“黑马”钙钛矿：聊聊光伏的迭代与机遇
新能源产业链中，哪个环节最赚钱？
答案无疑是：上游。
这两年新能源的整体格局，可以简单总结为「得资源者得天下」。以锂电为例，位于产业链最上游的天齐锂业，凭借大量海外盐湖资源，2022全年毛利率稳定在80%以上。
到了中游的宁德时代，尽管获封“宁王”市值破万亿，毛利也只有25%左右；而最下游的几十家新能源车企，几乎还都未实现盈利。
锂电的上游是「锂盐」，对应光伏的上游则是「硅料」。
比如，手握全球一半的硅料产能的通威股份，2022年的利润增速都在300%以上，大幅领先于隆基、晶科等中游组件厂家。
马太效应之下，除非底层技术发生重大变化，不然像光伏上游这种又成熟又赚钱的板块，似乎已经很难有初创团队的机会。
然而，科技投资的有趣之处就在于，底层技术总是会被后人不断打破；每个行业里永远不缺的，就是一批要“砸烂旧世界”的革命者。
多年以后，晶硅终于等来了这样一位野心勃勃的“挑战者”。
本期险峰聊聊，我们将尝试探讨以下几个问题：
1、中国的光伏行业是如何崛起的，我们能从中总结出哪些行业发展的规律？
2、为什么钙钛矿会成为最具潜力的颠覆者？
3、钙钛矿距离产业化，还需解决哪些问题？
中国光伏崛起史：「降本提效」是贯穿始终的核心逻辑
展开之前，我们先来复盘一下中国的光伏行业是如何崛起的，以及能从中总结出哪些规律。
1954年，贝尔实验室，三位美国科学家使用硅片造出了世界上第一块光伏电池，不过限于产能和成本，当时的光伏只能用于太空领域，主要为人造卫星供电。
70年代石油危机爆发，飞涨的能源价格让光伏迎来第一波民用化的热潮。
1983年，加州建成了当时世界上最大的太阳能电厂，随后克林顿政府的「百万太阳能屋顶计划」，第一次让光伏与普通百姓的日常生活产生了链接。
无尽清洁能源的美好愿景点燃了民众的热情，也让其他发达国家纷纷跟进。
2000年，德国颁布《可再生能源法》对光伏进行大额补贴，光伏需求开始井喷式爆发；然而欧洲自己并没有足够的制造能力，这部分订单便顺理成章地溢出到了中国。
2003-2008年，国际油价正处于持续上涨周期，在政策支持和欧洲订单的拉动下，一大批国内企业纷纷入局，国内组件产量快速成长，并于2007年成为全球第一。
中国也逐渐取代欧美，开始引领全球第二波光伏热潮。
不过，高涨的需求很快引发了上游硅料价格的暴涨：工业硅3年里价格翻了5倍，从2005年的100美元/公斤涨到2008年的500美元/公斤，这也让另一条本不被看好的技术路线走到了聚光灯下。
时间拨回到1955年，在贝尔实验室造出第一块光伏电池的第2年，以色列科学家塔博（Tabor）教授提出了选择性吸收涂层理论，开创出另一条全新的科技树——非硅薄膜太阳能电池。
至1976年，第一代非硅薄膜太阳能电池在美国RCA实验室诞生，但在当时却并未引起太多关注。
因为相比晶硅，初代薄膜电池所需的制造成本非常高（需要使用大量稀有元素），但发电效率却更低（实验室最高22-23％，低于晶硅的26.7％），行业内普遍并不看好。
不过到了2008年，随着晶硅成本的大幅上升，初代薄膜发电开始变得有利可图。
2009年，汉能宣布进军薄膜太阳能领域，重金组建了当时全世界最顶级的研发团队，开始在全国拿地建厂。
只用了不到3年时间，汉能薄膜组件年产量就已达3GW（主要为铜铟镓硒），成为了当时全球规模最大、技术最好的薄膜太阳能企业。
然而火热的市场此时却已埋下了隐忧，尽管全球光伏行业连续10年复合增速超60%，但其中80%的订单都是来自欧美。
随着2010年欧债危机爆发，欧洲各国纷纷缩减了光伏补贴，高涨的出口需求被一脚踩下了刹车；而2012年欧美的“双反”调查，以及页岩油革命导致的油价大跌，更是让中国企业雪上加霜。
双重打击下，硅料价格从每公斤500美元迅速跌至50美元，初代薄膜发电在成本和效率上的劣势立刻暴露无遗，很快被主流市场抛弃。
晶硅的日子同样不好过，幸存下来的企业被迫开启“内循环”，把目光投向国内市场。
而对于当时的国人来说，光伏无疑还属于“奢侈品”。因此，如何把发电成本降下来，成为这一时期行业的主旋律。
一方面当然要靠「政策补贴」：比如2013年，国务院连续发布了《关于促进光伏行业健康发展的若干意见》与《关于发挥价格杠杆作用促进光伏产业健康发展的通知》等重磅文件，明确了光伏补贴年限、电价结算等核心问题，由此开启了我国光伏补贴的黄金时期。
