鈣鈦礦，會(huì)是光伏革命的終極答案嗎？

新能源變革的背后，實(shí)質(zhì)是材料的躍遷。

動(dòng)力電池新路線鈉離子電池，其實(shí)是從鋰到鈉元素的轉(zhuǎn)變;光伏硅片從P型到N型的迭代，實(shí)質(zhì)是其中摻雜的硼元素到磷元素的遷移。

作為新能源的主力軍，當(dāng)前光伏的商業(yè)化集中在晶硅電池，而硅的能量轉(zhuǎn)化效率(PCE)是有極限的。越是從中“榨取”電能，就越能感受到晶硅電池提升空間的逼仄。

除非超越硅。

光伏產(chǎn)業(yè)變革的十字路口，用10年時(shí)間走完晶硅電池50年發(fā)展之路的鈣鈦礦橫空出世，其能力轉(zhuǎn)化率已經(jīng)突破晶硅電池極限。

光伏即將迎來再一次顛覆。

“吊打”晶硅電池

“PERC之后可能是異質(zhì)結(jié)(HJT)或者TOPCon，而HJT和TOPCon之后的未來，一定是鈣鈦礦。”

隨著鈣鈦礦電池轉(zhuǎn)換效率不斷突破極值，業(yè)內(nèi)普遍將其看做引領(lǐng)光伏產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的“最佳人選”。

2009年，日本科學(xué)家Tsutomu Miyasaka首次用鈣鈦礦光伏電池發(fā)電，當(dāng)時(shí)的電能轉(zhuǎn)換效率僅有3.8%，僅僅在十年之后的2019年，鈣鈦礦電池性能便飆升至25%。

2021年11月，柏林亥姆霍茲中心(HZB)研發(fā)的鈣鈦礦串聯(lián)電池轉(zhuǎn)換效率高達(dá)29.8%，創(chuàng)造了至今為止鈣鈦礦電池最高紀(jì)錄。

值得注意的是，這一記錄超過目前效率最高的異質(zhì)結(jié)、TOPCon等晶硅技術(shù)的效率極限，將同為薄膜電池的其它技術(shù)路線甩開幾條街。

晶硅組件不同技術(shù)的理論極限分別為：

晶體硅太陽能電池理論極限效率：29.43%;

普通單晶硅電池理想條件下最高效率為24.5%;

HJT電池理想條件下最高效率為27.5%;

TOPCon電池具有更加高的效率上限：28.2%-28.7%。

可以說，在能量轉(zhuǎn)換效率上，鈣鈦礦已經(jīng)吊打晶硅電池，將光伏這一新能源上升至全新高度。

從理論極限來看，鈣鈦電池單層電池理論效率極值可達(dá)31%，晶硅/鈣鈦礦雙節(jié)疊層轉(zhuǎn)換效率可達(dá)35%，而三節(jié)層電池理論極限可能升值至45%以上。

而如果摻雜新型材料，鈣鈦礦電池的轉(zhuǎn)換效率最高能達(dá)到驚人的50%，是目前晶硅電池的2倍左右。

盡管這些數(shù)據(jù)目前還僅限于實(shí)驗(yàn)室或者理論研究層面，但鈣鈦礦顯然已經(jīng)擁有了強(qiáng)勁的競爭力，它的出世為光伏產(chǎn)業(yè)打開了全新的想象空間。

成本低于火電?

“降本增效”是光伏產(chǎn)業(yè)化的核心要義，也是光伏企業(yè)追逐的終極命題。

自光伏技術(shù)誕生起，這個(gè)行業(yè)就圍繞著“效率與成本”不斷掀起新的技術(shù)變革。效率方面，晶體硅光伏電池的理論極限效率是29.43%，在目前研發(fā)的光伏新技術(shù)路線中，能突破30%閾值的包括鈣鈦礦和GaAs(砷化鎵)。其中，GaAs雙結(jié)疊層電池達(dá)到了32.8%的實(shí)驗(yàn)室最高記錄，優(yōu)于鈣鈦礦。

但產(chǎn)業(yè)化繞不開成本，由于GaAs技術(shù)工藝復(fù)雜，原材料價(jià)格十分昂貴，低成本大規(guī)模量產(chǎn)難以滿足光伏商業(yè)化要求。

