在當(dāng)今能源轉(zhuǎn)型的時(shí)代浪潮中,太陽(yáng)能作為一種清潔、可再生的能源,其開(kāi)發(fā)和利用技術(shù)不斷推陳出新。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池,作為第三代薄膜電池的代表,正以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和巨大的潛力,吸引著眾多科研人員和投資者的目光,逐漸成為太陽(yáng)能領(lǐng)域的一顆璀璨新星。
一、鈣鈦礦太陽(yáng)能電池市場(chǎng)空間
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是利用鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料作為吸光材料的新型太陽(yáng)能電池。它主要包括單結(jié)鈣鈦礦電池和鈣鈦礦疊層電池兩種類(lèi)型。鈣鈦礦材料獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)使其具備出色的光吸收性能,能夠高效地將光能轉(zhuǎn)化為電能。
與傳統(tǒng)的晶硅電池相比,鈣鈦礦電池具有顯著的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前,晶硅電池的效率逐漸接近其 29.4%的理論效率極限,而鈣鈦礦單結(jié)電池的理論效率極限高達(dá) 33.7%,全鈣鈦礦疊層電池的理論效率極限更是可達(dá) 44%。目前,晶硅-鈣鈦礦疊層電池的實(shí)驗(yàn)室效率已達(dá)到 33.9%,隨著工藝技術(shù)的不斷突破,鈣鈦礦電池有望進(jìn)一步突破光電轉(zhuǎn)化效率的天花板,為太陽(yáng)能的高效利用開(kāi)辟新的道路。
在供給端,預(yù)計(jì)到 2025 年,鈣鈦礦組件產(chǎn)能約為 6.5GW,按照中試線鈣鈦礦組件 1.5 元/W 的單價(jià)計(jì)算,市場(chǎng)價(jià)值量約為 100 億元。若 2030 年鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展順利,組件產(chǎn)能規(guī)模有望達(dá)到 100GW 水平。按照規(guī)模化后晶硅疊鈣鈦礦組件 1.2 元/W 的價(jià)格、全鈣疊層組件 0.9 元/W 左右的價(jià)格,以及晶鈣疊與全鈣疊份額占比為 3:2 的預(yù)計(jì),兩種組件產(chǎn)能對(duì)應(yīng)的市場(chǎng)價(jià)值量分別為 720 億元和 360 億元。
在需求端,根據(jù)相關(guān)報(bào)告數(shù)據(jù),2023 年、2025 年和 2030 年全球光伏裝機(jī)分別為 375GW、585GW 和 1319GW。鈣鈦礦組件在地面電站的滲透率將從 2023 年的 0%逐步提升至 2030 年的 3.0%,2025 年和 2030 年全球地面電站鈣鈦礦需求分別為 2.3GW 和 25.0GW;在分布式中的滲透率將從 2023 年的 0.2%提升至 2030 年的 9.4%,2025 年和 2030 年全球分布式鈣鈦礦需求分別為 2.3GW 和 70.5GW。整體來(lái)看,2025 年和 2030 年的市場(chǎng)空間分別為 2.6GW 和 95.5GW,發(fā)展?jié)摿薮蟆?br />
二、鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的卓越性能
(一)高效能的潛力
從效率端來(lái)看,晶硅組件量產(chǎn)水平的光電轉(zhuǎn)化效率約為 23%,且已接近 27%的效率上限,提升速度逐漸放緩,難度日益增大。而鈣鈦礦組件則展現(xiàn)出巨大的發(fā)展空間,單結(jié)鈣鈦礦電池的理論效率上限為 33%,鈣鈦礦疊晶硅組件約為 43%,鈣鈦礦疊鈣鈦礦約為 45%,鈣鈦礦自身三層疊層組件甚至可達(dá)約 51%。以協(xié)鑫為代表的眾多廠商在鈣鈦礦材料上的突破,使得組件各膜層材料配方體系得到顯著優(yōu)化,解決了穩(wěn)定性、壽命和經(jīng)濟(jì)性等關(guān)鍵問(wèn)題,從而推動(dòng)了小面積鈣鈦礦組件效率的不斷刷新,大面積鈣鈦礦組件效率與穩(wěn)定性的逐步提升。據(jù)預(yù)測(cè),未來(lái) 5 年,鈣鈦礦組件每年的效率提升有望達(dá)到 1.5%-2%的水平。
(二)出色的穩(wěn)定性
然而,鈣鈦礦電池在穩(wěn)定性方面曾面臨一些挑戰(zhàn)。鈣鈦礦吸光層材料的 A 位陽(yáng)離子易與鉛、碘離子發(fā)生反應(yīng),生成鹵化鉛雜質(zhì),導(dǎo)致電池結(jié)構(gòu)分解。同時(shí),鈣鈦礦材料易水解,在非真空生產(chǎn)環(huán)節(jié)中接觸空氣會(huì)使鉛基元素進(jìn)一步分解。此外,單結(jié)鈣鈦礦電池的傳輸層材料需要金屬錫,鈣鈦礦疊鈣鈦礦電池的窄帶系材料需要 Sn 基材料,而 Sn 基材料易被氧化生成 SnOx,這些因素都對(duì)電池的穩(wěn)定性和壽命產(chǎn)生影響。
