提升太陽能利用效率，是光伏產(chǎn)業(yè)永恒的課題。
2015年起，隆基率先將傳統(tǒng)的砂漿切割技術切換為金剛石線切割，從而將轉換效率更高的單晶產(chǎn)品推向市場，逐漸奠定其單晶王者的地位。
(資料圖片僅供參考)
電池轉換效率為什么如此重要？光伏電池轉換效率與度電成本關系密切，有數(shù)據(jù)測算，在20%轉換效率的基礎上，每提高一個百分點，可為下游電站節(jié)約5%以上的成本。
也正因此，近年來，頭部企業(yè)似乎不知疲倦的著力提高光伏電池轉換效率。最新世界記錄由隆基綠能所創(chuàng)造，其硅異質結電池轉換效率達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“質子”鎖死一般，在現(xiàn)有技術下，晶硅電池轉換效率的上限，被牢牢鎖定在29.43%?，F(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，成為資本熱捧的明星。據(jù)不完全統(tǒng)計，近兩年鈣鈦礦領域投資額已近百億。資本的看好，與鈣鈦礦電池技術所取得的商業(yè)化突破成正相關。
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能企業(yè)，董事長李河君一度成為中國首富。但是薄膜發(fā)電，跟晶硅發(fā)電相比，存在一個問題，那就是薄膜發(fā)電會突然衰減。據(jù)說這個問題現(xiàn)在已經(jīng)得到解決，所以鈣鈦礦開始興起。
去年以來，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，同時具備BIPV產(chǎn)品和標準組件的生產(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，德國礦物學家古斯塔夫·羅斯探索俄羅斯烏拉爾山脈時發(fā)現(xiàn)了一種天然礦物，他將這種化學式為CaTiO3（鈦酸鈣）的天然晶體命名為“鈣鈦礦”。
經(jīng)過多年發(fā)展，與鈦酸鈣有著相同或者類似晶體結構的材料被統(tǒng)稱為鈣鈦礦。劍橋大學物理學家山姆·斯特蘭克斯曾贊譽其優(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光”。
2009年，日本桐蔭橫大學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%的鈣鈦礦太陽能電池，由此開啟了世界范圍內學者對提高其轉換效率的研究。
12年后的2021年，單結鈣鈦礦電池最高效率已達到25.7%，接近單晶硅光伏電池實驗室最高效率。要知道晶硅電池達到如今的轉換效率，用時將近40年。
在一眾頂尖實驗室將目光錨定至鈣鈦礦的同時，2017年，長城汽車的掌門人魏建軍找到“光伏老兵”于振瑞，希望找到一個切入光伏市場的好項目。
當時，國內分布式光伏發(fā)展如火如荼，組件、硅片的全球產(chǎn)能占比已超過70%。在晶硅電池技術領域，PERC電池已有內卷趨勢，N型電池技術仍前景不明，于振瑞“押寶”似的選擇了作為第三代光伏電池技術的鈣鈦礦。他說服中科院材料學博士邵君與澳洲回國博士鄭策，組建了極電光能早期的核心技術團隊。
以“量產(chǎn)”作為目標的極電光能，產(chǎn)業(yè)動作也相當之快。據(jù)其官網(wǎng)介紹，公司起源于長城控股集團，2018年開始鈣鈦礦技術研發(fā)，2020年4月落地無錫。
2021年5月，極電宣布在63.98cm的鈣鈦礦光伏組件上實現(xiàn)了破世界記錄的20.5％的光電轉換效率，標志著大面積鈣鈦礦光伏組件轉換效率突破20%大關。同時快馬加鞭推出無甲胺鈣鈦礦材料體系等三大創(chuàng)新技術，推進了鈣鈦礦組件的穩(wěn)定性、高效率以及大面積制備的可實現(xiàn)性。
秀出“硬實力”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)合領投，建銀國際、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)運行。這條產(chǎn)線于去年四季度啟動建設，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)基地項目正式簽約落戶錫山。計劃投資30億元建設全球首條GW級鈣鈦礦光伏組件及BIPV產(chǎn)品生產(chǎn)線、100噸鈣鈦礦量子點生產(chǎn)線、全球創(chuàng)新中心及總部大樓，預計年產(chǎn)值25億元。
據(jù)極電光能的規(guī)劃，預計將在2023年底或2024年上半年投入鈣鈦礦太陽電池第一條GW級產(chǎn)線，2026年預計產(chǎn)能擴大到6GW。
通過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)。旗下已孵化出未勢能源、毫末智行、蜂巢能源、蜂巢易創(chuàng)等多個獨角獸項目，遍及氫能、光伏、自動駕駛、鋰電池、汽車發(fā)動機等領域。