因此，成本更具優(yōu)勢的鈣鈦礦/HJT疊層電池被認(rèn)為是突破30%轉(zhuǎn)換效率的最具性價(jià)比的技術(shù)路線。

對(duì)比來看，鈣鈦礦對(duì)雜質(zhì)不敏感，通常90%左右純度的鈣鈦礦就可以用于制造效率超20%的電池;而晶硅對(duì)雜質(zhì)非常敏感，純度必須達(dá)到99.9999%以上才能用于制造。

光伏企業(yè)投資1GW晶硅電池，需要從硅料、硅片、電池、組件合計(jì)超過9億元;而協(xié)鑫納米披露的數(shù)據(jù)顯示，其建造的鈣鈦礦百兆瓦產(chǎn)線投資為1億元，1GW的投資僅為5億元。也就是說，1GW鈣鈦礦電池的投資強(qiáng)度僅為晶硅的一半。

而且，晶硅電池產(chǎn)業(yè)鏈需要硅料、硅片、電池、組件4個(gè)工廠，而鈣鈦礦僅需1個(gè)工廠，產(chǎn)業(yè)鏈顯著縮短，且大幅降低了物流等成本。

昆山協(xié)鑫光電CEO范斌甚至認(rèn)為：“鈣鈦礦的度電成本有望比火電還低，跟火電拉開一毛錢到一毛五的成本差異，從而實(shí)現(xiàn)光伏對(duì)火電的大規(guī)模替代。”

從2020年幾大電力公司的度電成本來看，如果鈣鈦礦度電成本降低至僅有晶硅電池發(fā)電的一半，那么將明顯優(yōu)于火力發(fā)電，成為極具競爭力的新能源。

鈣鈦礦電池還有一大優(yōu)勢，作為一種高柔性的薄膜電池，可以使用在晶硅電池?zé)o法觸達(dá)的使用場景;而且結(jié)構(gòu)輕便，易于安裝，更適合當(dāng)前大力推廣的光伏建筑一體化。

巨頭角逐

作為第三代光伏技術(shù)，資本早已瞄上了這一技術(shù)藍(lán)海。

此前不斷刷新的世界紀(jì)錄都出自實(shí)驗(yàn)室，問題是這些電池的尺寸很小，普遍只有1cm²-1.12cm²，壽命也非常短，不具備產(chǎn)業(yè)化條件。

企業(yè)要想在鈣鈦礦的商業(yè)化上更近一步，一方面要不斷提升轉(zhuǎn)化率，另一方面要著手解決尺寸和壽命的問題。

許多玩家已經(jīng)下海進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化實(shí)踐，目前國內(nèi)最早實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的是昆山協(xié)鑫。2021年，昆山協(xié)鑫100MW鈣鈦礦生產(chǎn)線開始試生產(chǎn)，并且將組件面積擴(kuò)大至1m×2m，光電轉(zhuǎn)化效率提高至18%以上。協(xié)鑫光電目前可大規(guī)模量產(chǎn)的是45cm×65cm的產(chǎn)品，轉(zhuǎn)換效率為15%。

除了協(xié)鑫光電，由三峽資本投資的纖納光電，先后7次打破了鈣鈦礦光電轉(zhuǎn)換效率記錄。當(dāng)前，其位于衢州的100MW量產(chǎn)線也已經(jīng)破土動(dòng)工。并且于今年2月，開建全球首個(gè)鈣鈦礦地面光伏電站。其和三峽科學(xué)院聯(lián)合研發(fā)的疊層電池組件轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了26.63%。

長城汽車創(chuàng)始人魏建軍控股的極電光能，在63.98cm²的鈣鈦礦光伏組件上，實(shí)現(xiàn)了20.5%的光電轉(zhuǎn)換效率，創(chuàng)造了全球大面積鈣鈦礦電池效率的最高紀(jì)錄。

極電光能更看重鈣鈦礦在光伏建筑一體化(BIPV)上的應(yīng)用。極電光能總裁于振瑞此前就表示，“BIPV是現(xiàn)階段鈣鈦礦電池最好的產(chǎn)業(yè)化路徑之一，我們會(huì)首先切入BIPV領(lǐng)域，開發(fā)鈣鈦礦幕墻產(chǎn)品。”

