中國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)是如何崛起的?TOPCON何時(shí)替代PERC?未來光伏會(huì)被應(yīng)用于太空中嗎?近日,世界太陽能之父馬丁·格林(Martin Andrew Green)做客彭博社的著名播客節(jié)目“零排放”(Zero),談?wù)摿斯夥a(chǎn)業(yè)的前世今生和未來發(fā)展。
馬丁·格林是新南威爾士大學(xué)教授,被譽(yù)為“世界太陽能之父”。他因在“高效硅光伏器件的開發(fā)”方面的成就,在2021年獲得日本國(guó)際獎(jiǎng)。
他在光伏研發(fā)方面的工作使現(xiàn)代太陽能產(chǎn)業(yè)得以實(shí)現(xiàn),去年生產(chǎn)的90%的光伏組件都是基于他的發(fā)明:TOPCon和PERC起源于他的實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)光伏教父施正榮博士是他的門徒。本文是馬丁在此次播客節(jié)目發(fā)言的節(jié)選。
主持人:中國(guó)幾乎占了今天全球光伏產(chǎn)量的一半。這是怎么發(fā)生的?
馬?。?0世紀(jì)的太陽能產(chǎn)業(yè)還只是一個(gè)小眾產(chǎn)業(yè)。真正創(chuàng)建現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)并讓太陽能電池在成本和生產(chǎn)量方面具有競(jìng)爭(zhēng)力的,其實(shí)是我的學(xué)生們?cè)谑兰o(jì)之交對(duì)中國(guó)制造業(yè)產(chǎn)生興趣。但尤其是我的一個(gè)學(xué)生,施正榮博士,他懷有在中國(guó)建立制造業(yè)的雄心壯志,我們知道這將是多么困難,所以我個(gè)人試圖勸阻他。幸運(yùn)的是,我沒有成功,因?yàn)槿绻麤]有他的決心,現(xiàn)代太陽能產(chǎn)業(yè)就不會(huì)存在。
他的進(jìn)展引起了美國(guó)投資銀行的關(guān)注。我知道的主要有高盛和摩根士丹利這兩家,它們都對(duì)他在美國(guó)上市產(chǎn)生了興趣,因?yàn)槟莻€(gè)時(shí)代,中國(guó)股票非常受歡迎。每個(gè)人都能看出這一切進(jìn)展得非常順利,實(shí)際上也確實(shí)如此。
施正榮在2005年,即第一次生產(chǎn)電池僅三年后,就在紐約證券交易所上市,這也是2005年最大的科技企業(yè)首次公開招股。突然間,通過這次資本募集,他的公司得到了4億美元的注入。他仍然擁有公司的大部分股份,因此通過這次上市,他成為了第一個(gè)太陽能億萬富翁。但這非常重要,因?yàn)樗l(fā)了一場(chǎng)美國(guó)投資銀行尋找其他能夠仿效第一家成功公司的中國(guó)公司的熱潮。
當(dāng)然,也有很多中國(guó)公司對(duì)獲得4億美元的意外財(cái)富感興趣。所以在2005年到2010年之間,有10家中國(guó)太陽能公司在美國(guó)交易所上市,包括紐約和納斯達(dá)克。其中六家至今仍然是全球前10大制造商,形成了該行業(yè)的骨干。
施正榮的成功激發(fā)了其他在中國(guó)的公司希望在美國(guó)交易所上市,而美國(guó)投資銀行的盡職調(diào)查的一部分就是確保他們能接觸到先進(jìn)的技術(shù)。因?yàn)槭┱龢s出自我們的團(tuán)隊(duì),所以從我們團(tuán)隊(duì)招聘人員成為了公司技術(shù)高管的優(yōu)先事項(xiàng)。因此在那段時(shí)間我們損失了很多員工,但事實(shí)證明這是非常重要的。它大大降低了太陽能的成本,以至于你現(xiàn)在可以把它作為應(yīng)對(duì)氣候變化的可行選項(xiàng)來討論。同時(shí),它還在中國(guó)創(chuàng)造了一個(gè)龐大的產(chǎn)業(yè)。我們都感到自豪,因?yàn)槲覀兡芤赃@種方式推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的起步。
主持人:如何看待西方將全世界對(duì)中國(guó)光伏行業(yè)的依賴視為威脅?