而比补贴更重要的，则是「技术进步」；这其中一个很经典的例子，就是单晶硅对多晶硅的替代。
简单来说，晶硅领域一直有「单晶硅」和「多晶硅」两条并行的技术路线。其中，单晶硅的发电效率更高，也更省材料（降本空间大），它唯一的缺点是对纯度要求高，制造难度大。
因此在行业早期，大家都是选择多晶硅路线，但在降本压力之下，隆基等单晶厂商开始寻求技术突破，采用金刚线提高晶片的切割速度，减少了切割过程中的损耗，随之的硅片也越做越薄，半径越做越大（本质都是为了降本）。
到2016年，单晶硅终于实现了对多晶硅的成本反超，逐步占据了90%的市场份额；同时其他厂家也不断迭代技术，在各种新材料、新工艺的累加之下，晶硅发电成本在过去10年中降低了90%，全面低于了火电价格。
通过晶硅和薄膜的例子，我们可以看出光伏行业的两个规律：
1、从百万屋顶计划到欧洲的补贴刺激，光伏的每一轮景气大周期都是由能源价格上涨+各国政府的补贴扶持带来的，但每次潮水褪去的时候，「降本」都会成为贯穿行业发展的核心逻辑。
在降本的诱惑面前，大部分技术困难长期看都是暂时的——人类对于「更低成本的能源追求」始终是永恒的主题。
2、「技术进步」是「降本」的核心驱动力，这其中「提效」是关键。
转化效率每提升1%，度电成本就会降低7个百分点；因此，转化效率潜能的天花板决定了一项技术是否具有未来：无论是初代薄膜的失败，还是单晶硅的逆袭——它们的命运在路径选择的那一刻，其实就已确定。
钙钛矿：“野心勃勃”的挑战者
尽管今天晶硅已经牢牢占据了霸主地位，但晶硅和薄膜的竞赛却并未就此终止。
一种新材料的出现，让后者看到了逆袭的曙光。
1839年，当矿物质学家Gustav Rose在乌拉尔的山坡上捡起一块石头时，他不会料到，这种被他命名为「钙钛矿」的东西，会是下一把开启“双碳”能源革命的钥匙。
所谓钙钛矿，即不是钙也不是钛，而是具备相同「晶体结构」的一类「陶瓷氧化物」的统称，分子式为 ABX3。
（图：钙钛矿ABX3结构示意图）
这里面，A代表「大半径阳离子」，B代表「金属阳离子」，X则代表「卤族阴离子」。
这三种离子通过不同元素的排列组合，或者调整彼此之间的距离，可以呈现许多神奇的物理特性，包括但不限于绝缘、铁电、反铁磁、巨磁效应等等。
其中最富有想象力的，叫做「超导电性」。
简单来说，就是在阳光照射下，钙钛矿材料会变得非常容易吸收/释放电子，只需要薄薄的一层，就能吸收大部分阳光。
2009年，日本科学家宫坂力造出了世界上第一块钙钛矿太阳能电池，当时的转化率只有3.8%，但仅仅5年后，钙钛矿电池的光电转换效率便已跃升至19.3%，提高了5倍，被《科学》杂志评为2013年的10大科学突破之一。
到2022年，这数字已经来到了29.8%，由德国HZB研究中心创造；其进步之快，潜力之大，越来越引起产业界和投资人的关注。
前面提到，过去几年晶硅已经完成了从「单晶硅」到「多晶硅」的进化，目前行业公认下一代技术的迭代方向，是「N型」对「P型」晶硅的替代，也由此诞生出了Topcon、HJT异质结和IBC等不同的分支路线。
不过，无论是哪种路线，本质上也还是在「晶硅」这条科技树下的继续优化。
（图表：光伏技术发展历程及转化率情况）
晶硅电池理论上的转化极值为29.4%，目前的实验室环境能最高能达到26.7%，天花板其实已经很近了；可以预见的是，未来Topcon、HJT量产后，大概率也不会超过这个数值，技术改进的边际收益也会越来越小。
相比之下，钙钛矿电池的理论极限为33%，如果把两块钙钛矿电池上下叠在一起，转换效率可达45%。
而「效率」之外，另一个重要因素是「成本」。
比如，初代薄膜电池的成本之所以降不下来，是碲、镉、镓这些稀有元素在地球上的储量实在太少，结果是产业越发达、需求量越大，生产成本反而越高，始终无法成为市场主流产品。
而钙钛矿使用的主要是碳、氢、氮、铅和碘等几种主流元素，本身在地球上都有大量分布，价格也很便宜。
此外，钙钛矿涂层的厚度只需要几百纳米（大约是硅片的 1/500），这意味着对材料的需求量非常少。比如目前全球每年硅料的需求大约是50万吨，若全部替换为钙钛矿电池，大约只需要1000吨钙钛矿原料。
制造成本方面，晶硅电池需要将硅提纯到99.9999%，因此必须把硅料加热到1400度，融化成液体，拉成圆棒再切片，再组装成电池，中间至少要经历4家工厂和2-3天时间，能源消耗也更大。
