。因为有了你们的坚持,才让钙钛矿不再是纸面上的材料和公式,而是通往新能源未来的金色桥梁。让我们铭记一下今天的共识和共鸣,科学的探索需要产业的落地力量,产业或者企业的愿景也需要学术界的创新支撑。让我们共同携手打破边界,共筑从实验室到量产线、从机理到应用的生态闭环。
我在公司内部经常会跟同事们聊,我说:光伏人会有一种情怀,不管是学者还是企业家,他们会有一种很奇妙的执念,会很有默契地团结在一起攻克一个个难关。今天再次感谢各位伙伴们从天南海北奔波至此,与京东方共谋大计。最后,让我们以热烈的掌声共同致敬这个伟大的时代,致敬每一位为之奋斗的同行者。谢谢大家!
本次峰会论坛至此闭幕,但是我们的行动永不落幕。我们明年再见。谢谢!