文｜能鏈研究院
良率，制造業(yè)的生命線。
僅以光伏電池生產(chǎn)為例，現(xiàn)有技術(shù)，PERC（發(fā)射極和背面鈍化電池）需要10步，TOPCON（隧穿氧化鈍化電池）多達(dá)12-13步，最短的HJT(晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池)也需要6步。而鈣鈦礦僅需要4步，工藝上大幅縮短。 即便每個(gè)步驟良率控制到99%，如果需要12步工藝，最終成品良率88.64%，而4道工序可以達(dá)到96.06%。
相比之下，云泥立判。 如果說TOPCON/HJT是漸進(jìn)式改良，那么，鈣鈦礦電池則是顛覆性創(chuàng)新。
前者均是在晶硅電池技術(shù)路徑中進(jìn)行的迭代升級(jí)，性能提升空間有限。而后者屬于太陽(yáng)能電池的另一大分支：薄膜電池，性能有著質(zhì)變。
資料來源：中泰證券研究所
晶體硅太陽(yáng)能電池理論極限效率為29.43%。
反觀，鈣鈦礦技術(shù)，單結(jié)鈣鈦礦理論效率 33%；鈣鈦礦雙疊層理論轉(zhuǎn)換效率達(dá)43%；三疊層電池理論效率可達(dá)50%以上。遠(yuǎn)高于晶硅電池。
鈣鈦礦電池備受市場(chǎng)矚目。
01 結(jié)構(gòu)決定性能
其實(shí)，鈣鈦礦并不復(fù)雜。 鈣鈦礦（分子通式為ABX3的一類晶體材料），最早是1839年德國(guó)科學(xué)家GustavRose發(fā)現(xiàn)了元素組成為CaTiO3礦物，后來人們將具有這種晶體結(jié)構(gòu)的物質(zhì)統(tǒng)稱為鈣鈦礦。 了解鈣鈦礦，結(jié)構(gòu)很關(guān)鍵。 在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中，A是較大的陽(yáng)離子，B是較小的陽(yáng)離子，X是陰離子，B和X形成一個(gè)八面體將A包圍起來。
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池工作原理與晶硅電池類似，均為光生伏特效應(yīng)。 鈣鈦礦吸收陽(yáng)光后，容易產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，電子跑到一邊聚集，空穴跑到另一半聚集，跑這跑著跑出了電流。
鈣鈦礦電池如同一個(gè)夾心面包，基本組成依次為導(dǎo)電玻璃、空穴傳輸層、鈣鈦礦層、電子傳輸層和金屬電極。 導(dǎo)電玻璃位于最上層，顧名思義，其功能有三，一是讓陽(yáng)光透過，被鈣鈦礦吸收，這便要求其平整、光滑、透射比高。二是起到支撐電池、保護(hù)電池的作用，需具備一定強(qiáng)度。三是起到電極材料的作用，要求其電阻較小。 空穴傳輸層和電子傳輸層的作用就是保證空穴和電子各自按照路線平穩(wěn)到達(dá)終點(diǎn)。 金屬電極用銅、銀等金屬電極，或金屬氧化物等作為電極層材料，導(dǎo)電性、穩(wěn)定性、強(qiáng)度有著一定的要求。
02 降本增效、拓寬應(yīng)用場(chǎng)景
為何談及鈣鈦礦是顛覆性創(chuàng)新？因其在性能、成本、效率、應(yīng)用場(chǎng)景等方面有著明顯的提升。 （1）光電轉(zhuǎn)換效率
對(duì)于太陽(yáng)能電池而言，光電轉(zhuǎn)換效率是最核心的指標(biāo)，是衡量將光能轉(zhuǎn)化為電能的能力。
根據(jù)CPIA數(shù)據(jù)，光電轉(zhuǎn)化效率每提升1%對(duì)應(yīng)度電成本下降5%-7%，這個(gè)量級(jí)對(duì)比是非常驚人的，考慮到裝機(jī)規(guī)模動(dòng)輒GW，MW，帶來的成本優(yōu)勢(shì)無疑是巨大的。