由于幕墻產(chǎn)品的特殊性，鈣鈦礦能夠發(fā)揮自己的獨(dú)特優(yōu)勢，避開與晶硅電池直接“拼刺刀”。幕墻產(chǎn)品追求外觀設(shè)計(jì)，且需要透明度，這恰好是鈣鈦礦的優(yōu)勢，卻是晶硅技術(shù)的短板。鈣鈦礦電池能夠做到美觀且半透明，因此BIPV極有可能成為鈣鈦礦商業(yè)化的前哨站。

據(jù)悉，極電光能正在建設(shè)150MV鈣鈦礦試制線，預(yù)計(jì)在今年可進(jìn)行投產(chǎn)，效率將不低于18%，且該項(xiàng)目產(chǎn)品尺寸達(dá)到了1.2×0.6平方米。

相比注重轉(zhuǎn)化效率的纖納光電和極電光能，萬度光能更注重成本。自創(chuàng)立起，萬度就主攻超低成本光伏器件——“印刷鈣鈦礦光伏”技術(shù)的開發(fā)，基于印刷技術(shù)和廉價(jià)原材料，研發(fā)出3600c㎡的鈣鈦礦組件，成本方面也更勝一籌。

在湖北鄂州、宜昌政府的支持下，萬度光能的“野心”更大。2021年6月，其總投資高達(dá)60億元的鈣鈦礦太陽能電池項(xiàng)目正式落地，這是迄今為止，最大的鈣鈦礦電池投資項(xiàng)目。

該項(xiàng)目共分為兩期，一期產(chǎn)能為200MW，順利量產(chǎn)后，萬度光能計(jì)劃擴(kuò)充至10GW。

海外巨頭中，韓國韓華集團(tuán)最為積極，這家全球光伏TOP10企業(yè)與柏林亥姆霍茲中心(HZB)合作研發(fā)的鈣鈦礦/硅串聯(lián)電池，創(chuàng)造了轉(zhuǎn)化率高達(dá)29.8%的世界紀(jì)錄。韓華集團(tuán)已計(jì)劃對(duì)此技術(shù)進(jìn)行投資擴(kuò)產(chǎn)，該技術(shù)也被列為韓國國家項(xiàng)目。

此外，傳統(tǒng)晶硅電池玩家隆基股份、通威股份、東方日升等公司均對(duì)鈣鈦礦太陽能電池表現(xiàn)出濃厚興趣，或已經(jīng)在相關(guān)領(lǐng)域有所布局。

可以看出，鈣鈦礦的商業(yè)化仍處于起步階段，但不少產(chǎn)業(yè)資本已經(jīng)跑步入局。統(tǒng)計(jì)來看，今年預(yù)計(jì)有2GW的鈣鈦礦電池產(chǎn)能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

光伏技術(shù)產(chǎn)業(yè)化主要看三大要素——成本、效率、壽命。鈣鈦礦在成本和效率方面遠(yuǎn)勝于晶硅電池，但其壽命短、穩(wěn)定性差、天然不穩(wěn)定，導(dǎo)致效率衰減過快，這是鈣鈦礦技術(shù)產(chǎn)業(yè)化落地的最大掣肘。

要知道，目前的光伏電池普遍壽命在25-30年。因此，在提升產(chǎn)品尺寸和能量效率的同時(shí)，如何將鈣鈦礦的壽命提升至25年，將是押注鈣鈦礦技術(shù)的企業(yè)亟需解決的問題。

提升電池壽命，背后涉及到材料體系、電池結(jié)構(gòu)、封裝等等環(huán)節(jié)。當(dāng)前，全球光伏界正在對(duì)鈣鈦礦的效率衰減和穩(wěn)定性進(jìn)行科技攻關(guān)，新的解決方案不斷涌現(xiàn)，也許很快就會(huì)有最佳的解決辦法。

作為世界經(jīng)濟(jì)論壇(WEF)認(rèn)定的“改變?nèi)祟惿畹?0大新興技術(shù)”之一，鈣鈦礦電池的前景已經(jīng)愈發(fā)清晰，一幅宏偉的產(chǎn)業(yè)藍(lán)圖正徐徐展開。