提升太陽(yáng)能利用效率，是光伏產(chǎn)業(yè)永恒的課題。
2015年起，隆基率先將傳統(tǒng)的砂漿切割技術(shù)切換為金剛石線切割，從而將轉(zhuǎn)換效率更高的單晶產(chǎn)品推向市場(chǎng)，逐漸奠定其單晶王者的地位。
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電池轉(zhuǎn)換效率為什么如此重要？光伏電池轉(zhuǎn)換效率與度電成本關(guān)系密切，有數(shù)據(jù)測(cè)算，在20%轉(zhuǎn)換效率的基礎(chǔ)上，每提高一個(gè)百分點(diǎn)，可為下游電站節(jié)約5%以上的成本。
也正因此，近年來(lái)，頭部企業(yè)似乎不知疲倦的著力提高光伏電池轉(zhuǎn)換效率。最新世界記錄由隆基綠能所創(chuàng)造，其硅異質(zhì)結(jié)電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)26.81%，打破了5年前日本Kaneka公司創(chuàng)下的26.7%的記錄。
但就像被三體人的“質(zhì)子”鎖死一般，在現(xiàn)有技術(shù)下，晶硅電池轉(zhuǎn)換效率的上限，被牢牢鎖定在29.43%。現(xiàn)有商業(yè)化尺寸的晶硅電池，與理論極限僅差不到3%，留給晶硅電池的提升空間不斷縮小，光伏電池的效率之爭(zhēng)也逐漸上升到了材料層面。
鈣鈦礦，一種完全迥異于傳統(tǒng)晶硅體系的光伏電池技術(shù)，成為資本熱捧的明星。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近兩年鈣鈦礦領(lǐng)域投資額已近百億。資本的看好，與鈣鈦礦電池技術(shù)所取得的商業(yè)化突破成正相關(guān)。
鈣鈦礦電池在光伏電池中，屬于薄膜電池，此前在港股上市的漢能薄膜發(fā)電就是全球最大的薄膜太陽(yáng)能企業(yè)，董事長(zhǎng)李河君一度成為中國(guó)首富。但是薄膜發(fā)電，跟晶硅發(fā)電相比，存在一個(gè)問(wèn)題，那就是薄膜發(fā)電會(huì)突然衰減。據(jù)說(shuō)這個(gè)問(wèn)題現(xiàn)在已經(jīng)得到解決，所以鈣鈦礦開始興起。
去年以來(lái)，協(xié)鑫光電、纖納光電已分別建成100MW鈣鈦礦量產(chǎn)線。近日，長(zhǎng)城旗下的極電光能宣布150MW鈣鈦礦光伏生產(chǎn)線正式投產(chǎn)運(yùn)行，是全球目前已投產(chǎn)且產(chǎn)能最大的鈣鈦礦光伏生產(chǎn)線，同時(shí)具備BIPV產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)組件的生產(chǎn)能力。
在眾多資本的擁簇下，鈣鈦礦的神秘面紗被逐漸揭開，向傳統(tǒng)晶硅電池體系發(fā)起沖擊。
新能源“野心”
1839年，德國(guó)礦物學(xué)家古斯塔夫·羅斯探索俄羅斯烏拉爾山脈時(shí)發(fā)現(xiàn)了一種天然礦物，他將這種化學(xué)式為CaTiO3（鈦酸鈣）的天然晶體命名為“鈣鈦礦”。
經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，與鈦酸鈣有著相同或者類似晶體結(jié)構(gòu)的材料被統(tǒng)稱為鈣鈦礦。劍橋大學(xué)物理學(xué)家山姆·斯特蘭克斯曾贊譽(yù)其優(yōu)于硅材料的吸光能力，稱“可以用至少比硅薄一百倍的鈣鈦礦薄膜吸收幾乎所有的陽(yáng)光”。
2009年，日本桐蔭橫大學(xué)的宮坂力教授將鈣鈦礦材料作為吸光層，制備出效率為3.8%的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，由此開啟了世界范圍內(nèi)學(xué)者對(duì)提高其轉(zhuǎn)換效率的研究。
12年后的2021年，單結(jié)鈣鈦礦電池最高效率已達(dá)到25.7%，接近單晶硅光伏電池實(shí)驗(yàn)室最高效率。要知道晶硅電池達(dá)到如今的轉(zhuǎn)換效率，用時(shí)將近40年。
在一眾頂尖實(shí)驗(yàn)室將目光錨定至鈣鈦礦的同時(shí)，2017年，長(zhǎng)城汽車的掌門人魏建軍找到“光伏老兵”于振瑞，希望找到一個(gè)切入光伏市場(chǎng)的好項(xiàng)目。
