光伏技术迭代提速绿色转型迎来机遇

  [中国石化新闻网2023-11-23]
  □蒋龙
  编者按：戴厚良董事长指出，未来产业是立足“今天的基础研究”，用“明天的技术”锻造“后天的产业”，只有“前瞻布局”“抢占先机”“先发制人”，才能抢占全球科技创新前沿阵地，树立全球竞争新优势。要充分发挥科技“支撑当前、引领未来”作用，着力强化基础性、紧迫性、前沿性、颠覆性技术布局攻关。
  本期《创新导刊》行业瞭望专版邀请行业专家、学者聚焦前沿光伏电池技术，剖析及研判光伏电池技术迭代进程，探讨传统能源企业如何把握光伏制造万亿赛道的绿色产业发展机遇，并展望新型光伏电池技术的前景。敬请关注。
  光伏产业发展背景及其核心逻辑
  “双碳”目标下，光伏产业发展迎来重大扩张机遇期。2022年，我国可再生能源年新增装机1.52亿千瓦，占全国新增发电装机的76%。其中，新增太阳能发电装机8741万千瓦，占全部可再生能源新增装机的一半以上。截至2022年底，我国可再生能源装机总量达12.13亿千瓦，历史性超过全国煤电装机总量。预测到2035年，光伏发电将占全国可再生能源总装机容量的49%，占全社会用电量的比例达29%。
  度电成本是衡量光伏发电市场效益的唯一标准。2022年，全球新建投产规模光伏发电项目平均度电成本LCOE低至0.04美元/千瓦时，仅为天然气发电成本的43%—55%，比最便宜的化石燃料竞争者（燃煤电厂）还低约27％。
  技术变革是光伏降本增效的最大驱动力。其中，电池技术路线的进步是核心，电池效率提升是最关键因素。电池效率每提升1%绝对值，发电成本可降低5%左右。开发高效新型太阳能电池技术，是进一步降低度电成本、提升光伏发电经济效益的最主要手段。
  光伏产业发展现状及能源央企的布局
  光伏电站交易规模扩大，多主体市场格局逐步形成。“十四五”期间，随着我国“双碳”目标的提出和实施方案的逐步落地，光伏产业迎来更大的发展机遇。传统能源央企开始进入光伏产业链的不同环节，增加了光伏产业竞争格局的变量。
  中国石油致力于打造“油气热电氢”五大供能产业，清洁能源电力装机总量从2020年到2035年将增长数十倍，其中光伏发电量占比不低于1/3。
  光伏产业链中下游竞争激烈程度高于上游，央企积极布局风光大基地，并向上游电池组件制造产业链拓展。如国投电力、国家电投同时布局异质结与IBC电池技术；华润电力等在光伏电站开发的同时，布局上游制造，投建HJT电池组件生产线。
  钙钛矿及其叠层电池是国家扶持、各行业重点企业前瞻性技术储备与投资的热点方向，将加速光伏产业开发颠覆性产业化技术，实现降本增效。2022年4月2日，国家能源局、科学技术部印发的《“十四五”能源领域科技创新规划》明确指出，开展晶体硅/钙钛矿、钙钛矿/钙钛矿等高效叠层电池制备及产业化生产技术研究。隆基绿能、宁德时代、协鑫、长城汽车、谷歌、腾讯等大型民企，国家能源集团、华能集团、三峡能源、中国核电等能源央企纷纷布局该领域的技术研发和产业化探索。
  与当前主流的晶硅光伏电池制造领域中，民营企业占据技术发展与产业规模绝对优势地位不同，钙钛矿材料与太阳能电池仍面临大面积制备、装备与工艺规模化量产等诸多艰巨的技术研发与产业化挑战。各技术路线仍处于早期成长阶段，给具有下游应用、资金、人才等优势的大型央企留出足够的战略布局空间和技术研发空间。
  光伏产业发展规模和技术迭代加速对能源央企的影响
  光伏产业快速发展影响了油气行业核心业务的同时，给油气行业也带来了绿色转型发展新业务、新产业的机遇。
  光伏产业发展规模快速扩大、新型光伏电池效率突破、光伏技术迭代加速与度电成本降低将使光伏发电成本不断降低，相对于化石燃料的成本优势不断扩大，冲击油气公司的核心业务。油气公司需充分挖掘和发展包括光伏产业在内的新能源业务。目前，从国外的道达尔、壳牌，到国内的中国石化、中国海油等企业都已开始布局光伏业务。
  油气公司开展光伏业务的需求急迫，优势明显。
  一方面，油气公司内部清洁用能替代需求巨大，光伏发电具有显著的减碳和经济效益。以某油田勘探板块为例，年碳排放量约为6000万吨，光伏+储能替代柴油发电，可降低约60%的成本。另一方面，积极布局光伏业务，是油气公司实现新能源业务战略目标、建设综合性能源公司的关键举措之一。油气公司在太阳能资源、电力消纳、多能融合、集成应用等方面优势明显，具有得天独厚的条件。
  资源优势：各油田矿区与我国优质的风光资源区往往高度重合，拥有发展光伏业务的稀缺土地、场站资源，具备发展集中式光伏及井口、场站分布式光伏的有利条件。
  电力消纳：油气公司自身就是用电大户，具备通过发展“源网荷储”一体化大规模消纳光伏清洁电力的条件。
  多能融合：油气公司拥有天然气资源优势，可以发展气电、风光发电及储能融合，充分发挥其电力调峰、调频优势，以及对建立新型电力系统的重要支撑作用。
