人才视界|杜小龙:助力“双碳”目标,用光建起一座座“三峡电站”

2021-12-16
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如果从卫星图上俯瞰我国西北内陆地区,在广袤的戈壁上,常出现大片的蓝黑色反光体,犹如深邃湖泊,星罗棋布。从地面看去,这实际上是近年来快速推开建设的一座座光伏发电站。这些向日葵般的“追光者”,将来自1.5亿公里外的太阳光线捕获并转化为电能,再通过输电线路接入国家大电网,成为驱动电力社会运转的动力。

随着气候与环保议题成为当下全球关注的焦点,这种清洁、安全、可持续的能源迎来了新的发展契机。在松山湖材料实验室,杜小龙研究员带领的高效晶硅太阳能电池团队,正致力于原创性新材料和新工艺研究,以提升电池的光电转换效率,并不断降低成本,同时努力将所开发的产品推向光伏市场。

 

技术进步推动光伏发电成本降低

能源问题是人类面临的终极问题之一。能源的获取与利用方式,一定程度上可以作为划分不同时代的标志。其中,太阳能是人类最早接触、认识并加以利用的能源之一,同时也是地球上多种能源的源头。

“能源技术水平很大程度上能够影响国家话语权。煤炭与蒸汽机、石油与内燃机等新的能源及利用方式,先后造就了英国和美国在发展上的领先优势。”杜小龙表示,目前石油成为主要的能源产品,我国对外依存度超过70%,每年需要从海外进口大量石油,这对保障国家能源安全不利。

杜小龙研究员

而在光伏等新能源领域,中国则形成了完善的产业链条与强大的生产制造能力,全球每年新增光伏产品中,近80%由中国制造,并且技术实力强、生产成本低,具有突出的国际竞争优势,面对层出不穷的光伏反倾销调查与制裁,仍然能保持稳步发展,占有率不断提升。

为什么我国能在光伏领域实现弯道超车?“首先是我们的基础工业水平上来了,其次我们有巨大的国内市场,有完整的供应链,随着研发水平的提高,生产设备也实现了国产化,大幅度降低了生产成本。”杜小龙表示,从原料到设备到生产工艺再到应用,种种优势的叠加导致我国在光伏产业领域形成了巨大优势。

“当前无论是政策导向、产业链条还是研究进展来说,太阳能发电已经来到了风口上,成为各界关注的焦点。”杜小龙介绍道,近一百年来,随着工业化发展,空气中二氧化碳浓度显著升高,带来了一系列气候问题,因此降低碳排放、改用更加清洁的新能源成为了各国共识。特别是我国“碳达峰、碳中和”目标提出后,光伏产业迎来难得机遇。

市场化推动是光伏产业健康可持续发展的关键因素。在技术进步推动下,光伏发电度电成本不断降低。

“目前煤电成本在每度电0.3元左右,而光伏发电综合成本已经降低到每度电0.2元,在沙特等光照资源充足地区,成本甚至可以降到9分钱。”杜小龙表示,这意味着光伏发电持续下降的成本为我国构建新型智能电力系统、大幅提升非碳能源供给提供了极其有利的条件,随着光伏产业降本增效的持续推进,可以预测不久的将来光伏发电必将成为人类最廉价的能源。

从目前公布的相关行业数据看,2020年,全国电源新增装机容量19087万千瓦,其中太阳能发电4820万千瓦。作为对比,全球最大的水力发电工程三峡水电站,总装机容量约2250万千瓦。也就是说,全国每年通过光伏发电,新增相当于2到3个三峡水电站。

“这无疑是令人震撼的数据。而且这个数据将持续快速增长数十年!”杜小龙说道。

 

打通基础研究与应用研究链条

围绕太阳能电池中最为核心的硅材料,杜小龙团队有超过10年的研究经验。“我们从表面物理国家重点实验室起步,开展硅表面结构处理、表面界面控制等机理研究。此后物理所成立清洁能源实验室,团队开始介入到硅太阳能电池的表面界面工程当中。”杜小龙说道。

