欧美日押注钙钛矿，屡次打破世界纪录，将对中国光伏弯道超车？

4月份，美日等七国集团（G7）通过了一份重要联合声明，这份声明罕见的将钙钛矿型光伏电池列为革新技术。

要知道以往这种声明都是以大的方向为主，比如七国集团应该朝着什么样的方向努力之类的，大家达成共识就好，不会在某项技术上大费周章。

如今主动提到钙钛矿光伏电池，意味着它将被提高到战略层级来对待。

(资料图)

其实不止是这次会议，早在2020年开始，美日就大手笔押注了钙钛矿光伏电池

以美国为例，他们以政府的名义先后两次投资研发钙钛矿光伏电池，金额高达7600万美元，而且还特别对外强调，美国要借助新一代光伏电池提高竞争力。

这个竞争力不用说也知道是针对中国光伏企业。

在美国政府的引导下，美国光伏企业也开始发力。

他们光伏巨头First Solar以8000万美元的价格，收购了欧洲钙钛矿技术领先企业Evolar AB。

其实不止是美国，日本、德国、英国、芬兰等发达国家也在布局这个技术。

其中日本媒体更是直接出一篇文章说：要借助钙钛矿光伏电池打翻身仗。

毫无疑问，一场光伏的科技战再次打响了。

美日欧等企业押注钙钛矿对中国进行围剿，试图“弯道超车”从而打破中国在光伏产业上的全产业链的领先优势。

大家好呀，我是熊猫。

今天就来说说钙钛矿型光伏电池是啥？美日欧等企业真能凭借它弯道超车吗？

钙钛矿其实是一类矿石的统称。

2009年，两名日本科学家在研究太阳能电池新材料时，无意中发现钙钛矿光反应性非常好，可以当做光伏发电材料。

好到什么程度呢？

根据科学家的计算，单层钙钛矿光伏电池的理论光电转换效率可以达到33%，如果是叠层状态，极限数值可以高达45%。

要知道，目前主流的晶硅光伏电池的理论极限转换效率为 %，两者差距非常明显。

很多人可能不知道这种差距有多重要。

光伏电池之所以能够发电，其原理是部分光敏材料在阳光的照射下，会吸收阳光中的能量，产生电流。

这种效应也被称为“光生伏打”效应，光伏的名字也是由此而来的，衡量光伏电池性能最重要的指标之一，就是光电转换效率。

不过想要提升光电转换效率非常难。

在硅晶体光伏上，人类的研究几乎已经达到极限。

2017年时，日本曾经创造了单结晶硅%的转换效率记录，在整个光伏行业都引起震动。

这个记录一直保持了整整五年才被中国隆基再次打破。

大家知道我们的转换效率是多少吗？

答案可能出乎大家意料，隆基研发出的电池转换效率只有%，仅仅比日本提升了%左右。

在我们普通人的概念里，五年的研究仅仅提升%，这也好意思说出口？

但在业内，它却是地震级别的消息，不仅被德国一个研究所亲自认证，并且专门出了一份报告证明。

“世界太阳能之父”马丁·格林也专门发布视频宣布这个好消息，中国国家能源局也为隆基出了一篇文章点名表扬他们的成果。

可以说，光伏电池的转换效率每提高一个小点，在业内都会引起极大的震动。

而钙钛矿电池却可以非常轻松打破的这个记录，甚至有希望将它提高到现由材料无法达到的高度。

因此钙钛矿电池也被认为是革命性的新光伏材料。

除此之外，钙钛矿光伏电池还有一个好处，那就是可以节省很大的成本。

由于光电转换效率更高，钙钛矿电池对于材料浓度的要求非常低，只要95%纯度的钙钛矿，就能生产出光电转换效率在20%以上的光伏电池。

而现有的晶硅电池对材料纯度的要求在%以上，才能达到同样效果。

纯度越高对于技术和设备的要求就越高，相应的投入就大了，根据统计，钙钛矿电池的投资只有晶硅电池的一半。

