中国制造业极限“探秘”⑤|不断靠近理论极限,中国光伏何以在“无人区”不停奔跑?

中工网 2025-03-25 07:51:00

工人日报-中工网记者 毛浓曦 祝盼

阅读提示

面对石油、煤炭等化石能源逐渐枯竭与环境污染加剧的双重压力,取之不尽又方便清洁的太阳能成了人类解决能源问题的“理想之光”。然而,要让理想照进现实必须克服一个巨大障碍,那就是要突破技术、成本方面的瓶颈制约。

3月10日,陕西西安,在隆基绿能科技股份有限公司西咸新区工厂的办公楼大厅,两个立体镂空数字格外醒目:26.8%、33.9%。

这是属于中国人的骄傲——隆基创造的两项光伏电池转换效率的世界纪录,全球光伏格局也因此而改变。

记者了解到,这两项世界纪录的背后,分别代表着全球光伏领域当前的最主流技术和下一代的最主流技术。

“实际上,我们又多次刷新这两项纪录,只是没来得及更新数字,我们是在光伏世界的‘无人区’奔跑。”隆基中央研究院副院长、首席科学家徐希翔博士告诉记者。

让“理想之光”照进现实

2015年,德国慕尼黑太阳能展览会。隆基创始人、总裁李振国步入展馆。

“This is the guy who changed the whole industry(这就是那个改变了整个行业的人)。”迎面,一位德国同行指着李振国向旁边的人介绍道。

彼时,世界上绝大多数光伏企业都选择了一种叫作“多晶”的技术路线,而隆基则另辟蹊径走上“单晶”之路。

面对石油、煤炭等化石能源逐渐枯竭与环境污染加剧的双重压力,清洁能源开发成为人类社会可持续发展的关键路径,取之不尽又方便清洁的太阳能就成了人类解决能源问题的“理想之光”。然而,要让理想照进现实必须克服一个巨大障碍,那就是要突破技术、成本方面的瓶颈制约。

2005年,在市场需求的带动下,隆基开始专注单晶硅太阳能电池的生产。事实上,自20世纪50年代美国贝尔实验室研制出实用型单晶硅太阳电池,历经半个多世纪发展,光伏发电已经成为应对气候变化、能源危机的重要手段,并大踏步迈开了产业步伐。

然而,由于光伏发电成本居高不下,这使得光伏发电更像一个完美的概念,巨大的成本包袱拖住了整个行业前进的步伐。

“隆基改变整个行业的过程中有几个关键的事件,一个是RCZ(重复投料直拉单晶技术),一个是金刚线(技术),还有PERC(发射极和背面钝化电池技术)的应用。”李振国说。

在隆基工厂的单晶硅棒车间,一个个单晶炉整齐排列,炉内坩埚中,1500℃的高温将硅料熔化成火红耀眼的液体,与此同时,一根根粗壮的硅棒被缓缓拉出……

在切片车间,硅棒被截短,继而被削成方棒,此后又被金刚线切割成片。一小时后,72厘米长的方棒,被切成了5000片厚度只有135微米的硅片。

这两个车间的生产工艺分别是隆基下大力气研究并取得突破的RCZ、金刚线技术,它们极大地提高了生产效率,降低了生产成本。李振国曾算过一笔账:2005年,单晶的非硅成本一公斤300元,到2020年变成了20元,这主要是得力于RCZ技术的出现。

“早期的切片,锯缝太宽,切一片要损耗两片,而且切一刀要八九个小时。有了金刚线,损耗大大降低,时间缩短到1小时,切片成本从2005年的一片5到6元,降到2020年的0.3元。”李振国说。

当时机成熟,“理想之光”终将照进现实。2020年,光伏每度电的成本从原来的5元下降到0.15元,这使得光伏发电实现了平价上网,万千家庭开始享受到光伏发电的便捷。

在“无人区”奔跑

由于抓住“度电成本”这个关键点,实现了光伏发电平价上网,隆基很快便获得了领先世界的产业竞争力。但是,在核心技术的研发上,自1954年第一块晶硅光伏电池诞生以来,光伏电池转换效率的世界纪录全是由海外科研机构创造的。