当时,多晶硅加工采用金刚线切割工艺大幅提高了硅片出片率,降低了成本,然而这使得传统的加工工艺遇到了困难,必须寻找新的技术。“我们的黑硅机理研究积累非常完整,也发过很多有影响力的文章,但是没想着去运用,也不知道如何去推动。”

从日本归国的杜小龙从两国的比较中意识到,当时我国基础研究与应用研究之间存在着明显脱节,“研究光研究,应用光应用。”由于工业基础差、产业规模小,因此基础研究对技术进步的推动十分有限。

好在,此后国内高技术产业发展速度超过预期,“在产业需求的带动下,我们的研究逐渐产生了价值,有人愿意用了,这就产生了正向的驱动力。”

基于多年深入研究积累的成果及专利技术,2016年左右,终于有企业上门寻求合作,杜小龙团队迎来了最大的一笔转移转化项目,总金额约1000万元。

2018年进驻松山湖材料实验室后,高效晶硅太阳能电池团队获得了将基础研究和产业应用高效连接的机会。为此团队成功搭建了新工艺研发中试线及完备的光伏材料和器件测试表征系统,为开展变革性工艺的小试验证及中试放大提供了可靠的平台。

团队以已有先进制绒工艺为基础,利用中试线进一步开发先进钝化技术,并实现PERC电池、TOPCon电池、HJT电池等高效晶硅电池量产技术的产业应用。2020年8月,松山湖材料实验室高效晶硅电池团队在社区松湖之材育成中心孵化成立中科普瑞,进一步加速团队研发成果转化。

如今,杜小龙既是研发人员,又是企业经营管理者,对于成果转化有了更多的认识:“以前纯粹做基础研究,虽然心里瞄着应用,但毕竟没在市场折腾过。几年下来,现在已经知道光伏市场是怎么回事,有什么切入点,以及我们的优势和短板是什么,这些都弄清楚了。”

 

效率小提升撬动产业大效益

实际上,当前我国规模庞大的光伏产业,已经成为竞争异常激烈的一片红海,头部玩家集中。电池片和组件生产属于重资产、高风险,光伏制造业入场门槛已经很高。

“每个企业生产的光伏电池本质上是同一种产品,都是发电的电池片和组件,因此行业平均技术水平下的成本,就是产品平均价格的依据。”杜小龙举例道,假如行业平均效率是22.8%,那么效率做到23.3%的企业就能够实现盈利,扩大市场。而低于22.8%的企业则面临亏损的风险。

激烈的竞争压力,再加上全行业每年数以百亿计的电池片产量带来的规模效应,导致帮助客户提升哪怕0.1%的效率,都能产生相当可观的效益。而杜小龙的团队,切入的正是这部分需求,即通过对硅片中特殊的添加剂材料的研究,不断将太阳能电池的光电转化效率推向极致。

目前,团队核心业务领域包括生产快速大面积定量成像系列设备及化学湿法工艺相关的三种添加剂,前者将大幅提高太阳能电池企业产品工艺检测效率,后者则可优化电池片制造的相应工艺环节,从而提升电池效率。

其中,快速大面积定量成像系列设备包括面反射率检测仪、膜厚检测仪、绕镀检测仪、3D轮廓仪等,设备可以在0.5秒内获得硅片整面平均反射率、膜厚,并根据测量结果效识别异常片、不合格片。

目前,中科普瑞已与光伏行业龙头通威股份、隆基股份等达成一系列合作,团队取得相关专利15个。“企业目前还要建立更好的销售团队,打通从研发到销售的全链条环节,创业便算是迈出坚实的第一步。”杜小龙表示。

展望行业未来,杜小龙充满信心:“目前我国光伏电站累计发电量,平均到每个人已经有200多度,这足以满足照明等家用需求。然而光伏发电占总发电量仅3%,未来这一比例将增长到30%甚至40%,考虑到用电基数的增长,光伏发电还有几十倍的增长空间。

杜小龙表示,随着“双碳”目标的公布实施,以及储能电站、智能电网等配套技术的加速完善,太阳能电池推广应用必将迎来快速发展。

 

 

撰稿:综合事务管理部 × 南方日报