不過(guò),眾多科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)深入研發(fā),采取改進(jìn)材料配方體系、制備鈍化層等措施,有效解決了這些問(wèn)題。行業(yè)頭部大廠如協(xié)鑫、極電、纖納、仁碩等均表示,各自的大尺寸組件穩(wěn)定性基本達(dá)到 10 年的使用壽命,并可提供 25 年的功率衰減質(zhì)保,首衰 2%、25 年間線衰 0.75%,這一質(zhì)保條款已基本與成熟的晶硅組件相當(dāng)。
(三)優(yōu)越的弱光及高溫性能
鈣鈦礦材料的帶隙可調(diào),對(duì)光波的吸收更為廣泛,使其在弱光和高溫環(huán)境下表現(xiàn)出色。纖納在衢州魚(yú)光互補(bǔ)、內(nèi)蒙地面電站的裝機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,在一年的使用周期內(nèi),鈣鈦礦組件相較于晶硅組件發(fā)電增益約 15%以上。在特定時(shí)間段和環(huán)境條件下,如 2024 年 6 月 24 日至 30 日衢州的多云雨、高溫環(huán)境中,纖納鈣鈦礦組件相較于晶硅的發(fā)電周度增益數(shù)高達(dá) 38.8%。極電公布的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明,在 2024 年 6 月 19 日入梅至 28 日期間,其鈣鈦礦實(shí)證電站比晶硅組件早啟動(dòng) 15 分鐘,晚關(guān)閉 25 分鐘,日均發(fā)電增益高出晶硅 28%。這些實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)充分印證了在南方地區(qū)光照條件下,鈣鈦礦組件具備更高發(fā)電增益的潛力,尤其在梅雨季節(jié)等平均日輻照量較低的情況下,鈣鈦礦組件的弱光發(fā)電優(yōu)勢(shì)更為顯著,當(dāng)日輻照量低于 1KWh/㎡時(shí),發(fā)電增益最高可達(dá) 31%。
(四)顯著的經(jīng)濟(jì)性
在經(jīng)濟(jì)性方面,鈣鈦礦中試線(百兆瓦)投資額約為 8000 萬(wàn),量產(chǎn)后 GW 級(jí)產(chǎn)線投資規(guī)模有望從當(dāng)前的約 7 億元降至 5 億元左右,相較于晶硅組件全套投資 10 多億元的規(guī)模,投資強(qiáng)度相對(duì)較低。從組件單位成本來(lái)看,中試線鈣鈦礦組件單瓦成本約為 1.5-2 元/W,纖納、光晶、仁爍等從業(yè)廠家預(yù)計(jì),達(dá)到 GW 級(jí)產(chǎn)線量產(chǎn)水平后,單瓦成本有望降低至 0.6 元/W 水平,展現(xiàn)出較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。此外,鈣鈦礦組件的生產(chǎn)效率較高,單位生產(chǎn)時(shí)間約為 2 小時(shí),而晶硅組件的全流程生產(chǎn)周期約為 1 周。在成本占比方面,鈣鈦礦各膜層材料成本占總成本的 20%左右,占比較低;FTO 導(dǎo)電玻璃約占 50%左右,由于 FTO 技術(shù)難度低于 ITO,未來(lái)降本空間較大,有望進(jìn)一步帶動(dòng)鈣鈦礦組件成本的下降。
三、資本的青睞與商業(yè)化進(jìn)程
在經(jīng)歷了兩年的融資和擴(kuò)產(chǎn)熱潮后,光伏產(chǎn)業(yè)遭遇資本寒冬,企業(yè)融資難度加大,多個(gè)項(xiàng)目夭折,產(chǎn)業(yè)發(fā)展步伐放緩。然而,鈣鈦礦賽道卻依然受到資本的熱烈追捧。2023 年以來(lái),共有 20 家鈣鈦礦企業(yè)完成了 21 輪次融資,2024 年以來(lái)已有 10 家企業(yè)完成 11 輪次融資。這些企業(yè)多為新銳,融資輪次多為初始階段,其中天使輪融資企業(yè) 8 家、A 輪 7 家、種子輪和 PreA 輪各 2 家。投資機(jī)構(gòu)涵蓋線性資本、三行資本等明星機(jī)構(gòu),近一半企業(yè)將資金用于 MW 級(jí)產(chǎn)線建設(shè),也有新入局者用于技術(shù)和研發(fā)平臺(tái)搭建。
鈣鈦礦之所以成為資本寵兒,一方面是因?yàn)槠錄](méi)有鈣元素和鈦元素,而是一種以有機(jī)無(wú)機(jī)金屬鹵化物半導(dǎo)體“ABX3”作為吸光材料的太陽(yáng)能電池,人工合成成本低且吸光能力強(qiáng),包括單節(jié)和疊層兩種電池結(jié)構(gòu),極限轉(zhuǎn)換效率分別可達(dá) 33%和 45%,為非傳統(tǒng)晶硅玩家提供了彎道超車(chē)的機(jī)會(huì)。另一方面,鈣鈦礦電池被認(rèn)為是打破光伏行業(yè)同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)、作為補(bǔ)充技術(shù)的最有希望的方向,這也是眾多主流晶硅企業(yè)的選擇。
