昆山协鑫光电范斌：钙钛矿40倍的能源回报率，意味着什么

昆山协鑫光电范斌：钙钛矿40倍的能源回报率，意味着什么
原创 能镜 能镜 2021-12-17 13:34技术改变世界。整理：ET编辑：马斯基 策划：杨柳树版式：一道彩虹

ET前言

从工业革命开始，新技术就开始挥舞魔法棒，极大影响和改变着我们的世界。每当后者在效率面前陷入困境，它总能拿出理性的钥匙，帮世界打开继续前行的那扇门。



现在，这种情形正在光伏领域复刻。



作为普照众生、最有「奉献」精神的可再生能源，太阳每分钟射向地球的能量，相当于500万吨煤碳燃烧所释放的能量，一年则相当于170万亿吨煤在熊熊燃烧，比全世界年消耗能源的一万倍还要多。



但是，到达地球表面的太阳能 ，只有千分之一左右被植物吸收，并转为化学能储存，其余大部分则变成热，消散在无边的宇宙中。



提高对太阳能的利用效率，能在很大程度上解决人类能源问题，但革命性技术创新出现之前，这种增长的发动机马力有限。



从1954年，硅晶体管问世，晶硅便逐渐成为光伏材料的统治者，几十年来，技术先锋努力提升晶硅的转换效率，但依然没能触碰到它的理论极限效率——29.43%。



全球气候危机和双碳趋势，正为效率增长的迫切性加码，按周期理论，人类要走出危机最关键的，是科技大面积创新和新技术的运用。作为下一代光伏材料和技术的革新者，开门的钥匙，看起来正在被交到了钙钛矿手里。



相对于晶硅，钙钛矿在实验室生成、没有污染、成本低廉、迭代迅速，在过去十年，包括昆山协鑫光电CEO范斌在内的探索者，将其转换效率从最初的3.8%，提升至当前超过25%的实验室效率，超越了晶硅过去四五十年的发展。



12月12日，技术极客、青年科学家、务实的理想主义者范斌，在Bloomberg Green Festival「彭博绿金节」与新能源先锋人物生态构建者能镜Energy Times联合举办的沙龙中，以「新技术、新边疆」为主题，分享被未来感包裹的钙钛矿，缘何可以撼动光伏行业的既有秩序。

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以下是范斌在Bloomberg Green Festival的演讲分享。

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非常荣幸，今天能够在这里向大家介绍我们正在做的事——钙钛矿光伏技术，这个词，听起来可能比较陌生。它是什么，以及我们为什么要做它，我慢慢讲给大家听。

A。能源消耗与环境改善

2010年4月15日，时任美国总统奥巴马在澳大利亚接受访问，说了一段话，备受争议。他说：“如果超过十亿的中国人，拥有了和澳大利亚人以及美国人现在一样的生活方式，那我们就会进入一段悲惨的时光，因为这个星球无法承载。”



此话立刻激起坊间不同反应。知道的，明白是在说能源消耗，不清楚的，则愤愤不平——凭什么好日子你们能过，中国人不能过。



舆论铺天盖地，奥巴马赶紧站出来解释：不是不希望中国人富起来，是说别像美国人有那么多的碳排放。但实际上，纵观国内外历史发展，能源消耗和“好日子”是正相关的。



我们来看两组图。



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1958年中国修建十三陵水库，全靠人力往上堆，连牛和马都没有；去年修建“火神山医院”，9天就能建起来。



再看清末明孝陵和民国初年雷峰塔的今昔对比，前者郁郁葱葱，后者一片荒芜。那个时候，中国没能力开采化石能源，老百姓 得砍树做饭。光是做饭、取暖的需求，就可以把南京、杭州这样的地方砍得一棵都不剩，但现在，绿树环绕，青翠遍野。

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我们还可以看一组更直观的数据。

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中国森林 覆盖率在1949年，没有具体统计数字。1981年第一次统计，约为12%，然后逐年增加，现在涨到23.04%。二战之后全球大部分的森林覆盖，都增加在中国。



很多人一提能耗，就会联想到环境污染，但实际上，我们的环境在变好，背后很大的一个支撑，就是能源消耗的增加——环境的改善是熵减的过程，熵减是需要能源输入的。



中国目前的确是全世界碳排放最大的国家，但倘若从人均电力消费和人均石油消费两个指标来看，每个中国人平均所承担的能源消耗远没有美国人多。



去年，中国总发电量两倍于美国，但这些电大部分用于工业制造，居民消费端的用电量只占其中一小部分，但与美国相比，中国人均居民消费的电力只有他们的1/7左右；石油消费亦是如此，中国虽是世界最大石油进口国，但人均石油消费大约半吨，美国人的这个数字则超过了2吨。