  依托条件：国家积极推进沙漠、戈壁、荒漠地区大型风光基地建设。油田矿区多位于“沙戈荒”地区，且具备电网、场站、管道等基础设施，为大规模风光发电，通过储能、绿氢制备和储运发展大规模可再生能源电力消纳，大时空、长周期储能提供得天独厚的依托条件。
  此外，太阳能光伏产业规模和技术迭代的快速发展还可为拥有产业资源、资金、人才等巨大优势的油气公司提供上游电池/组件领域发展机遇，促进油气公司在可再生能源电力全产业链寻求更多战略布局，把握光伏制造万亿赛道的绿色产业发展机遇。
  能源央企发展光伏产业的路径和对策
  核心技术自主研发
  在自主研发与原始核心技术创新方面，光伏电池技术迭代提速，传统油气公司需要掌握具有前瞻性和基础性的相关自主知识产权。
  （1）钙钛矿及其叠层太阳能电池技术研发。
  中国石油工程材料研究院在研“新一代高效率钙钛矿/异质结叠层光伏电池技术研究与器件开发”项目，正开发可突破当前主流的光伏电池效率极限的新型高效率光伏电池技术。
  宽带隙钙钛矿电池创造了世界效率纪录。钙钛矿/晶硅叠层光伏电池最高已认证光电转换效率为33.7%，其中钙钛矿顶电池在可查阅的公开报道里，最高的光电转换效率为20.58%。为进一步提升钙钛矿/晶硅叠层电池转换效率，研发团队就钙钛矿薄膜晶体生长热动力学、缺陷及离子钝化机制、器件结构优化等进行系统研究，创新采用多级界面调控方法，成功将叠层太阳能电池中钙钛矿电池的光电转换效率提高了1.74%，达到22.32%，创造了世界纪录，为钙钛矿/晶硅叠层电池效率超过35%打下良好基础。
  （2）钙钛矿薄膜制备装备、工艺研发及中试线搭建。
  大面积高质量钙钛矿薄膜制备、叠层电池及光伏组件制造工艺及装备技术路线尚未确定。建议油气公司考虑自主研发相关制备设备与工艺技术，抢占技术先机，以实现大面积高品质钙钛矿薄膜及电池稳定制备。在此基础上，开展钙钛矿电池、晶体硅/钙钛矿叠层电池、钙钛矿/钙钛矿叠层电池的产业化生产技术探索研究与产线（中试线）建设，加速推动钙钛矿及其叠层电池及光伏组件的产业化进程。
  （3）新型光伏技术实证及集成应用技术研究。
  油气公司在建设大规模光伏发电基地的同时，建立光伏技术实证基地，对不同种类电池技术、安装方式、电站设计、清洁维护、环境治理等进行综合实证研究，探索与验证最适合油气公司应用的光伏电池产品和应用集成技术。光伏技术实证基地还可以结合油气公司在储能技术和氢能技术领域的进展与需求，进一步扩展至光储一体化、光伏发电耦合绿氢制备的综合实证基地。
  （4）发展光伏+储能+制氢多能融合关键技术，助力油气公司发展为清洁低碳能源综合供应商。
  随着光伏度电成本下降，光伏、储能、绿氢将成为新型电力系统的重要组成部分。通过储电、制氢及其与波动性光伏电源的系统动态耦合优化，不仅可以平抑光伏发电的不稳定性，而且可以构建以可再生能源为主的绿氢制备体系，协同促进储能、氢能产业的发展。
  光伏产业链投资布局
  结合油气公司产业和资源优势，积极发挥资本力量，布局光伏产业链战略投资。择机进入具有颠覆性技术的光伏产品制造领域，联合产业头部或具备新一代光伏电池核心技术的企业成立产业联合体，是油气公司快速进入光伏产业、扩大新能源产业规模的关键途径。
  建议油气公司适时布局异质结与钙钛矿等新型光伏电池/组件产线，并择优投资相关优势企业；凭借合作优势逐步进入光伏装备制造及供应领域，大幅提高光伏装机容量。
  油气公司加强自主研发，先行布局钙钛矿、叠层电池等前沿技术的同时，在光伏电池和光伏组件产业化方面，建议结合风电光伏基地建设，研究投资TOPCon或异质结量产线的可行性，可以优先选择与头部企业或细分领域领先企业采用合资合作的方式。
  一方面，通过投资光伏电池/组件产线，为油气公司内部项目提供产品，降低大型风光基地项目的投资成本，提高项目收益率。另一方面，在大型风光基地资源开发方面，通过产业配套，推动可再生能源装机指标的获取。油气公司也可生产光伏电池产品投向内部与外部市场，为清洁能源转型提供技术与产能支持，将利润把握在自己手中。
  在与光伏企业的合作过程中，油气公司可发挥产业链协同优势，在晶硅制备与提纯所需各类材料、组件封装所需的乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）和聚烯烃（POE）胶膜、新型高效太阳能电池以及各类成套设备解决方案等方面发挥自身优势，成为太阳能电池板制造商或高附加值材料供应商。同时，通过组建专业化的研究团队，加快掌握核心技术，强化对光伏产业发展的研判，逐渐引领行业发展。在油田清洁替代的基础上，加快基地式、集中式光伏项目建设，实现光伏装机容量的跨越式发展，大幅提高传统油气公司新能源业务的占比。
  (作者系工程材料研究院新能源材料研究中心副主任)