这也意味着钙钛矿不止是性能好，它的效益也会更好。

日本科学家发现它的作用后，就一直在大力研究这种材料。

他们把钙钛矿材料应用到染料敏化太阳能电池中，获得了世界上第一块钙钛矿光伏电池。

当然，此时它的光电转换效率只有%，还比不上硅晶体。

于是他们又在实验室研究了十多年，希望借助钙钛矿光伏电池弯道超车。

实验结果也不负众望，钙钛矿电池的发电效率越来越高，最高可以达到%，远超硅晶体光伏电池。

但是让日本想不到的是，他们先发现的钙钛矿光伏电池，却被其他国家反超，特别是中国，曾多次超越日本光电转换效率。

2023年初，日本人研发的钙钛矿电池转化率达到29%，整整提升了3%以上，再次打破隆基的记录。

这才有了开头日本媒体说要对中国光伏弯道超车的事情。

结果他们还没高兴多久，这个记录再次被中国隆基打破，将钙钛矿光伏电池的转化效率提高到%。

当时日本媒体很不爽，可又很无奈，他们发布文章痛斥日本企业不作为，文章的标题就是：日本发明技术，中国率先量产。

我看了整篇文章，只能用“一股浓浓的酸味”来形容日本媒体。

事实上日本媒体不爽是有道理的。

我们上面就说过，日本多次打破我们记录，但是总是被我们再次反超，实际上不只是上面提到的，在整个光伏史上，中国光伏一家就单挑整个美日欧等国的企业联合团体，在多次材料变革上一次次反超他们。

目前光伏电池的主要材料有单晶硅、多晶硅、非晶硅和钙钛矿等多种。

其中，单晶硅电池和多晶硅电池也被统称为晶硅电池，就是我们常见的一块块板状的光伏电池，而非晶硅电池和钙钛矿电池则通常是薄膜状的，柔韧性更好，可以覆盖在各种物体的表面上。

这些材料都有各自的优缺点，多晶硅电池制造成本低，但光电转换效率也低，而光电转换效率最高的钙钛矿电池，其制造难度又是最高的。

在几十年的光伏发展中，这几种材料你方唱罢我登场，各自成为过一段时间的顶流。

2020年的时候，美国国家实验室回顾、梳理了过去数十年来光伏电池片发电效率的历史，发现光伏电池片技术发电效率的演进历程为：

从薄膜非晶硅到多晶硅，再到单晶硅，最后是钙钛矿为代表的一系列新技术。

但美国国家实验室没说的是，这些光伏材料的共同点是，无论最初由谁发明，中间由谁领先，最终掌握了最高生产量和技术的，都是我们中国。

那么，我们是如何做到的呢？

先来说说光伏领域的第一代霸主——薄膜非晶硅电池。

薄膜非晶硅电池诞生于上个世纪70年代，1973年和1979年的两次石油危机，让西方世界陷入了滞胀的困境中，各国都在寻找能够代替石油的新能源技术，光伏技术得到了极大的发展。

1976年，美国无线电公司发明了世界上第一种非晶硅薄膜电池，并在第二年将其光电转化效率提高到了%。

非晶硅薄膜电池最大的特点，就是只需要非常薄的一层，就可以发电。

这样一来，它就可以做得非常薄且柔软，可以覆盖在各种设备和建筑的表面。

也正是因为这些特性，虽然非晶硅电池诞生于美国，但对非晶硅电池技术投入最大的，却是缺煤少油、地少人多的日本，他们对占地面积少的非晶硅电池兴趣非常高。

日本在非晶硅电池领域投入了大量的资源，很快就超越美国，开始引领非晶硅电池的发展。

1978年，日本制成了第一块集成型的非晶硅太阳能电池，开启了非晶硅电池的商业化应用进程。

1980年，日本三洋公司向市场推出了首款装有非晶硅太阳能电池的袖珍计算器。

1993年，日本工业技术研究院又将原本的各种光伏补贴计划，合并成了规模庞大的“新阳光计划”，将非晶硅光伏电池技术列为主要的开发项目，计划投入约5000亿日元扶持其发展。