當(dāng)時(shí)，國(guó)內(nèi)分布式光伏發(fā)展如火如荼，組件、硅片的全球產(chǎn)能占比已超過(guò)70%。在晶硅電池技術(shù)領(lǐng)域，PERC電池已有內(nèi)卷趨勢(shì)，N型電池技術(shù)仍前景不明，于振瑞“押寶”似的選擇了作為第三代光伏電池技術(shù)的鈣鈦礦。他說(shuō)服中科院材料學(xué)博士邵君與澳洲回國(guó)博士鄭策，組建了極電光能早期的核心技術(shù)團(tuán)隊(duì)。
以“量產(chǎn)”作為目標(biāo)的極電光能，產(chǎn)業(yè)動(dòng)作也相當(dāng)之快。據(jù)其官網(wǎng)介紹，公司起源于長(zhǎng)城控股集團(tuán)，2018年開始鈣鈦礦技術(shù)研發(fā)，2020年4月落地?zé)o錫。
2021年5月，極電宣布在63.98cm的鈣鈦礦光伏組件上實(shí)現(xiàn)了破世界記錄的20.5％的光電轉(zhuǎn)換效率，標(biāo)志著大面積鈣鈦礦光伏組件轉(zhuǎn)換效率突破20%大關(guān)。同時(shí)快馬加鞭推出無(wú)甲胺鈣鈦礦材料體系等三大創(chuàng)新技術(shù)，推進(jìn)了鈣鈦礦組件的穩(wěn)定性、高效率以及大面積制備的可實(shí)現(xiàn)性。
秀出“硬實(shí)力”后，同年10月，公司宣布完成2.2億元PRE-A輪融資，由碧桂園創(chuàng)投、九智資本聯(lián)合領(lǐng)投，建銀國(guó)際、云林基金跟投，控股股東穩(wěn)晟科技追加投資，該公司由魏建軍直接控制，持股比例99%。
在資本助力下，極電光能的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展神速。12月8日，公司150MW鈣鈦礦光伏生產(chǎn)線正式投產(chǎn)運(yùn)行。這條產(chǎn)線于去年四季度啟動(dòng)建設(shè)，總投資超2億元。
今年8月，極電光能全球總部及鈣鈦礦創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)基地項(xiàng)目正式簽約落戶錫山。計(jì)劃投資30億元建設(shè)全球首條GW級(jí)鈣鈦礦光伏組件及BIPV產(chǎn)品生產(chǎn)線、100噸鈣鈦礦量子點(diǎn)生產(chǎn)線、全球創(chuàng)新中心及總部大樓，預(yù)計(jì)年產(chǎn)值25億元。
據(jù)極電光能的規(guī)劃，預(yù)計(jì)將在2023年底或2024年上半年投入鈣鈦礦太陽(yáng)電池第一條GW級(jí)產(chǎn)線，2026年預(yù)計(jì)產(chǎn)能擴(kuò)大到6GW。
通過(guò)拆解魏建軍的投資版圖可以看到，極電光能只是其中一環(huán)。旗下已孵化出未勢(shì)能源、毫末智行、蜂巢能源、蜂巢易創(chuàng)等多個(gè)獨(dú)角獸項(xiàng)目，遍及氫能、光伏、自動(dòng)駕駛、鋰電池、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域。
其中，“動(dòng)力電池黑馬”蜂巢能源已走到上市的關(guān)口，擬募資150億元；專攻氫能及燃料電池的未勢(shì)能源也正式完成5.55億元B輪融資，逐漸搭起橫跨新能源產(chǎn)業(yè)鏈的“綠色長(zhǎng)城”。
為什么是鈣鈦礦
車企進(jìn)軍光伏領(lǐng)域并不罕見。早在2008年，比亞迪就扎進(jìn)了光伏行業(yè)，從硅料、硅片、電池片、組件等全產(chǎn)業(yè)鏈，到今年10月推出戶用光伏解決方案，進(jìn)軍戶用光伏市場(chǎng)。
在電池環(huán)節(jié)從P型向N型過(guò)渡的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，多家光伏跨界者也紛紛瞄準(zhǔn)了高效電池，譬如乳期皇氏集團(tuán)、玩具商沐邦高科選擇了TOPCon路線，“拖鞋大王”寶峰時(shí)尚、海上風(fēng)電明星企業(yè)明陽(yáng)智能、金鋼玻璃等則“相中”異質(zhì)結(jié)。
不過(guò)，無(wú)論是哪種路線，本質(zhì)上都是以硅為襯底，在單晶硅這條技術(shù)路線上“做加法”。正如前文所述，晶硅電池目前理論轉(zhuǎn)化峰值為29.4%，隆基的硅異質(zhì)結(jié)電池轉(zhuǎn)換效率已達(dá)26.81%，正無(wú)限接近光電轉(zhuǎn)化效率的天花板。