消耗能源是发展的必须，提高生活水平必须多消耗能源，问题只在于，我们要选择什么样的能源，而不是「要不要消耗能源」本身。



B。化石能源EROI持续走低

有一个概念，国内用的比较少，但国外很多企业做决策时，都会援引，它叫「能源投资回报率」（EROI）。



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EROI的算法，是获取的能源和为此消耗的能源之比。如果开采一桶石油消耗的能源也需要一桶石油，这个开采石油本身就没有任何意义。

EROI是衡量能源品质的直接工具，能源的平均回报率会直接影响社会劳动生产率，这两者高度正相关。



化石能源有一定分布，在某个地方开采，起初好采的部分，能源回报率非常高，随着开采变得越来越困难，回报周期越来越长，回报率也越来越低。



比如，1919年左右，美国有很多「自喷」式油田，回报率在100倍以上。到了2000年代初期，逐渐降到了20以下；2010年代以后，美国开采页岩油，能源回报率非常差。前几年，这个数字已经落至「2」左右，也就是开采一桶石油要消耗掉半桶。



我们再来看中国。我们国家本土化石能源品质一直比较差，大庆油田，2001年的回报率大概是10倍，2019年降到6倍，最新数据大概降到3-4倍。从经济角度讲，已经不值得开采，但从战略安全角度，工作还得继续往下做。



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除此之外，我们能源消耗高度依赖于煤，其消耗量相当于全世界60%左右。但好采的煤矿也几近采完，美国露天煤矿EROI可达50至75，我们的煤矿平均能源回报率大概只有25左右，因此我们也在进口澳大利亚、印度尼西亚以及加拿大的煤。



所以，对于中国，即没有可以消耗的大量化石能源，也不存在可以靠化石能源把经济继续发展下去的道路，我们要消耗更多能源，要达到跟美国、澳大利亚一样的生活水平，就必须依靠可再生能源。



C。光伏令人充满希望

光伏技术能源回报率的表现，跟化石能源相反。



2001年左右，光伏组件生产能耗比较高，EROI大约是5倍。随着技术发展，2016年，这个数字变成了19，现在，按照公认的算法，晶硅光伏能源回报率达到了20倍，已经高于美国在21世纪初主要本土油田的能源回报率。

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这让人充满希望——依赖天然化石能源的回报率在逐渐下降，但依赖技术进步则可以收获逐渐上升的能源回报率。



光伏组件成本也在逐年下降，从2011年每W大约5元，降到今年的2元左右。包括人工、逆变器、土地等在内的建站成本，跟光伏组件价格差不多，只需将数字简单乘以2即可。



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以上海为例，当建站成本大约为5元时，就能跟核电上网电价持平。事实上，在2017年、2018年左右，上海周边所发的光伏电已经比核电便宜。2020年，这个城市的光伏建站成本进一步下探，低于4元，电价已经比煤电便宜了。



我们知道，比起西部有效光照能达到3000小时的地区，上海每年大约只有1380小时的有效光照时间，并非得天独厚。但此地尚且如此，放眼全国，想象力巨大。



光伏如此之令人充满期待，但晶硅却在技术发展的道路上遇到了瓶颈。



首先上游提炼晶硅的生产方式，是一个高碳排放、高污染的过程，由此给成本进一步下探带来掣肘；其次，技术发展已经见顶，各企业间没有真实技术门槛，只要有足够资本就可以新建产能，行业陷入严重内卷，各环节利润缩水，工人收入显著下降。



所以，2019年以来，光伏组件制造成本不降反升，依靠晶硅光伏路线实现能源转型和经济持续发展的目标，并不容易。



与此同时，光伏的不稳定性，需要储能匹配。仍以上海为例，目前光伏成本略低于火电，但加上储能，则高于火电；倘若西电东输，则变成“光伏+储能+输电”，加起来成本更高。

诸多迹象表明，要在低能耗的基础上，实现追求美好的生活的目标，需要新的技术出现。

D。新技术、新边疆

现在，可以来介绍一下我们正在做的事情了——钙钛矿技术，我们认为这条新的路线，正在为我们开拓的新的边疆。



从材料的光电转化效率看，晶硅效率在1970年代达到了13%、14%，2000年之后进入平台期，最近几年又小有进步，2017年左右，停留在26.7%。



相比晶硅，钙钛矿技术出现则晚得多。2012年左右，才有第一个钙钛电池标定，相当于晶硅1970年代的水平。但是钙钛矿进步非常快，它的实验室效率已经非常接近晶硅的实验室效率，明年应该就会超过。