尝到技术创新的甜头后,隆基开始把营业收入的5%~7%投入到企业研发。2022年7月,运行了十多年的研发中心升级为隆基中央研究院,形成了从首席科学家、科学家到各领域专家的完整人才体系。

持续发挥高层次人才支撑引领作用,以科技创新推动产业创新,隆基一步步登上了光伏世界之巅,并在“无人区”继续奔跑。

在隆基中央研究院核心区域的一间实验室内,记者看到,实验桌上摆满了大大小小、各种各样的实验检测仪器;研究人员“全副武装”在工作台旁忙碌着,俨然一幅科幻电影里核心密室的景象。

“这些叠层电池原型器件、叠层电池片连接成的迷你组件,都是做实验要用到的,人可以调休,实验不能停,直到实现目标,哪怕持续几个月甚至一年。”隆基中央研究院叠层电池负责人何博告诉记者。

这需要研发团队始终保有勇攀高峰、造福人类的情怀。

“2022年9月17日,团队在一个重要关头召开了誓师大会,我念了‘攻城不怕艰,攻书莫为难,科学有险阻,苦战能过关’这样一首诗来勉励大家。”徐希翔博士回忆说。

这位曾获得被称为“光伏界诺贝尔奖”William R. Cherry奖的科学家,尽管年近古稀,但仍保持每天凌晨4:30起床锻炼、早上7:10准时到实验室参加晨会的工作节奏。

“当研发线出现异常,进入‘战时状态’时,所有工程师必须处于待命状态,可以随时返回现场解决工艺或者设备问题。”徐希翔博士早年曾在英特尔从事芯片研发工作,这是他从中学习到的经验。

2022年11月,隆基创造了26.81%的晶硅电池转换效率世界纪录,此后便开始呈现“狂飙突进”之势。2024年5月,隆基将这一纪录提升至27.3%,几个月后“再下一城”,达到27.4%,并且不断向理论极限29.4%靠近。

“单晶硅电池存在一个理论上的效率极限29.4%,科学家们就想办法在硅电池的前边叠加一层宽带隙的钙钛矿层,吸收高能光子以减少热弛豫损失,理论上可以实现超过40%的转换效率。”徐希翔说,这就是全球光伏业界公认的下一代超高效叠层太阳电池技术路线。

在这条赛道上,隆基于2023年11月首次创造33.9%的世界纪录后,又接连创造了34.2%、34.6%、34.7%的新纪录。隆基凭借在超高效叠层太阳电池领域的研发成果和当下火爆的人工智能技术一道被列入2024年麻省理工科技评论十大突破性技术。

“从昔日引进技术的学徒,到今天输出标准的导师,中国光伏在国际合作的坐标系中完成了华丽转身。”徐希翔的话语坚定且充满力量。

世界会因此而改变吗

在隆基总部大楼旁边的一片绿地上,有一座五颜六色的漂亮平房,这就是隆基体验馆。室内,空调等各类家电的摆放与一般家庭无异。不同的是,这所200平方米房子的用电,仅仅依靠屋顶和外墙上各种颜色的光伏板就完全足够。

“今天已发电66度,收益53元,就算把空调全开到20℃也没有问题。”现场的工作人员说。

这一颇具科幻色彩的绿色生活场景着实令人向往。众所周知,化石能源的大量使用带来了环境污染、气候变暖等严峻问题,太阳能作为一种清洁、可再生的能源形式,逐渐成为人类未来的理想选择。

然而,光伏发电作为一种间歇性能源,其发电量往往受到日照时间、太阳辐射强度等多种自然因素的影响,其时有时无、时强时弱的特性往往给电力系统的稳定运行带来挑战。

在攻克了降低“度电成本”、提高转换效率两大拦路虎之后,如何克服光伏发电间歇性大和波动性强的难题就成了摆在研发人员面前的最后一道障碍。但是,隆基坚信,通过光伏+储能的组合形式,用全球1%的陆地面积发电就足够人类使用。

在隆基25周年纪念演讲中,李振国为人们勾勒出了利用光伏改变世界的线路图。

“让所有人更便利地使用光伏、使用清洁能源,让绿色能源融入生活的每一处细微角落,真正做到触手可得,便捷随心,这就是我们下一个25年的任务。”李振国说。

来源:中工网-工人日报

0 阅读:3