其中，“動力電池黑馬”蜂巢能源已走到上市的關口，擬募資150億元；專攻氫能及燃料電池的未勢能源也正式完成5.55億元B輪融資，逐漸搭起橫跨新能源產(chǎn)業(yè)鏈的“綠色長城”。
為什么是鈣鈦礦
車企進軍光伏領域并不罕見。早在2008年，比亞迪就扎進了光伏行業(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，進軍戶用光伏市場。
在電池環(huán)節(jié)從P型向N型過渡的關鍵節(jié)點，多家光伏跨界者也紛紛瞄準了高效電池，譬如乳期皇氏集團、玩具商沐邦高科選擇了TOPCon路線，“拖鞋大王”寶峰時尚、海上風電明星企業(yè)明陽智能、金鋼玻璃等則“相中”異質結。
不過，無論是哪種路線，本質上都是以硅為襯底，在單晶硅這條技術路線上“做加法”。正如前文所述，晶硅電池目前理論轉化峰值為29.4%，隆基的硅異質結電池轉換效率已達26.81%，正無限接近光電轉化效率的天花板。
但鈣鈦礦的上限卻還要高出很多。廣發(fā)證券援引scientific report結果，雙結疊層電池理論極限光電轉換效率在45%左右，三結疊層電池理論極限光電轉換效率可達49%。
除了“效率”方面的碾壓，鈣鈦礦更簡化的生產(chǎn)步驟和更低的生產(chǎn)成本也是引起資本關注的重要因素。
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，工藝溫度最高不會超過120度，能耗遠低于晶硅電池。
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)索比咨詢計算，在其他條件不變的情況下，硅料每上漲1萬元/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，儲備豐富。
“鈣鈦礦太陽能電池具有光吸收系數(shù)高和載流子遷移率高，載流子擴散距離長、帶隙靈活可調并且制備工藝簡單，原材料成本相對低廉等優(yōu)勢?！睋?jù)廣發(fā)證券測算，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，鈣鈦礦電池的制造工藝流程較短。協(xié)鑫光電董事長范斌曾對媒體透露，鈣鈦礦所有的工藝流程都可以在一個工廠里面進行，從原材料到組件只要45分鐘。而對于晶硅來說，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間。
“鈣鈦礦應該能夠實現(xiàn)5-6毛錢左右的組件成本，這個組件成本大概會比晶硅的成本下限還能夠低40%-50%?！?/p>
在下游應用方面，鈣鈦礦在BIPV領域也有超越晶硅組件的優(yōu)勢。
據(jù)于振瑞介紹，鈣鈦礦光伏組件具有顏值高，顏色可調節(jié)，可以做自然半透等優(yōu)勢，這是晶硅與其它薄膜光伏組件不能比擬的，所以它的應用范圍非常廣；另外，鈣鈦礦光伏組件還可以做成柔性組件，是可穿戴和移動光伏電源的最優(yōu)選擇。
中信建投也在研報中肯定了這一觀點。稱“BIPV領域或是鈣鈦礦電池首先覆蓋應用市場，總市場規(guī)模超千億?？紤]鈣鈦礦電池組件在BIPV領域的滲透提升，2022-2025年鈣鈦礦電池BIPV領域潛在裝機需求預計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：技術驅動光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展》的文章，文中提及鈣鈦礦被認為是極具潛力的下一代光伏材料。
除了資本層面的關注，國內圍繞鈣鈦礦領域的政策文件、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
6月1日，國家發(fā)改委、國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》，強調“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”。
8月18日，科技部等九部門印發(fā)《科技支撐碳達峰碳中和實施方案(2022—2030年)》，提出到2030年，進一步研究突破一批碳中和前沿和顛覆性技術，研發(fā)高效硅基光伏電池、高效穩(wěn)定鈣鈦礦電池等技術。
產(chǎn)業(yè)進展方面，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)，該組件采用纖納獨立開發(fā)的溶液打印技術，可進行12年產(chǎn)品材料與工藝質保，25年線性功率輸出質保；兩個月后，5000片α組件從浙江衢州發(fā)出，將用于浙江省內工商業(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)線的工藝和設備開發(fā)。
資方亦是星光熠熠，淡馬錫投資、紅杉中國、IDG資本三家聯(lián)合領投，川流投資等機構跟投，大股東協(xié)鑫科技持續(xù)加碼。而在此之前，協(xié)鑫光電已獲得道達爾能源、寧德時代、騰訊的青睞。
上游的“賣鏟子”的設備商似乎也已做好了隨時商業(yè)化的準備。