馬?。喊拇罄麃喌拇髮W(xué)在很大程度上依賴于來自中國(guó)的留學(xué)生,因?yàn)樗麄冋紦?jù)了學(xué)??傤A(yù)算的很大一部分。所以我們不希望他們停止來澳。你知道,我們?cè)谑兰o(jì)之交還做了另一件事,那就是創(chuàng)建了世界上第一個(gè)光伏工程本科學(xué)位課程,大約一半的學(xué)生是來自中國(guó)的海外留學(xué)生。但我認(rèn)為,這對(duì)世界來說是一個(gè)好結(jié)果,因?yàn)樗o我們提供了低成本的太陽能電池?,F(xiàn)在,其他國(guó)家有機(jī)會(huì)進(jìn)入太陽能電池制造行業(yè)。
我不認(rèn)為他們能夠與中國(guó)的成本相匹敵,但成本已經(jīng)降得如此之低,以至于我認(rèn)為你不需要絕對(duì)最低的成本才能與其他可用的選項(xiàng)競(jìng)爭(zhēng)。所以我正在與一家印度公司合作,試圖讓他們達(dá)到制造水平。我認(rèn)為印度有建立一個(gè)可行產(chǎn)業(yè)的最佳前景,因?yàn)樗麄円卜浅?jiān)定地想要成功地進(jìn)入電池制造行業(yè)。
發(fā)明人設(shè)立公司,然后有人買斷他們,發(fā)明人因此從他們的發(fā)明中獲利,這是一種常見的方式。我以前的很多學(xué)生都比我富有,因?yàn)樗麄儽恢袊?guó)的合資企業(yè)收購(gòu)了。
非常低的成本和非?;钴S、有競(jìng)爭(zhēng)力的行業(yè),這是我的學(xué)生們?cè)谥袊?guó)成功的原因之一。但在澳大利亞,這個(gè)行業(yè)不可能發(fā)展到與中國(guó)相同的規(guī)模和體量。我覺得認(rèn)為澳大利亞本可以走中國(guó)已經(jīng)走過的路是有些異想天開的。澳大利亞市場(chǎng)與中國(guó)市場(chǎng)相比非常小,因此不會(huì)有與在中國(guó)一樣的來自美國(guó)投資者的興趣。
主持人:光伏技術(shù)變化如此之快,為什么中國(guó)人能在這樣一個(gè)快速變化的技術(shù)環(huán)境中盈利?
馬?。哼@其實(shí)都是我們團(tuán)隊(duì)的“過錯(cuò)”,因?yàn)槭俏业膶W(xué)生們?cè)谥袊?guó)建立了這個(gè)產(chǎn)業(yè)。他們迅速達(dá)到了全球無法匹敵的規(guī)模。然后他們?cè)谥袊?guó)所做的一切都降低了成本。
我的一些學(xué)生說過:如果他們能從中國(guó)買到一臺(tái)設(shè)備,那么成本將是從歐洲或美國(guó)購(gòu)買的三分之一。現(xiàn)在他們幾乎所有的事都是在中國(guó)做的。有很多人在不同的公司之間流動(dòng),如果他們表現(xiàn)出色,就會(huì)被挖走,可能在一家公司只呆28個(gè)月,然后轉(zhuǎn)到下一家。
所有的設(shè)備供應(yīng)商都在中國(guó),他們都愿意透露公司的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手如何使用他們的設(shè)備以及如何做到這一點(diǎn)。另外,許多中國(guó)光伏行業(yè)的人都在使用微信。我們大約500名校友就會(huì)有自己的微信群。他們會(huì)在其中談?wù)撘患夜镜谋憩F(xiàn)如何等等。信息就會(huì)以一種在其他國(guó)家難以實(shí)現(xiàn)的方式傳播開來。這使每個(gè)人都能很快達(dá)到最佳實(shí)踐,并推動(dòng)整個(gè)行業(yè)向前發(fā)展。
主持人:晶硅電池到達(dá)極限了嗎?
馬?。何覀兛偸菚?huì)認(rèn)為在硅電池方面已經(jīng)做到了極限。1999年的時(shí)候我們認(rèn)為25%的效率就是極限?,F(xiàn)在,我正在寫一篇論文,認(rèn)為行業(yè)可以把效率提升到28%。也許10年之后,我會(huì)把極限修改的更高。
一個(gè)太陽能電池有點(diǎn)像一個(gè)光子轉(zhuǎn)換器。一個(gè)能量足夠的光子會(huì)在外部電路中產(chǎn)生一個(gè)電子,不管是藍(lán)色光子還是紅色光子,它們還是會(huì)完成同樣的工作。(在太陽能電池中,紅光子(red photons)和藍(lán)光子(blue photons)是太陽光譜中的不同組成部分,它們具有不同的能量水平。藍(lán)光子具有更高的能量,而紅光子具有較低的能量。)
如果你能將一種擅長(zhǎng)處理藍(lán)色光子的電池堆疊在硅電池的上面,你就可以通過專門化電池功能來提高性能。所以你有一個(gè)能很好地處理藍(lán)色的電池堆疊在硅電池上,它會(huì)抓住所有藍(lán)色光子并比硅電池更有效地將它們轉(zhuǎn)化。然后紅色光子會(huì)穿過到硅電池,該電池可以相當(dāng)有效地轉(zhuǎn)化它們。然后,你會(huì)從這個(gè)過程中獲得效率的提升。