  

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什么是钙钛矿？这个名词曾经引起诸多误会，大家认为它是一种矿，以至于概念刚出现时，二级市场还炒了一波采矿业。

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按照中国晶体学命名规则，通常把第一个确定结构的晶体，之后所有材料都以它的名字命名，最早确定的碳酸钙就是钙钛矿，所以这一类材料都被称之为钙钛矿——实际上，大部分钙钛矿晶体里，即没有钙也没有钛，用于太阳能电池生产的钙钛矿，是人工合成晶体、更没有钙、也没有钛。



为什么说钙钛矿是光伏的下一代技术，与晶硅相比，有什么样的优势？



第一，可迭代性。1954年的晶硅跟2021年的晶硅不会有任何区别，但2009年的钙钛矿跟2019年的钙钛矿会有本质不同。这就如同一个软件，1.0版本会有很多问题，随着版本不断迭代和进步，它会越来越好。



第二、制造成本低，纯度要求低，所以能耗也低。太阳能级的硅料，纯度要求达到99.9999%，甚至99.99999%，但钙钛矿纯度通常只要95%的纯度，最高工艺温度150℃；吸光能力强，通常只要0.3微米就可以完成饱和吸收，所以用料会少得多。



第三、产业链显著缩短。晶硅光伏电池有硅料、硅片、电池、组件等多个环节，每个环节都有巨头从事生产，这些工厂分布在全国各地，从硅料到组件，最快生产流程也需三天，而钙钛矿所有工艺流程则都可以在一个工厂里完成——也就是说，我们可以把整个产业链价值高度集中在一个企业里面，从原材料到组件只需45分钟。



我们最终能够达到的效果，是钙钛矿效率会比晶硅更高，同时组件制造成本可以做到晶硅的50%左右，它带来的结果，就是能源回报率的显著上升。



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当然，晶硅组件的技术路线目前还在进步，现在的能源回报率大概是20倍，我们相信将来它依然会小有进步，比如，到2023年，可以达到22倍左右。



但钙钛矿在2023年成熟时，可以产生40倍的能源回报率，最终能够提升到50倍-60倍以上。也就是说，钙钛矿带来的能源回报率，会优于现在世界上任何一种火电、任何一种化石能源开采的能源回报率。



E。先机、先机

我们公司已经做了11年了，是全球第一波做钙钛矿光伏技术产业化的企业，能活下来本身就是一个奇迹。



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2010年，我们三个清华本科同宿舍的同学在厦门开始起步，总共融了1000多万，咬牙坚持了6年，一直到2017年，全球最大的光伏集团协鑫收购了我们，成为了大股东。当时，行业里很多人视我们为骗子，看协鑫像傻子。



但事情发展到2018年、2019年时，行业里开始琢磨过味儿来，于是各个大厂纷纷开始投入，结果发现，该做的东西，协鑫已经在做，并且已经做了很久。现在几乎全球所有光伏大厂都在努力研发钙钛矿，做钙钛矿的创业公司也不断涌现出来。



当年，协鑫的入股意义重大，也带进了宁德时代 等股东，今年腾讯完成供应链签署，也会进来，现在站在我们背后的是IDG、红杉、淡马锡、凯辉等非常强大的股东队伍。



我们在昆山已经建起全球第一条100兆瓦的生产线，2023年完成，这也得到了光伏界主流的认可，随后会发展到1GW、10GW，钙钛矿对晶硅全面替代大概是在2025年-2026年左右，从场景角度来看，晶硅能用的地方，钙钛矿都能用，最早的应用场景，可能还是会从建筑集成领域切入。

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接下来的两三年，我们会跟比较知名的机构进行普遍合作。比如：壳牌、道达尔 、美孚。这些石油公司在全国各地都会在建设光伏电站，我们会把组件给他们，由他们测试出更具有信服力的数据。

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回顾历史，每当真正的技术迭代要发生时，是没有办法、也没有力量可以阻止的。除技术和资本之外，最坚实的基础和最大的底气就是「能源回报率」。

40倍的能源回报率意味着什么？意味着远高于大部分化石能源，甚至好于目前中东开采石油的水平。钙钛矿对晶硅替代不会那么快，但一定会逐步发生