發布時間：2022年4月8日
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新能源變革的背后，實質是材料的躍遷。
動力電池新路線鈉離子電池，其實是從鋰到鈉元素的轉變;光伏硅片從P型到N型的迭代，實質是其中摻雜的硼元素到磷元素的遷移。
作為新能源的主力軍，當前光伏的商業化集中在晶硅電池，而硅的能量轉化效率(PCE)是有極限的。越是從中“榨取”電能，就越能感受到晶硅電池提升空間的逼仄。
除非超越硅。
光伏產業變革的十字路口，用10年時間走完晶硅電池50年發展之路的鈣鈦礦橫空出世，其能力轉化率已經突破晶硅電池極限。
光伏即將迎來再一次顛覆。
“吊打”晶硅電池
“PERC之后可能是異質結(HJT)或者TOPCon，而HJT和TOPCon之后的未來，一定是鈣鈦礦。”
隨著鈣鈦礦電池轉換效率不斷突破極值，業內普遍將其看做引領光伏產業未來發展的“最佳人選”。
2009年，日本科學家Tsutomu Miyasaka首次用鈣鈦礦光伏電池發電，當時的電能轉換效率僅有3.8%，僅僅在十年之后的2019年，鈣鈦礦電池性能便飆升至25%。
2021年11月，柏林亥姆霍茲中心(HZB)研發的鈣鈦礦串聯電池轉換效率高達29.8%，創造了至今為止鈣鈦礦電池最高紀錄。
值得注意的是，這一記錄超過目前效率最高的異質結、TOPCon等晶硅技術的效率極限，將同為薄膜電池的其它技術路線甩開幾條街。
晶硅組件不同技術的理論極限分別為：
晶體硅太陽能電池理論極限效率：29.43%;
普通單晶硅電池理想條件下最高效率為24.5%;
HJT電池理想條件下最高效率為27.5%;
TOPCon電池具有更加高的效率上限：28.2%-28.7%。
可以說，在能量轉換效率上，鈣鈦礦已經吊打晶硅電池，將光伏這一新能源上升至全新高度。
從理論極限來看，鈣鈦電池單層電池理論效率極值可達31%，晶硅/鈣鈦礦雙節疊層轉換效率可達35%，而三節層電池理論極限可能升值至45%以上。
而如果摻雜新型材料，鈣鈦礦電池的轉換效率最高能達到驚人的50%，是目前晶硅電池的2倍左右。
盡管這些數據目前還僅限于實驗室或者理論研究層面，但鈣鈦礦顯然已經擁有了強勁的競爭力，它的出世為光伏產業打開了全新的想象空間。
成本低于火電?
“降本增效”是光伏產業化的核心要義，也是光伏企業追逐的終極命題。
自光伏技術誕生起，這個行業就圍繞著“效率與成本”不斷掀起新的技術變革。效率方面，晶體硅光伏電池的理論極限效率是29.43%，在目前研發的光伏新技術路線中，能突破30%閾值的包括鈣鈦礦和GaAs(砷化鎵)。其中，GaAs雙結疊層電池達到了32.8%的實驗室最高記錄，優于鈣鈦礦。
但產業化繞不開成本，由于GaAs技術工藝復雜，原材料價格十分昂貴，低成本大規模量產難以滿足光伏商業化要求。
因此，成本更具優勢的鈣鈦礦/HJT疊層電池被認為是突破30%轉換效率的最具性價比的技術路線。
對比來看，鈣鈦礦對雜質不敏感，通常90%左右純度的鈣鈦礦就可以用于制造效率超20%的電池;而晶硅對雜質非常敏感，純度必須達到99.9999%以上才能用于制造。
光伏企業投資1GW晶硅電池，需要從硅料、硅片、電池、組件合計超過9億元;而協鑫納米披露的數據顯示，其建造的鈣鈦礦百兆瓦產線投資為1億元，1GW的投資僅為5億元。也就是說，1GW鈣鈦礦電池的投資強度僅為晶硅的一半。
而且，晶硅電池產業鏈需要硅料、硅片、電池、組件4個工廠，而鈣鈦礦僅需1個工廠，產業鏈顯著縮短，且大幅降低了物流等成本。
昆山協鑫光電CEO范斌甚至認為：“鈣鈦礦的度電成本有望比火電還低，跟火電拉開一毛錢到一毛五的成本差異，從而實現光伏對火電的大規模替代。”
從2020年幾大電力公司的度電成本來看，如果鈣鈦礦度電成本降低至僅有晶硅電池發電的一半，那么將明顯優于火力發電，成為極具競爭力的新能源。