2024 年,光伏技術(shù)路線競(jìng)爭(zhēng)激烈,鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化發(fā)展卻勢(shì)如破竹。在技術(shù)發(fā)展方面,鈣鈦礦光電轉(zhuǎn)換效率不斷刷新紀(jì)錄,在單節(jié)、疊層和柔性等不同技術(shù)路線均取得突破。單結(jié)電池方面,中國(guó)石油工程材料研究院新能源光伏團(tuán)隊(duì)自主研制的 1.50 電子伏特(eV)實(shí)現(xiàn)了 26.2%以上的光電轉(zhuǎn)換效率;疊層電池方面,隆基綠能在今年 6 月將轉(zhuǎn)換效率提升至 34.6%。同時(shí),電池制備面積也在不斷擴(kuò)大,穩(wěn)態(tài)效率在 20%以上的鈣鈦礦大尺寸組件面積已超過(guò) 810cm²,商用組件尺寸最大可達(dá) 1.2x0.6m²。
目前,已有 5 家企業(yè)完成百 MW 級(jí)鈣鈦礦組件產(chǎn)線搭建,其中前 4 家選擇了產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程較快的單節(jié)電池路線。鈣鈦礦從技術(shù)到產(chǎn)品再到商業(yè)化應(yīng)用,不僅取決于產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展程度,如大面積制備與轉(zhuǎn)換效率的同步提升、全生命周期穩(wěn)定運(yùn)行,還取決于產(chǎn)業(yè)鏈的整體成熟度,特別是設(shè)備環(huán)節(jié)的成熟速度和交付能力。在技術(shù)成熟度方面,目前鈣鈦礦電池在大面積制備和轉(zhuǎn)換效率方面均有突破,業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為當(dāng)鈣鈦礦達(dá)到效率 18%、壽命 15 年時(shí),其實(shí)際發(fā)電量已可與傳統(tǒng)晶硅組件媲美。此外,我國(guó)鈣鈦礦設(shè)備產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程發(fā)展迅速,部分產(chǎn)線已實(shí)現(xiàn) 100%國(guó)產(chǎn)化。隨著效率和穩(wěn)定性的提升,國(guó)內(nèi) GW 級(jí)鈣鈦礦產(chǎn)線也已提上日程,多家企業(yè)已開(kāi)始布局并有實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。
在鈣鈦礦領(lǐng)域,新生力量表現(xiàn)出色。仁爍光能作為最晚入場(chǎng)的企業(yè),于 2021 年成立,卻成為行業(yè)內(nèi)唯一一家全鈣鈦礦疊層電池企業(yè),將疊層電池穩(wěn)態(tài)效率的世界紀(jì)錄刷新至 30.1%。同時(shí),光因科技、協(xié)鑫光電、脈絡(luò)能源等企業(yè)也在不斷刷新鈣鈦礦電池的效率紀(jì)錄,展現(xiàn)出后來(lái)者的強(qiáng)大實(shí)力。
與此同時(shí),央企也積極參與其中,為鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程提供了有力支持。極電光能成功完成國(guó)電投兆瓦級(jí)鈣鈦礦商用組件的質(zhì)檢并交付,纖納光電與三峽集團(tuán)合作的全球首個(gè)商業(yè)化運(yùn)行的鈣鈦礦地面光伏項(xiàng)目成功并網(wǎng)超過(guò)半年,驗(yàn)證了鈣鈦礦在不同氣候條件下的性能優(yōu)勢(shì),進(jìn)一步推動(dòng)了鈣鈦礦的商業(yè)化應(yīng)用。
在地區(qū)分布方面,中國(guó)鈣鈦礦電池企業(yè)主要集中在江蘇、廣東、浙江等省市。其中,江蘇的鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)數(shù)量最多,產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)分布相對(duì)完善,擁有天合光能、寶馨科技、協(xié)鑫光電、大正微納、極電光能、眾能光電等代表性企業(yè)。鈣鈦礦電池憑借其高效能、低成本等優(yōu)勢(shì),有望提前走出中試線階段,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的快速發(fā)展。
最后
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池作為一種具有巨大潛力的新型太陽(yáng)能技術(shù),盡管在發(fā)展過(guò)程中仍面臨一些挑戰(zhàn),但其在效率提升、穩(wěn)定性改善、成本降低等方面的不斷突破,以及資本的大力支持和產(chǎn)業(yè)的積極布局,使其商業(yè)化前景日益明朗。相信在不久的將來(lái),鈣鈦礦太陽(yáng)能電池將在能源領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用,為全球能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)更大的力量。
原標(biāo)題:備受資本青睞鈣鈦礦,商業(yè)化進(jìn)展如何?