因此，光伏技術(shù)迭代一直是沿著提升光電轉(zhuǎn)換效率的路徑前行，從BSF到PERC/PERC+,再到TOPCON、HJT。
為了轉(zhuǎn)換效率的提升，各大廠家進(jìn)行研發(fā)軍備競(jìng)賽，基本上以月為單位進(jìn)行迭代升級(jí)，即便提升了千分之幾的效率也被視為成功的技術(shù)突破。
不過，在晶硅電池技術(shù)路徑下，光電轉(zhuǎn)換效率已然面臨瓶頸期。
晶體硅太陽(yáng)能電池理論極限效率為29.43%，普通單晶硅電池理想條件下最高效率為24.5％；TOPCon電池理想條件下最高效率為27.5％；HJT電池效率上限為28.2%-28.7%。
反觀，鈣鈦礦技術(shù)，單結(jié)鈣鈦礦理論效率 33%，鈣鈦礦雙疊層理論轉(zhuǎn)換效率達(dá)43%，三疊層電池理論效率可達(dá)50%以上。遠(yuǎn)高于晶硅電池。
為取得現(xiàn)在的成績(jī)，晶硅電池走了40余載，而鈣鈦礦電池只用了10年。
2022年7月7日，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)和瑞士電子與微技術(shù)中心(CSEM)共同創(chuàng)造了鈣鈦礦-硅疊層光伏電池新的世界紀(jì)錄，達(dá)到31.3%。
晶硅技術(shù)，已經(jīng)面臨天花板。鈣鈦礦技術(shù)的空間無疑更為廣闊。 （2）成本
新的技術(shù)得以推廣，不僅僅體現(xiàn)于效率，還有成本。
浙商研究院報(bào)告顯示，在鈣鈦礦單片組件成本結(jié)構(gòu)中，鈣鈦礦占比約5%，玻璃、靶材等占2/3，理論總成本約為0.5-0.6元，僅為晶硅極限成本的50%。
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池只需通過簡(jiǎn)單的旋涂、噴涂、刮涂等溶液工藝實(shí)現(xiàn)成膜，整個(gè)生產(chǎn)過程溫度不超過150℃，較晶硅材料制備所需的最高工藝溫度1700℃極大降低了生產(chǎn)能耗。
制造1瓦單晶組件的能耗大約為1.52KWh，而每瓦鈣鈦礦組件的生產(chǎn)能耗僅為0.12KWh，單瓦能耗僅占晶硅的1/10。
（3）生產(chǎn)效率和良率
晶硅電池，硅料、硅片、電池、組件四大環(huán)節(jié)需要四個(gè)以上不同工廠生產(chǎn)加工，即便所有環(huán)節(jié)無縫對(duì)接，一片組件完工需要3天左右時(shí)間。
據(jù)協(xié)鑫納米的披露，100兆瓦的鈣鈦礦單一工廠，從玻璃、膠膜、靶材、化工原料進(jìn)入，到組件成型，總共只需45分鐘。
現(xiàn)有技術(shù)路徑PERC需要10步，TOPCON多達(dá)12-13步，最短的HJT也需要6步。而鈣鈦礦僅需要四步，工藝上大幅縮短。
而工藝縮短不單單提升效率，對(duì)良率也是一個(gè)重大改善。即便每個(gè)步驟良率控制到99%，如果需要12步工藝，最終成品良率88.64%，而四道工序可以達(dá)到96.06%。
相比之下，云泥立判。
（4）應(yīng)用場(chǎng)景更為豐富 BIPV是光伏與建筑更深融合的產(chǎn)物，傳統(tǒng)的晶硅電池在重量、美觀、貼合度上有著明顯的劣勢(shì)。相較而言，鈣鈦礦電池具有柔性、輕薄、透光性強(qiáng)、顏色可調(diào)的特點(diǎn)，更適用于BIPV。
協(xié)鑫光電完成鈣鈦礦組件 BIPV 光伏玻璃 3C 認(rèn)證，邁出建筑光伏市場(chǎng)第一步。