但鈣鈦礦的上限卻還要高出很多。廣發(fā)證券援引scientific report結(jié)果，雙結(jié)疊層電池理論極限光電轉(zhuǎn)換效率在45%左右，三結(jié)疊層電池理論極限光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)49%。
除了“效率”方面的碾壓，鈣鈦礦更簡(jiǎn)化的生產(chǎn)步驟和更低的生產(chǎn)成本也是引起資本關(guān)注的重要因素。
據(jù)了解，與需要1400℃高溫才能熔化拉晶的硅料相比，鈣鈦礦只需短暫低溫退火即可得到超平整致密的鈣鈦礦薄膜，工藝溫度最高不會(huì)超過(guò)120度，能耗遠(yuǎn)低于晶硅電池。
此外，硅料在近兩年成為掣肘光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最主要因素之一，據(jù)索比咨詢計(jì)算，在其他條件不變的情況下，硅料每上漲1萬(wàn)元/噸，電池片與組件端成本平均上漲0.03元/瓦。但鈣鈦礦本身不需要硅料，制作金屬鹵化物鈣鈦礦所使用的主要是碳、氫、氮、鉛和碘等幾種常見元素，儲(chǔ)備豐富。
“鈣鈦礦太陽(yáng)能電池具有光吸收系數(shù)高和載流子遷移率高，載流子擴(kuò)散距離長(zhǎng)、帶隙靈活可調(diào)并且制備工藝簡(jiǎn)單，原材料成本相對(duì)低廉等優(yōu)勢(shì)?！睋?jù)廣發(fā)證券測(cè)算，從上游硅料到下游組件，1GW產(chǎn)能投資大約需要接近10億元的投資規(guī)模，但鈣鈦礦達(dá)到一定成熟度后，1GW產(chǎn)能投資約5億元左右，約為晶硅的50%。
同時(shí)，鈣鈦礦電池的制造工藝流程較短。協(xié)鑫光電董事長(zhǎng)范斌曾對(duì)媒體透露，鈣鈦礦所有的工藝流程都可以在一個(gè)工廠里面進(jìn)行，從原材料到組件只要45分鐘。而對(duì)于晶硅來(lái)說(shuō)，從一塊硅料到最終生產(chǎn)出組件最快也需要三天左右的時(shí)間。
“鈣鈦礦應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)5-6毛錢左右的組件成本，這個(gè)組件成本大概會(huì)比晶硅的成本下限還能夠低40%-50%?！?/p>
在下游應(yīng)用方面，鈣鈦礦在BIPV領(lǐng)域也有超越晶硅組件的優(yōu)勢(shì)。
據(jù)于振瑞介紹，鈣鈦礦光伏組件具有顏值高，顏色可調(diào)節(jié)，可以做自然半透等優(yōu)勢(shì)，這是晶硅與其它薄膜光伏組件不能比擬的，所以它的應(yīng)用范圍非常廣；另外，鈣鈦礦光伏組件還可以做成柔性組件，是可穿戴和移動(dòng)光伏電源的最優(yōu)選擇。
中信建投也在研報(bào)中肯定了這一觀點(diǎn)。稱“BIPV領(lǐng)域或是鈣鈦礦電池首先覆蓋應(yīng)用市場(chǎng)，總市場(chǎng)規(guī)模超千億?？紤]鈣鈦礦電池組件在BIPV領(lǐng)域的滲透提升，2022-2025年鈣鈦礦電池BIPV領(lǐng)域潛在裝機(jī)需求預(yù)計(jì)76.2GW”。
商業(yè)化前夜？
雖然鈣鈦礦作為光伏電池材料的研究已有十幾年的歷史，但始終未在業(yè)內(nèi)掀起太大的浪花。直到今年6月，以投資眼光著稱的高瓴資本發(fā)布了一篇名為《鈣鈦礦：技術(shù)驅(qū)動(dòng)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展》的文章，文中提及鈣鈦礦被認(rèn)為是極具潛力的下一代光伏材料。
除了資本層面的關(guān)注，國(guó)內(nèi)圍繞鈣鈦礦領(lǐng)域的政策文件、產(chǎn)業(yè)落地也更為活躍。
例如，4月份印發(fā)的《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》，指出支持高效鈣鈦礦電池制備與產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)
6月1日，國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局等九部門發(fā)布《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》，強(qiáng)調(diào)“要掌握鈣鈦礦等新一代高效低成本光伏電池制備及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)”。