在巨额补贴的激励下。

从1996年开始，日本的光伏装机规模就一直保持在世界第一，直到2004年才被德国超越，

日本国内也崛起了一批光伏巨头。

2003年时，日本夏普、京瓷、三洋、三菱四家就占据了全球光伏电池产量的 %。

然而，日本光伏产业很快就又犯了日本企业的老毛病——吃独食。

日本光伏企业坚持从上游的硅料到下游的组件全都要自己生产，还对部分专利技术敝帚自珍，垄断专利限制发展。

早在1990年，三洋公司就研发出了HJT电池，这种电池类似于非晶硅薄膜和晶硅电池的结合体，光电转换效率可以轻松达到25%以上，远超单晶硅电池。

但三洋公司早早地就立马申请了专利，并且在专利保护期内既不肯与其他公司合作，也不肯授权他人研究生产，导致该技术进步缓慢、成本居高不下。

在1980 年代时，非晶硅薄膜电池一度占据了30%的市场份额，被称为下一代光伏技术。

但随着日本对这一领域的专利垄断，国际光伏业界将目光转向了多晶硅技术。

多晶硅电池的生产开始成本不断下降，光电转换效率不断提高，在1990年代超越了非晶硅电池，成为了市场上的主流。

多晶硅的生产技术其实出现得很早，1955年，德国西门子就发明了多晶硅材料的工业生产方法——西门子法。

但是早期的西门子法存在生产效率低，副产物中有大量有毒物质等问题，生产规模很有限。

直到1973年第一台个人电脑的发明，欧美的半导体产业开始飞速发展，对于多晶硅的需求也不断增长。

西方各国对西门子法进行了一系列的改良，大大降低了污染排放和生产成本。

由此形成了美国hemlock、德国瓦克、日本三菱等七大厂商垄断多晶硅生产的格局。

而由于半导体产业的落后，直到2007年之前，国内的多晶硅生产几乎是一片空白，为此，我们的光伏产业还曾交过一大笔学费。

21世纪初，随着环保理念越发深入人心，国际能源署曾预测：20年后，全球光伏太阳能发电的规模将增加上万倍。

谁能在光伏上占领制高点，谁就能掌握未来工业与经济。

于是，在2004年，德国修订了《可再生能源法案》，推出了大规模的光伏补贴计划。规定使用光伏发电的企业，每发一度电将补贴40-50欧分。

德国一跃成为世界上最大的光伏市场，占据了全球80%以上的份额。

欧洲急速增长的光伏需求，带动我们国内的光伏产业快速发展，诞生了保定英利、无锡尚德等一批光伏产业巨头。

但是这些光伏企业只是在技术难度更低的组件等产业链下游行业扎堆，对于上游的多晶硅料生产几乎没有涉足。

国际多晶硅料生产商趁机大规模涨价，在短短四年的时间里，多晶硅料的价格就上涨了整整十倍多。

痛定思痛，2006年，国内企业开始从国外引进多晶硅生产技术，国内的多晶硅生产这才开始起步。

同样是在2006年，原本主营发电厂业务的保利协鑫开始进军多晶硅产业。

不得不说，保利协鑫是非常有勇气的，在2007年建立了第一条生产线之后，他们就开始在生产线上进行各种新工艺的实验了。

当时的多晶硅生产设备说是摇钱树也不为过，但他们就是敢在自家的摇钱树上做实验。

其中，最重要的工艺探索就是尝试将热氢化工艺改良成冷氢化工艺。

简单来说，就是更改反应物，将反应所需的温度从1250℃的高温，降低到500-600℃，从而节省大量的能源。

破釜沉舟的勇气，加上研究人员的聪明才智，2009年，保利协鑫研制出了具有自主知识产权的冷氢化生产工艺。

仅这一项生产工艺的变革，就让多晶硅的生产成本直接降低了70%，中国的多晶硅生产实现了对国外巨头的反超。

凭借更低的生产成本，中国的多晶硅产能迅速扩大，2011年时，中国多晶硅产量就达到万吨，成为世界第一。

在不断迭代，成本不断降低的中国光伏产品冲击下，欧美日大量的光伏企业宣告破产倒闭。

比如曾经的光伏巨头日本，从2006 年到2017年，日本就有 251 家太阳能企业宣告破产。

且从 2014 年开始，太阳能公司破产数量开始加剧，当年破产公司数量达 21 家，同比增加 %；2016 年破产67 家，同比增加 %；2017年上半年，破产公司更是达到50家，同比增加 %。

2017年时，曾经占据世界光伏产业半壁江山的日本企业，没有一家能够挤进世界前十大光伏厂商榜单。

除了在多晶硅产业中后来居上，我们还依靠技术革命，在单晶硅领域实现了对西方国家的绝杀，让光伏产业彻底成为中国垄断的优势产业。

最早实用化的光伏电池其实是单晶硅电池。

1958 年，美国霍夫曼电子公司为美国先锋1号卫星生产了一个转换效率为 9％，面积为100平方厘米的单晶硅太阳能电池板，这是历史上第一个得到商业化应用的太阳能电池。

但是，单晶硅电池长久以来都没得到发展，就是因为它有一个很大的问题——生产成本太高。

不同于多晶硅，单晶硅材料需要用提拉法一根一根地生产硅棒，生产效率很低。

所以，虽然单晶硅诞生得最早，技术最为成熟，但是一直都未能占据市场的主导地位，甚至在中国多晶硅产业崛起之后，由于成本上的劣势，还丧失了大部分的市场份额。

但是在2013年，隆基绿能横空出世，给单晶硅电池产业带来了两项革命性的变革，直接改写了世界光伏产业的格局。

隆基绿能提出了两项单晶硅产业的新技术，其一是金刚线切割工艺，其二是直拉单晶技术。

单晶硅刚刚生产出来的时候是一整根的硅棒，想要做成一片片的电池，就得进行切割。

传统的工艺是用金属线和金刚石砂浆来对硅棒进行切割。

这种工艺使用的金属线直径达到140μm以上，加上金刚砂的直径，每切割一片，就有至少180μm厚的硅料损失。

而隆基研制出了一种可以直接切割硅棒的国产金刚石切割线，将切割时的硅料损失降低到了90μm以下，降低了一半还多。

这样一来，同样的一根硅棒，就能切割出更多的光伏硅片，材料利用率大大增高，成本随之降低了一大截。

而另一项直拉单晶技术，则是通过优化结构、提升拉速等技术大幅降低单晶拉棒生产能耗和成本，采用直拉单晶技术后，单晶硅材料的生产效率提升20％以上，综合生产成本降低了10％。

