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鈣鈦礦與傳統(tǒng)晶硅路線對比
位于浙江衢州的全球首款鈣鈦礦商用組件α示范電站 郭晨凱 制圖
鈣鈦礦用了不到十年的時間走完了晶硅過去四五十年走的路
鈣鈦礦，這個有點拗口的名字在2022年的資本市場聲名鵲起。
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）》，提出研發(fā)高效硅基光伏電池、高效穩(wěn)定鈣鈦礦電池等技術，再次將鈣鈦礦這一新技術推至聚光燈下。
“其實《‘十四五’能源領域科技創(chuàng)新規(guī)劃》里已經(jīng)有‘發(fā)展鈣鈦礦等先進光伏技術’這類的表述，對鈣鈦礦的共識去年底就有了。”鈣鈦礦電池企業(yè)協(xié)鑫光電董事長范斌告訴上海證券報記者。
不同于字面意思，作為光伏材料的鈣鈦礦，實際是指與鈣鈦礦(CaTiO3)晶體結構類似的一大類化合物。因其更高的理論效率、更低的可期成本，而被視為下一代光伏路線可能選擇的“終極答案”。
以10年時間，走完晶硅半個世紀發(fā)展之路。當2013年美國《科學》雜志將鈣鈦礦評為年度十大科學突破，在彼時仍由晶硅完全“統(tǒng)治”的光伏世界中，鈣鈦礦還在實驗室里力證自己在光電效應上的巨大潛力。
而從“無名之輩”到“明日之星”，鈣鈦礦的轉化效率也從最初的3.8%，躍升至如今鈣鈦礦-疊層電池31.3%的最新理論數(shù)據(jù)。這段“成名”之旅，始終伴隨著鈣鈦礦技術上限的不斷突破和產(chǎn)業(yè)化的逐步落地。
與此同時，在這條以“降本增效”為導向的賽道上，越來越多“追光者”陸續(xù)入場。隆基、晶科、天合、凱輝、寧德、騰訊等一眾行業(yè)龍頭、創(chuàng)投基金和產(chǎn)業(yè)資本紛紛布局鈣鈦礦，搶灘未來技術。
然而，技術日趨成熟、資本爭相競逐的攪動下，鈣鈦礦也面臨著愈發(fā)急迫的商業(yè)化難題。穩(wěn)定性、大尺寸的技術瓶頸怎么破？行業(yè)標準由誰制定、如何制定？產(chǎn)業(yè)鏈距離大規(guī)模爆發(fā)到底還有多遠？誰會是最先“跑出來”的那匹“賽馬”？一系列問題被擺在這個“光伏新星”的面前，而黎明前的“押注”亦考驗著市場的洞見與定力。
資本市場“春江水暖”
春江水暖鴨先知。相較于二級市場“聞風而動”，一級市場則更早嗅到了未來技術的行進氣息。
“得鈣鈦礦者得‘漲聲’。”此言之于2022年的資本市場毫不夸張。截至8月18日的一個月間，Choice“鈣鈦礦電池”指數(shù)漲幅達24.30%，跑贏大盤。京山輕機、金晶科技、杭蕭鋼構等概念股持續(xù)大漲。8月至今，就有協(xié)鑫集成、特變電工、瑞泰新材等十余家上市公司在互動平臺上被問及是否涉足鈣鈦礦業(yè)務。
不過，一位深耕鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)投機構合伙人告訴記者，國內目前主要的鈣鈦礦鏈上的優(yōu)勢企業(yè)大多還沒上市，比如纖納光電、協(xié)鑫光電、仁爍光能、極電光能、萬度光能、華能新能源等，各家中試線計劃基本集中在今明兩年安裝完成，規(guī)模都在100MW—200MW之間，組件尺寸主要為1.2mx0.6m或相近尺寸。
率先在量產(chǎn)道路上邁出切實步伐的，當屬纖納光電和協(xié)鑫光電兩家企業(yè)。7月28日，纖納光電宣布，將首批5000件α組件（最高功率130W，尺寸1.245mx0.635m）發(fā)往浙江省工商業(yè)分布式鈣鈦礦電站，率先實現(xiàn)了鈣鈦礦光伏應用。
協(xié)鑫光電創(chuàng)始人、董事長范斌昨日告訴記者，公司100MW中試線（尺寸1mx2m）已經(jīng)在運行，計劃今年效率達到16%，2023年達到18%。
“主攻”疊層鈣鈦礦組件的仁爍光能，成為在這一技術路線上走得最遠的公司。顧名思義，“疊層鈣鈦礦”即將兩層鈣鈦礦疊加在一起，從而使得組件效率實現(xiàn)最大化。與此同時，天合光能正在研發(fā)晶硅上疊鈣鈦礦，而更多廠商研發(fā)的項目仍以單結（即單層鈣鈦礦面板）為主。
對于為何“獨辟蹊徑”，仁爍光能一位高管對記者解釋道：“我們認為鈣鈦礦疊鈣鈦礦將是鈣鈦礦面板的最終方案，因為它的轉化效率最高，并且疊層技術向下兼容單結，無須再單獨研發(fā)單結技術即可生產(chǎn)單結。”