而如果是生产钙钛矿电池，只需要将钙钛矿基液涂在基板上，然后等待结晶即可——整个过程只用到玻璃、胶膜、钙钛矿和化工原料，在一家工厂内既可以完成（全程大概45分钟）。
从这个角度来说，钙钛矿若能完全推广开来，光伏行业其实也就不需要再分上中下游，产业链将大大缩短，价值也更加集中。
（图：晶硅电池与钙钛矿电池生产路线对比）
钙钛矿距离产业化还需多久？
当然，任何材料都不是完美的，钙钛矿要最终完成产业落地，还有三个困难需要克服。
第一个问题是「毒性」，钙钛矿电池中铅的比例很高，如果要在城市中大量铺设，对环境和人体健康有一定潜在风险。
但这个问题相对容易解决——因为钙钛矿涂层很薄（不到头发丝的1/200），换算成单节电池的铅含量也只2克，绝对值并不高，而且可以通过封装来解决，未来则可以用其他低毒元素替换。
第二个问题，是材料的「稳定性」。
钙钛矿材料容易受温度湿度影响，在户外环境下效率衰减得很快，这也是过去制约其发展的主要瓶颈。
对此，科研人员提出了各种解决方案：比如用全无机钙钛矿材料解决热稳定性，用长链有机分子解决湿度稳定性等等，也取得了很多新进展。
如果我们关注新闻，能看到过去一年里国内有不少钙钛矿项目开工的消息，多家上市公司和地方政府参与，其中一个很重要的原因，就是钙钛矿材料的「稳定性」已经取得了实质性突破。
这也与我们的走访调研的结果基本相符——尽管还无法完全验证（毕竟钙钛矿电池诞生也才10年），但大部分创始人和专家都表示，目前的钙钛矿材料稳定性基本可以做到10年左右，预计3年后可以到15年，5年后达到与晶硅一致的水平。
相比之下，第三个问题最为棘手，就是如何解决「量产」。
举个例子，在实验室环境+小面积喷涂（1cm2）的尺度上，钙钛矿很容易实现高转换率，但一旦放大面积，镀膜材料就会因沉积变得不均匀。
与稳定性类似，大面积涂层的改进也需要一个很长的时间；毕竟，材料学属于「先验科学」，很难通过理论推导解决，只能不断从重复的实验中测试数据、总结规律。
不过令人欣喜的是，好消息也在不断出现。
比如2022年4月，极电光能宣布已在1.2m×0.6m尺寸的钙钛矿组件上实现了18.2%的光电转换效率；2022年7月，微纳科技宣布实现40*60cm钙钛矿组件量产，承诺效率 21%；此外，险峰被投企业仁烁光能300*400mm的10MW全钙钛矿叠层中试线也于8月在苏州投入使用，预计效率 22%以上
总之，种种迹象表明，大面积钙钛矿组件的生产问题正在逐渐被改善。
（图：国内钙钛矿企业融资及布局情况）
当然，这些改善距离最终量产，还有相当长的路要走；一个直观的例子，就是目前钙钛矿的「良品率」还很低（远低于85%的量产化要求）。
假设每道生产工序的良率都可以达到99%，但经过100道工序之后，良率就已只剩36%；而当我们调整了其中一道工序后，就会对后面的所有工序产生影响，所以就要对每道工序进行「联调」，才能把良率调整到在商业上有利可图的水平（即所谓「良率爬坡」），整个过程往往要持续数年之久。
此外我们也需要看到，从2011年至今，中国在光伏领域已经投入了大量资金和成本。在晶硅这条产业链上，中国公司的市场占比已经超过80%，在很多细分领域也掌握了核心定价权；因此，与锂电的逻辑类似——在钙钛矿产业链完全成熟之前，晶硅的主流地位依然不可动摇。
但还记得前面的两条结论吗：
1、转化效率的潜能决定了一项技术是否具有未来；
2、大部分技术困难长期看都是暂时的，人类对于「更低成本的能源追求」始终是永恒的主题。
光伏市场从来都是赢者独大——要么不成功，要么成为市场的绝对主流；从这个角度来说，与即将进入“瓶颈期”的晶硅相比，钙钛矿无疑是目前最具潜力、综合性价比最高的新一代光伏解决方案。
而在这一领域，中国同样具备很强的领先优势，比如在钙钛矿电池专利方面，中国以68%的绝对数量（2282个）牢牢占据着第一梯队，远高于专利数量在 200-300 之间的日本、韩国和美国。
对于底层技术，人们总会倾向于“高估一到两年的变化，低估了五到十年的变化”。如果复盘历史中的那些科技革命，其实并不是某个具体的时间点，当我们开始提及科技革命的来临时，往往是它已经来了很久。
所谓周期，不过是时间的规律。
不出意外的话，时间还将带给我们更多惊喜。