據(jù)浙商證券預(yù)測(cè)，2025年BIPV潛在裝機(jī)市場(chǎng)達(dá)203GW，對(duì)應(yīng)潛在市場(chǎng)規(guī)模達(dá)1210億。
目前已有部分車企進(jìn)入鈣鈦礦領(lǐng)域，車載光伏方面也具備更大想象空間。
03 穩(wěn)定性、大面積制備存在缺陷
鈣鈦礦電池以其獨(dú)有的結(jié)構(gòu)使其獲得了效率和成本的優(yōu)勢(shì)。但是，也因?yàn)榇?，穩(wěn)定性存在著先天缺陷。
從物理性來看，材料本身分解能較低，離子容易發(fā)生擴(kuò)散，溫度或者組分的差異會(huì)導(dǎo)致鈣鈦礦材料發(fā)生成分偏析或者相分離，影響鈣鈦礦層的光電性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性；
從化學(xué)性來看，鈣鈦礦離子均為離子勢(shì)較小的“軟”離子, 容易與環(huán)境中的水分子、空氣發(fā)生反應(yīng)，極大地?fù)p害器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
從工藝上來看，鈣鈦礦在備制大面積效率損失嚴(yán)重。
針對(duì)這些問題，企業(yè)、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始了積極的探索，產(chǎn)業(yè)端涌現(xiàn)出多種解決思路，部分問題已經(jīng)得到解決。
比如，優(yōu)化鈣鈦礦層的結(jié)構(gòu)和材料、優(yōu)化傳輸層和電極材料、優(yōu)化封裝來提升穩(wěn)定性。
改進(jìn)激光刻線工藝、增加鈣鈦礦電池有效光照面積，優(yōu)化電池串并聯(lián)結(jié)構(gòu)等來改善大面積制備的效率損失。
經(jīng)德國(guó)電氣工程師協(xié)會(huì)（VDE）權(quán)威認(rèn)證，纖納光電α組件已順利通過 IEC61215、IEC61730 穩(wěn)定性全體系認(rèn)證，纖納光電成為全球首個(gè)、且目前唯一完整通過這兩項(xiàng)穩(wěn)定性全體系測(cè)試的鈣鈦礦機(jī)構(gòu)。
04 未來可期
未來，政策不斷加碼，產(chǎn)業(yè)化陸續(xù)推進(jìn)，落地成型邁入市場(chǎng)化。三者互相反饋循環(huán)，推進(jìn)鈣鈦礦技術(shù)高速發(fā)展。
目前能布局鈣鈦礦的主流企業(yè)（上市和非上市）已超過20家，其中上市企業(yè)布局鈣鈦礦的在10家左右。老牌光伏企業(yè)通威、東方日升等均在鈣鈦礦技術(shù)方面已有布局，除光伏龍頭外，寧德時(shí)代、杭蕭鋼構(gòu)、寶馨科技等跨界玩家也涉足鈣鈦礦領(lǐng)域。
以協(xié)鑫光電、纖納光電、極電光能為首的本土鈣鈦礦電池廠商產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度引領(lǐng)全球。根據(jù)各公司披露規(guī)劃，預(yù)計(jì)2023年鈣鈦礦太陽(yáng)能電池新建產(chǎn)能近2GW。
隨著相關(guān)企業(yè)加大布局和開發(fā)力度，鈣鈦礦電池的產(chǎn)業(yè)化探索步伐逐漸加快。德邦證券預(yù)測(cè)：“預(yù)計(jì)2026年鈣鈦礦電池新增產(chǎn)能達(dá)16GW，2030年將達(dá)161GW?！?/p>
鈣鈦礦的未來產(chǎn)業(yè)化之路頗具看點(diǎn)。
參考資料：
[1] 浙商證券，《鈣鈦礦：下一代光伏新技術(shù)，設(shè)備先行》
[2] 東吳證券，《下一代光伏電池新秀，產(chǎn)業(yè)化曙光初現(xiàn)》
[3] 國(guó)盛證券，《鈣鈦礦：光伏電池的“明日之星”》