而在技術分野背后，既是創(chuàng)業(yè)公司競速量產(chǎn)的路線抉擇，也包含了風險投資人錨定“陪跑對象”的深層邏輯。協(xié)鑫光電2年來已完成5輪融資，最近一次的B輪融資在今年5月完成。范斌告訴記者，投資方包括騰訊、寧德時代、凱輝等明星機構。再如，纖納光電亦在2015—2021年間獲得了5輪投資，投資方包括三峽資本、三峽能源、京能集團、招銀國際、杭開集團等。
此外，A股多家新能源龍頭也紛紛出手鈣鈦礦。如寧德時代董事長曾毓群在近期召開的業(yè)績說明會上表示：“公司鈣鈦礦電池研究進展非常順利，正在搭建中試線。”
應用領域“開疆拓土”
如果說在轉化效率上的更高上限，是鈣鈦礦闖蕩光伏領域的立足之地；那么在應用領域上的更多可能，則是鈣鈦礦打開市場的傍身之技。
鈣鈦礦材料自涉足太陽能電池領域之初，便將目光牢牢鎖定晶硅轉化效率的“天花板”，開啟一場“效率革命”。
在過去相當長一段時間里，晶硅光伏電池都是成本和效率極佳的統(tǒng)一體。相伴而生的，是天然礦物轉化太陽能效率的局限性。29.43%的理論極限值，成為晶硅材料“一眼到頭”的屏障。事實上，自2017年以來，晶硅的實驗室效率就一直在26.7%“原地踏步”，未再實現(xiàn)新的突破。
與之形成鮮明對比，鈣鈦礦則走出了“最陡峭的成長曲線”。2009年，日本科學家首次用鈣鈦礦光伏電池發(fā)電，當時其電能轉換效率僅有3.8%。僅僅過去13年，今天鈣鈦礦電池的實驗室效率就已基本追平了晶硅60多年發(fā)展才達到的結果，達到了25.7%。而且，鈣鈦礦電池的單層理論效率達33%，雙層可達45%以上，具有比晶硅更高的提升空間。
業(yè)內人士向記者介紹，鈣鈦礦電池的開發(fā)速度之所以比晶硅快得多，是因為它不單指一種物質，而是多種化合物的混合。這些化合物所吸收光的波長都集中在光電轉化效率最高的波長（1.4eV）附近。通過調整這些化合物的組合，電池效率可以不斷提升。相比之下，晶硅不僅吸收波長的光電轉化效率偏低，而且是單一物質，無法調節(jié)。
采訪中，纖納光電CTO顏步一抄起一瓶像墨水一樣的東西向記者介紹：“這就是用來做鈣鈦礦電池的原料。生產(chǎn)鈣鈦礦電池薄膜的過程類似于報紙打印，我們把‘墨水’涂在基板的表面，最后再涂覆一層隔水隔油的材料，蓋上基板即完成生產(chǎn)。”
這樣的工藝特性，也賦予了鈣鈦礦電池更為豐富的應用場景。鈣鈦礦材料不僅可以簡單地印刷在玻璃表面，制備玻璃基底的太陽能電池，還可以印刷在其他材料，比如輕薄柔軟的塑料或者窗簾表面。具備大尺度彎曲能力的電池，還可以將自己的應用場景延伸至我們隨身的電子設備、日用家電智能設備以及光伏建筑一體化等。
顏步一得意地說：“鈣鈦礦還可以制成彩色和半透明薄膜，從而實現(xiàn)不同的彩色效果。這些都是晶硅材料完全無法涉足的新領域。”
同樣看好鈣鈦礦技術的未來，金剛玻璃總經(jīng)理嚴春來提出，要把玻璃的光能價值回用于玻璃的應用場所，即在BIPV（光伏建筑一體化）+BAPV（屋頂光伏）+BTPV（建筑光伏應用）等領域大顯身手。
產(chǎn)業(yè)鏈蓄勢待發(fā)
作為關鍵環(huán)節(jié)的涂布及PVD，成為設備廠商的“必爭之地”。傳統(tǒng)設備廠商亦紛紛發(fā)力。
增效的同時，降本是關鍵。談及這點，專注于投資鈣鈦礦的中財鼎晟合伙人很是興奮，他站起來在白板上奮筆疾書：“硅料廠——高，硅片廠——高，電池廠——高。晶硅光伏每一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)都是高耗能！”接著，他將這些環(huán)節(jié)劃上斜線，并在下面畫了一個方框，一個箭頭進、一個箭頭出，“鈣鈦礦，就這一個流程！”
具體制備流程上，鈣鈦礦溶液先在實驗室的瓶瓶罐罐里合成后，被送至生產(chǎn)線；帶有正電極的玻璃經(jīng)過自動化清洗后，進行第一道真空鍍膜、激光劃線；涂布鈣鈦礦之后結晶，再以激光刻出第二道槽，實現(xiàn)串聯(lián)；真空鍍上背電極（PVD）后，開始第三道激光劃線；第四道激光清邊，完成后裝背板，加熱之間的膠膜，使玻璃與前述材料粘在一起。