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設備、涂布設備和激光設備。
邁為股份在投資者交流活動中曾表示，大部分HJT的鍍膜設備都能用在HJT-鈣鈦礦疊層上，技術路徑更為接近。同時，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（京山輕機子公司）、邁為股份、帝爾激光等積極布局鈣鈦礦電池設備研發(fā)。
7月，捷佳偉創(chuàng)鈣鈦礦電池“立式反應式等離子體鍍膜設備”（RPD）通過廠內驗收，中標了某頭部光伏企業(yè)的鈣鈦礦電池蒸鍍設備項目；邁為股份的單結鈣鈦礦電池激光設備已交付；京山輕機近期接受投資者調研時稱，公司在鈣鈦礦領域布局了核心的鍍膜設備，還能夠提供產(chǎn)線上的玻璃清洗機、鈣鈦礦干燥設備、組件封裝設備等。
圖片來源：天風證券研報
業(yè)內認為，鈣鈦礦電池走到了商業(yè)化的前夜。也正是在這個時間點，多家上市公司聞風而至。
11月18日，OLED有機材料與應用部件龍頭奧來德（688378.SH）公告，將使用超募資金投資建設鈣鈦礦結構型太陽能電池蒸鍍設備的開發(fā)項目，以及低成本有機鈣鈦礦載流子傳輸材料和長壽命器件開發(fā)項目，投資額分別為2900萬元和2000萬元。
12月9日晚間，汽車零部件制造商奧聯(lián)電子宣布進軍鈣鈦礦，將與自然人胥明軍共同設立合資公司奧聯(lián)光能，從事鈣鈦礦太陽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5000萬的注冊資本中，奧聯(lián)投資以貨幣方式出資4750萬元，占比95%。
奧聯(lián)電子表示，后續(xù)計劃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5年內形成8GW鈣鈦礦裝備和2GW鈣鈦礦電池組件生產(chǎn)能力。
趨勢or故事？
盡管政策頻頻發(fā)力，各界資本也對鈣鈦礦表示出濃厚的興趣，但新興事物的興起與發(fā)展的過程中總會伴隨各種探究和質疑的聲音，鈣鈦礦也不例外。
財經(jīng)網(wǎng)向某光伏行業(yè)分析師咨詢鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)化進展，該人士回應稱，對該領域暫未有深入了解。另有光伏產(chǎn)業(yè)人士表示，鈣鈦礦沒有大家想象得那么快?！熬嚯x真正落地還有很長的路要走，資本市場還是以講故事為主。”
在《財經(jīng)》年會2023上，中國科學院院士、中國科學院原院長白春禮白春禮也提及鈣鈦礦電池，稱其是電化學儲能的新方向，具有吸光能力強、低成本和易制備、弱光效率高等優(yōu)勢和特點，但存在穩(wěn)定性較差和大面積應用時的效率損失兩個短板，成為當前研究的熱點之一。
由于鈣鈦礦2009年才應用于光伏電池領域，其實際使用壽命仍然“成迷”。
開源證券指出，部分公司測試鈣鈦礦電池組件可穩(wěn)定使用超過25年，但在實際商業(yè)化應用的場景中具體使用壽命如何，可能還需更多時間去進一步驗證。
范斌認為，鈣鈦礦的缺點就是它還沒有量產(chǎn)。因為沒有量產(chǎn)，所以在工藝上會有很多不確定性，其中最大的不確定性其實在于結晶的控制，因為結晶的控制這個環(huán)節(jié)在其他行業(yè)里面找不到對應的設備，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)出對應的結晶的方案。
據(jù)天風證券統(tǒng)計，2022年鈣鈦礦組件產(chǎn)能約為0.87GW，2023年產(chǎn)能則有望超過1GW。
另外，掣肘光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的硅料價格已松動，聯(lián)動產(chǎn)業(yè)鏈價格一路下滑。據(jù)中國有色金屬工業(yè)協(xié)會硅業(yè)分會12月21日發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，硅片價格呈現(xiàn)熔斷式下跌。其中，M10單晶硅片(182 mm /150μm)價格周環(huán)比跌幅20%。
阿特斯陽光電力高級副總裁張光春表示，“在光伏發(fā)電里面不論做什么樣的技術、生產(chǎn)什么樣的產(chǎn)品，但是萬變不離其宗，就是最后的度電成本，發(fā)一度電到底花了多少錢。”在他看來，如果度電成本上沒有競爭力，任何技術和產(chǎn)品都很難實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。
可以預見的是，隨著硅料、硅片價格走低，晶硅電池及組件的度電成本有望進一步下降，鈣鈦礦在短期內恐難具備與其分庭抗禮的實力，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)科技日報報道，晶硅鈣鈦礦串聯(lián)電池光電效率已來到32.5%，這一世界紀錄由德國HZB研究中心創(chuàng)造。
李璐/文