8月18日，科技部等九部門印發(fā)《科技支撐碳達(dá)峰碳中和實(shí)施方案(2022—2030年)》，提出到2030年，進(jìn)一步研究突破一批碳中和前沿和顛覆性技術(shù)，研發(fā)高效硅基光伏電池、高效穩(wěn)定鈣鈦礦電池等技術(shù)。
產(chǎn)業(yè)進(jìn)展方面，較早布局鈣鈦礦的協(xié)鑫光電、纖納光電均已建成100MW產(chǎn)線。今年5月，纖納光電鈣鈦礦組件α全球首發(fā)，該組件采用纖納獨(dú)立開發(fā)的溶液打印技術(shù)，可進(jìn)行12年產(chǎn)品材料與工藝質(zhì)保，25年線性功率輸出質(zhì)保；兩個(gè)月后，5000片α組件從浙江衢州發(fā)出，將用于浙江省內(nèi)工商業(yè)分布式鈣鈦礦電站，率先邁出商業(yè)化步伐。
12月中旬，協(xié)鑫光電宣布完成5億元人民幣B+輪融資，刷新了鈣鈦礦領(lǐng)域的單輪融資規(guī)模，將用于完善協(xié)鑫光電100MW大尺寸鈣鈦礦組件產(chǎn)線的工藝和設(shè)備開發(fā)。
資方亦是星光熠熠，淡馬錫投資、紅杉中國(guó)、IDG資本三家聯(lián)合領(lǐng)投，川流投資等機(jī)構(gòu)跟投，大股東協(xié)鑫科技持續(xù)加碼。而在此之前，協(xié)鑫光電已獲得道達(dá)爾能源、寧德時(shí)代、騰訊的青睞。
上游的“賣鏟子”的設(shè)備商似乎也已做好了隨時(shí)商業(yè)化的準(zhǔn)備。
鈣鈦礦電池主要包括鍍膜、刻蝕、封裝是三大核心工藝，涉及PVD設(shè)備、涂布設(shè)備和激光設(shè)備。
邁為股份在投資者交流活動(dòng)中曾表示，大部分HJT的鍍膜設(shè)備都能用在HJT-鈣鈦礦疊層上，技術(shù)路徑更為接近。同時(shí)，鈣鈦礦疊層電池均需要使用TCO和低溫銀漿，也都需要用到板式設(shè)備，所以HJT更為適合與鈣鈦礦制備疊層電池。
包括眾能光電、捷佳偉創(chuàng)、晟成光電（京山輕機(jī)子公司）、邁為股份、帝爾激光等積極布局鈣鈦礦電池設(shè)備研發(fā)。
7月，捷佳偉創(chuàng)鈣鈦礦電池“立式反應(yīng)式等離子體鍍膜設(shè)備”（RPD）通過(guò)廠內(nèi)驗(yàn)收，中標(biāo)了某頭部光伏企業(yè)的鈣鈦礦電池蒸鍍?cè)O(shè)備項(xiàng)目；邁為股份的單結(jié)鈣鈦礦電池激光設(shè)備已交付；京山輕機(jī)近期接受投資者調(diào)研時(shí)稱，公司在鈣鈦礦領(lǐng)域布局了核心的鍍膜設(shè)備，還能夠提供產(chǎn)線上的玻璃清洗機(jī)、鈣鈦礦干燥設(shè)備、組件封裝設(shè)備等。
圖片來(lái)源：天風(fēng)證券研報(bào)
業(yè)內(nèi)認(rèn)為，鈣鈦礦電池走到了商業(yè)化的前夜。也正是在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)，多家上市公司聞風(fēng)而至。
11月18日，OLED有機(jī)材料與應(yīng)用部件龍頭奧來(lái)德（688378.SH）公告，將使用超募資金投資建設(shè)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)型太陽(yáng)能電池蒸鍍?cè)O(shè)備的開發(fā)項(xiàng)目，以及低成本有機(jī)鈣鈦礦載流子傳輸材料和長(zhǎng)壽命器件開發(fā)項(xiàng)目，投資額分別為2900萬(wàn)元和2000萬(wàn)元。
12月9日晚間，汽車零部件制造商奧聯(lián)電子宣布進(jìn)軍鈣鈦礦，將與自然人胥明軍共同設(shè)立合資公司奧聯(lián)光能，從事鈣鈦礦太陽(yáng)能電池及其制備裝備的研發(fā)、生產(chǎn)、制備、銷售等。在該合資公司5000萬(wàn)的注冊(cè)資本中，奧聯(lián)投資以貨幣方式出資4750萬(wàn)元，占比95%。
奧聯(lián)電子表示，后續(xù)計(jì)劃2023年50MW鈣鈦礦中試線投產(chǎn)，2024年600MW鈣鈦礦裝備和120MW鈣鈦礦電池組件生產(chǎn)線投產(chǎn)，力爭(zhēng)5年內(nèi)形成8GW鈣鈦礦裝備和2GW鈣鈦礦電池組件生產(chǎn)能力。
趨勢(shì)or故事？