一個前后玻璃、中間夾有鈣鈦礦和電極的組件由此誕生。顯而易見，鈣鈦礦“電池即組件”的模式極大簡化了其生產(chǎn)流程。而涂布和PVD工藝的應用，也讓鈣鈦礦太陽能電池的生產(chǎn)制造更接近于面板行業(yè)。
作為關鍵環(huán)節(jié)的涂布及PVD，成為設備廠商的“必爭之地”。在該環(huán)節(jié)頗具領先優(yōu)勢的德滬涂膜日前宣布，公司開發(fā)的用于大面積鈣鈦礦太陽能面板制造核心涂膜設備系統(tǒng)驗收成功，可直接對標世界前列的德日韓狹縫涂布設備。
激光設備在鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)鏈中也頗為重要。專注于激光設備研發(fā)生產(chǎn)的科創(chuàng)板公司杰普特已悄然布局這一新興賽道。公司負責核心光源開發(fā)的張楠對記者說：“我們很看好光伏等清潔能源賽道，針對鈣鈦礦行業(yè)，團隊早期開發(fā)了柔性鈣鈦礦模切設備。鈣鈦礦光伏電池片制造企業(yè)因為產(chǎn)品結構和材料不同，其對激光設備的要求也稍有不同，有至少4個環(huán)節(jié)用到激光技術。”2021年，該公司為江蘇大正微納科技定制的首套柔性鈣鈦礦模切設備通過驗收并正式投入使用。
傳統(tǒng)設備廠商亦紛紛發(fā)力，不少設備工藝進入驗證階段，或已開展中試線，承接小批訂單。如邁為股份主攻鈣鈦礦層印刷，真空鍍膜，相關定制激光設備已經(jīng)交付。京山輕機子公司晟成光伏選擇與協(xié)鑫光電合作建設電池及組件生產(chǎn)線。此外，東方日升、通威股份、晶科能源、中來股份等光伏“業(yè)內人”也開始大力開展設備自研、設備改造及技術驗證等。
產(chǎn)業(yè)化道阻且長
鈣鈦礦走向更廣闊的市場，仍要越過實驗室到生產(chǎn)線的“鴻溝”。
從產(chǎn)能投資看，1GW產(chǎn)能的晶硅太陽能電池需要接近10億元投資規(guī)模，而業(yè)內預測，成熟期的鈣鈦礦成本只需它的二分之一。原材料方面，鈣鈦礦原料較為常見，沒有瓶頸，用量也少；純度要求上，硅料純度需達到99.9999%以上，但鈣鈦礦只需要95%即可滿足使用需求；能耗方面，每1瓦單晶組件制造的能耗約為1.52kWh，而鈣鈦礦組件能耗僅為0.12kWh……
然而，縱有“千好萬好”，鈣鈦礦走向更廣闊的市場，仍要越過實驗室到生產(chǎn)線的“鴻溝”。
“工藝與配方并重。”一位接受記者采訪的鈣鈦礦企業(yè)高層戲稱，“做鈣鈦礦就像炒菜，你加一樣的料，用一樣的鍋，但每個人炒出來的味道就是不一樣。”
也并非拿到好的設備就能保證生產(chǎn)出好的電池。鈣鈦礦溶液的配比、設備調試的細節(jié)，既是各家公司的“秘鑰”，也是行業(yè)的共同課題。由于技術發(fā)展時間短，工藝還不像晶硅那樣成熟，鈣鈦礦的產(chǎn)線設計沒有現(xiàn)成模板，都需要創(chuàng)業(yè)公司“從0到1”，摸著石頭過河。
如何將鈣鈦礦層均勻地涂抹于設備表面？如何突破鈣鈦礦易氧化、不耐高溫、衰減率高、壽命短等技術瓶頸？“這個過程肯定不是一蹴而就的。”對此，顏步一給出的解法是，“反復嘗試。我們通過不斷引入高性能的界面修飾材料，來提高商業(yè)化鈣鈦礦模組的效率與穩(wěn)定性。”
此外，行業(yè)標準空缺也是鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)發(fā)展亟待解決的問題之一。“晶硅的內部體系和鈣鈦礦的顯然不一樣，所以不能簡單套用晶硅的標準來測試鈣鈦礦。如果標準沒定下來，怎么知道如何可以應用呢？”仁爍光能高管表示。范斌認為業(yè)界對此確實存在爭議，目前普遍做法是沿用晶硅的IEC 61215標準。
對于設備廠商來說，張楠直言：“2021年被認為是鈣鈦礦光伏電池片產(chǎn)業(yè)的元年，而鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)真正大行其道，可能還需數(shù)年培育。目前比較受關注的是大尺寸的光電轉換效率及壽命問題。需要看到更多的量產(chǎn)來驗證。”
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）
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