鈣鈦礦電池還有一大優勢，作為一種高柔性的薄膜電池，可以使用在晶硅電池無法觸達的使用場景;而且結構輕便，易于安裝，更適合當前大力推廣的光伏建筑一體化。
巨頭角逐
作為第三代光伏技術，資本早已瞄上了這一技術藍海。
此前不斷刷新的世界紀錄都出自實驗室，問題是這些電池的尺寸很小，普遍只有1cm2-1.12cm2，壽命也非常短，不具備產業化條件。
企業要想在鈣鈦礦的商業化上更近一步，一方面要不斷提升轉化率，另一方面要著手解決尺寸和壽命的問題。
許多玩家已經下海進行產業化實踐，目前國內最早實現量產的是昆山協鑫。2021年，昆山協鑫100MW鈣鈦礦生產線開始試生產，并且將組件面積擴大至1m×2m，光電轉化效率提高至18%以上。協鑫光電目前可大規模量產的是45cm×65cm的產品，轉換效率為15%。
除了協鑫光電，由三峽資本投資的纖納光電，先后7次打破了鈣鈦礦光電轉換效率記錄。當前，其位于衢州的100MW量產線也已經破土動工。并且于今年2月，開建全球首個鈣鈦礦地面光伏電站。其和三峽科學院聯合研發的疊層電池組件轉化效率達到了26.63%。
長城汽車創始人魏建軍控股的極電光能，在63.98cm2的鈣鈦礦光伏組件上，實現了20.5%的光電轉換效率，創造了全球大面積鈣鈦礦電池效率的最高紀錄。
極電光能更看重鈣鈦礦在光伏建筑一體化(BIPV)上的應用。極電光能總裁于振瑞此前就表示，“BIPV是現階段鈣鈦礦電池最好的產業化路徑之一，我們會首先切入BIPV領域，開發鈣鈦礦幕墻產品。”
由于幕墻產品的特殊性，鈣鈦礦能夠發揮自己的獨特優勢，避開與晶硅電池直接“拼刺刀”。幕墻產品追求外觀設計，且需要透明度，這恰好是鈣鈦礦的優勢，卻是晶硅技術的短板。鈣鈦礦電池能夠做到美觀且半透明，因此BIPV極有可能成為鈣鈦礦商業化的前哨站。
據悉，極電光能正在建設150MV鈣鈦礦試制線，預計在今年可進行投產，效率將不低于18%，且該項目產品尺寸達到了1.2×0.6平方米。
相比注重轉化效率的纖納光電和極電光能，萬度光能更注重成本。自創立起，萬度就主攻超低成本光伏器件——“印刷鈣鈦礦光伏”技術的開發，基于印刷技術和廉價原材料，研發出3600c㎡的鈣鈦礦組件，成本方面也更勝一籌。
在湖北鄂州、宜昌政府的支持下，萬度光能的“野心”更大。2021年6月，其總投資高達60億元的鈣鈦礦太陽能電池項目正式落地，這是迄今為止，最大的鈣鈦礦電池投資項目。
該項目共分為兩期，一期產能為200MW，順利量產后，萬度光能計劃擴充至10GW。
海外巨頭中，韓國韓華集團最為積極，這家全球光伏TOP10企業與柏林亥姆霍茲中心(HZB)合作研發的鈣鈦礦/硅串聯電池，創造了轉化率高達29.8%的世界紀錄。韓華集團已計劃對此技術進行投資擴產，該技術也被列為韓國國家項目。
此外，傳統晶硅電池玩家隆基股份、通威股份、東方日升等公司均對鈣鈦礦太陽能電池表現出濃厚興趣，或已經在相關領域有所布局。
可以看出，鈣鈦礦的商業化仍處于起步階段，但不少產業資本已經跑步入局。統計來看，今年預計有2GW的鈣鈦礦電池產能實現量產。
光伏技術產業化主要看三大要素——成本、效率、壽命。鈣鈦礦在成本和效率方面遠勝于晶硅電池，但其壽命短、穩定性差、天然不穩定，導致效率衰減過快，這是鈣鈦礦技術產業化落地的最大掣肘。
要知道，目前的光伏電池普遍壽命在25-30年。因此，在提升產品尺寸和能量效率的同時，如何將鈣鈦礦的壽命提升至25年，將是押注鈣鈦礦技術的企業亟需解決的問題。
提升電池壽命，背后涉及到材料體系、電池結構、封裝等等環節。當前，全球光伏界正在對鈣鈦礦的效率衰減和穩定性進行科技攻關，新的解決方案不斷涌現，也許很快就會有最佳的解決辦法。
作為世界經濟論壇(WEF)認定的“改變人類生活的10大新興技術”之一，鈣鈦礦電池的前景已經愈發清晰，一幅宏偉的產業藍圖正徐徐展開。
來源：中國有色網 2022.04.08