通过这两项革命性的技术创新，隆基绿能一举成为中国光伏产业的领头羊，带动中国光伏产业的单晶硅生产成本不断下降。

而因为之前成本过高，西方国家在单晶硅领域几乎没有布局，在这一波技术革新的浪潮中被中国远远地抛在了后面。

2018年，单晶硅电池的市场占有率首次超过多晶硅电池，之后份额还在不断扩张，到2022年，单晶硅电池的市场份额已经超过了90%，而且这些市场份额基本上都是中国企业占据的。

在多晶硅电池被超越，单晶硅电池更是被中国完全甩开之后，西方国家是有些绝望的。

无论是上游的硅料、中游的硅片还是下游的组件，中国企业都牢牢占据了90%以上的市场份额。

但是光伏产业关系到环保话语权，关系到未来的能源发展，西方国家无法接受就这么直接放弃。

他们开始投入大量资金，研究可以取代目前主流的晶硅电池的光伏材料，希望能够通过底层的材料变革，颠覆目前的光伏格局。

2009年，日本科学家宫坂力在研究新光伏材料时发现，往材料中掺入少量的钙钛矿就能提高材料的光电转换效率，由此他们发明了世界上第一块钙钛矿电池，光电转换效率为%。

虽然刚诞生时的效率并不高，但科学家们很快就意识到钙钛矿电池的潜力巨大。

2013年，美国《科学》（Science）杂志将钙钛矿评为年度十大科学突破之一，并将它称为“新一代太阳能电池材料”，认为它将改变世界光伏产业的格局。

同年，韩国的朴南圭教授、瑞士的格雷策尔教授和英国的斯奈斯教授，将初代钙钛矿电池的液态电解质，替换成了固态电解质，解决了液态电解质不稳定、难封装的问题，并将转换效率提高到了%。

钙钛矿电池展现出来的潜力引起了全世界的关注，中、日、韩、欧、美各国的顶级实验室和科学家，都加入了这场对钙钛矿电池的研究会战之中。

谁能够取得最高的光电转换效率，成为举世瞩目的焦点。

2013年，英国科学家亨利·斯奈斯采用了一种新的制备工艺，获得了效率达到%的钙钛矿薄膜电池。

2016年，瑞士洛桑联邦理工学院用涂布工艺和简易真空工艺结合，制备出SD卡大小的钙钛矿太阳能电池，单元转换效率一下超过了20%。

2017年，韩国科学家继续改进钙钛矿电池中的吸光材料，将其光电转换效率提升至%。

欧美日韩在钙钛矿研究上你追我赶，眼看着钙钛矿电池的转换效率已经接近单晶硅电池的极限，似乎光伏产业弯道超车，超越中国的曙光就在眼前了。

可惜的是，中国早已经不是那个吴下阿蒙了，随着中国光伏产业的不断壮大，对于研发的重要性越来越重视，不惜花费重金投入，所以成果也开始一个个涌现

2022年1月，南京大学谭海仁教授团队研制的，全钙钛矿叠层电池经过国际权威认证，转换效率高达%，首次超越了单结钙钛矿电池，与晶硅电池最高效率相当。

2023年6月，隆基绿能正式宣布，经欧洲太阳能测试机构ESTI权威认证，隆基绿能实现了晶硅-钙钛矿叠层电池%的转换效率，创造了新的世界纪录。

而目前，钙钛矿电池仍然没有达到其理论效率极限，各国科学家仍然在争夺这一领域的最高成就。

但是，在实验室之外，包括宁德时代、协鑫光电等中国企业已经建成了100MW级别的实验生产线，中国的钙钛矿电池已经进入了量产前夜。

并且在2019年之后，在钙钛矿太阳能电池的专利申请中，有68%都来自中国。

截至2019年12月，中国的钙钛矿太阳能电池专利申请总量高达 2282个，排名世界第一，远远高于美日韩等国。

无论是投资、产能还是技术专利，中国的钙钛矿产业都已经走在世界前列，欧美日想要凭借钙钛矿电池弯道超车的美梦，恐怕是要破灭了。

所以日本媒体才会酸溜溜地说，日本发明了钙钛矿，却是中国率先实现量产，可以预见的是，中国的光伏产业又将再一次席卷全球。

好了我是熊猫，本期视频就到这里，我们下期见！