這就是疊層電池。我們有一個(gè)疊加轉(zhuǎn)換器,一個(gè)實(shí)際的光伏發(fā)電系統(tǒng),你可以將它置于陽光下進(jìn)行測(cè)試,而不僅僅是在室內(nèi)閃光燈下進(jìn)行測(cè)試。它可以將陽光中落在孔徑上的40.6%能量轉(zhuǎn)化為電力。這目前是全部技術(shù)室外太陽能轉(zhuǎn)換的世界紀(jì)錄。它有四個(gè)電池轉(zhuǎn)化太陽光譜的不同部分。
在地球上的陽光下,疊層電池理論極限是68%。但我不認(rèn)為我們會(huì)接近那個(gè)數(shù)字,那需要大概有20個(gè)或30個(gè)電池堆疊在一起。這種情況下可能不再具有商業(yè)經(jīng)濟(jì)性。40%是我認(rèn)為具有商業(yè)可能性的轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)然這不會(huì)很快發(fā)生,也許20年之后,我們的商用光伏組件可以達(dá)到這種效率。
現(xiàn)在全球安裝的PERC電池比人類歷史上所有的太陽能電力發(fā)電量還要多,顯然,我們?yōu)榇烁械椒浅W院?。下一個(gè)光伏主流技術(shù)可能會(huì)是TOPCon,也是起源于我們的實(shí)驗(yàn)室。我們優(yōu)先考慮了PERC,因?yàn)樗菀字圃?,并幫助我們快速?shí)現(xiàn)了25%的效率目標(biāo)。所以這兩種技術(shù)在本十年內(nèi)都會(huì)發(fā)揮重要作用。
主持人:在太空中可以得到更高效的光伏電池嗎?
馬?。亨?,可能效率不會(huì)更高。因?yàn)榇┻^大氣層后,太空中的光譜會(huì)有些許不同。但在太空中,能量更多,并且全部都來自同一個(gè)方向。因此,如果能夠高效、有效地將能量傳回地球,那么在太空中進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換是有優(yōu)勢(shì)的。
另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是,你在太空中幾乎可以全天候、接近24小時(shí)獲得電力。因此,近年來對(duì)這一方向的興趣有所復(fù)蘇。但我認(rèn)為地表太陽能更為便宜,可能不需要開發(fā)太空太陽能。當(dāng)然,也可能存在某些應(yīng)用場(chǎng)景能更有效地生成電力。
主持人:您如何看待鈣鈦礦電池?
馬?。何覍?duì)這個(gè)問題一直很感興趣,這可以追溯到80年代。但硅具有四個(gè)很難被其他材料匹敵的屬性。第一是豐富性,它是地殼中第二豐富的元素。第二是無毒性,它是無毒的。第三是穩(wěn)定性,它是一種非常穩(wěn)定的材料。第四是效率,總共只有七種材料在轉(zhuǎn)換陽光方面表現(xiàn)出超過20%的效率,硅是其中最穩(wěn)定的一種,也是唯一一個(gè)符合我提到的這四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的材料。
現(xiàn)在其他材料也已用于太陽能生產(chǎn),比如硫化鎘就是其中之一,它是鎘(一種高度有毒、非常令人討厭的金屬)和碲(一種非常稀有的材料,甚至比黃金還稀有)的化合物。從目前的供應(yīng)情況來看,碲因?yàn)檫^去沒有什么實(shí)際用途而并不成問題。你可以看出,這項(xiàng)技術(shù)存在的問題,它甚至無法滿足當(dāng)前全球太陽能的生產(chǎn)需求。所以我們一直在尋找符合這四個(gè)條件的材料。
目前最有前途的候選材料是鈣鈦礦材料。但不幸的是,這涉及到鉛,這在毒性方面是不合格的。這種材料能提供良好的效率,所以在這一方面有很大的優(yōu)勢(shì)。但穩(wěn)定性是主要問題,戶外環(huán)境非常惡劣,即使是硅也在某些情況下難以應(yīng)對(duì)。
所以,對(duì)于一個(gè)在穩(wěn)定性方面處于極端的材料,我很難看到會(huì)有什么進(jìn)展。近年來鈣鈦礦的研究確實(shí)取得了一些進(jìn)展,但這更多是線性的進(jìn)展,而如果要開發(fā)一個(gè)可行的產(chǎn)品,我們需要在穩(wěn)定性方面取得指數(shù)級(jí)的進(jìn)展。因此,我們?nèi)栽趯ふ移渌蜻x材料。我不確定鈣鈦礦存在的問題能否及時(shí)解決進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用。
我們希望疊層電池在本十年末左右能投入使用。實(shí)驗(yàn)室里的40%轉(zhuǎn)換效率貴的離譜,只有更低的成本和可商業(yè)化的技術(shù)重復(fù)才能讓如此高的效率盡可能普及開來。
原標(biāo)題:太陽能之父Martin Green:我曾勸施正榮不要在中國(guó)搞光伏,疊層效率已突破40%