盡管政策頻頻發(fā)力，各界資本也對(duì)鈣鈦礦表示出濃厚的興趣，但新興事物的興起與發(fā)展的過(guò)程中總會(huì)伴隨各種探究和質(zhì)疑的聲音，鈣鈦礦也不例外。
財(cái)經(jīng)網(wǎng)向某光伏行業(yè)分析師咨詢鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展，該人士回應(yīng)稱，對(duì)該領(lǐng)域暫未有深入了解。另有光伏產(chǎn)業(yè)人士表示，鈣鈦礦沒(méi)有大家想象得那么快?！熬嚯x真正落地還有很長(zhǎng)的路要走，資本市場(chǎng)還是以講故事為主?！?/p>
在《財(cái)經(jīng)》年會(huì)2023上，中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院原院長(zhǎng)白春禮白春禮也提及鈣鈦礦電池，稱其是電化學(xué)儲(chǔ)能的新方向，具有吸光能力強(qiáng)、低成本和易制備、弱光效率高等優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，但存在穩(wěn)定性較差和大面積應(yīng)用時(shí)的效率損失兩個(gè)短板，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。
由于鈣鈦礦2009年才應(yīng)用于光伏電池領(lǐng)域，其實(shí)際使用壽命仍然“成迷”。
開源證券指出，部分公司測(cè)試鈣鈦礦電池組件可穩(wěn)定使用超過(guò)25年，但在實(shí)際商業(yè)化應(yīng)用的場(chǎng)景中具體使用壽命如何，可能還需更多時(shí)間去進(jìn)一步驗(yàn)證。
范斌認(rèn)為，鈣鈦礦的缺點(diǎn)就是它還沒(méi)有量產(chǎn)。因?yàn)闆](méi)有量產(chǎn)，所以在工藝上會(huì)有很多不確定性，其中最大的不確定性其實(shí)在于結(jié)晶的控制，因?yàn)榻Y(jié)晶的控制這個(gè)環(huán)節(jié)在其他行業(yè)里面找不到對(duì)應(yīng)的設(shè)備，所以就意味著所有從事鈣鈦礦量產(chǎn)開發(fā)的企業(yè)都必須自己開發(fā)出對(duì)應(yīng)的結(jié)晶的方案。
據(jù)天風(fēng)證券統(tǒng)計(jì)，2022年鈣鈦礦組件產(chǎn)能約為0.87GW，2023年產(chǎn)能則有望超過(guò)1GW。
另外，掣肘光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的硅料價(jià)格已松動(dòng)，聯(lián)動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈價(jià)格一路下滑。據(jù)中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)硅業(yè)分會(huì)12月21日發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，硅片價(jià)格呈現(xiàn)熔斷式下跌。其中，M10單晶硅片(182 mm /150μm)價(jià)格周環(huán)比跌幅20%。
阿特斯陽(yáng)光電力高級(jí)副總裁張光春表示，“在光伏發(fā)電里面不論做什么樣的技術(shù)、生產(chǎn)什么樣的產(chǎn)品，但是萬(wàn)變不離其宗，就是最后的度電成本，發(fā)一度電到底花了多少錢?！痹谒磥?lái)，如果度電成本上沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力，任何技術(shù)和產(chǎn)品都很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。
可以預(yù)見的是，隨著硅料、硅片價(jià)格走低，晶硅電池及組件的度電成本有望進(jìn)一步下降，鈣鈦礦在短期內(nèi)恐難具備與其分庭抗禮的實(shí)力，因此產(chǎn)業(yè)界也將更多目光放在鈣鈦礦與晶硅疊層路線上。
據(jù)科技日?qǐng)?bào)報(bào)道，晶硅鈣鈦礦串聯(lián)電池光電效率已來(lái)到32.5%，這一世界紀(jì)錄由德國(guó)HZB研究中心創(chuàng)造。
李璐/文
