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鈣鈦礦電池，被市場公認(rèn)可能掀起光伏新變革，增效、降本，系其兩大利器，國內(nèi)已有不少企業(yè)走在行業(yè)發(fā)展的前沿。

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政策刺激鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化

【資料圖】

“下一代光伏電池新秀”、光伏電池的“明日之星”，是鈣鈦礦電池耀眼的標(biāo)簽，也因此博得市場廣泛關(guān)注。

根據(jù)公開資料顯示，鈣鈦礦最初指化學(xué)式為CaTiO3的礦物質(zhì)，以及擁有CaTiO3結(jié)構(gòu)的金屬氧化物。1839年，俄羅斯礦物學(xué)家L.A.Perovski研究存在于烏拉爾山變質(zhì)巖中的鈦酸鈣（CaTiO3）時，首次提出鈣鈦礦（Perovskite）這一晶體結(jié)構(gòu)，并以其名字命名。

歷經(jīng)多年發(fā)展，鈣鈦礦材料定義演變?yōu)榫邆浠瘜W(xué)通式ABX3的物質(zhì)。其中，A為一價有機(jī)（甲基銨，MA+或甲脒，F(xiàn)A+）或無機(jī)（Cs+）陽離子，或兩者的混合物；B為Pb2+或Sn2+，或兩者的混合物；X是鹵化物陰離子（I-、Br-或CI-或它們的混合物）。A位陽離子位于中心，B位陽離子和X位鹵化物陰離子形成八面體，占據(jù)體心立方晶格的角位。

晶格中的離子半徑?jīng)Q定鈣鈦礦材料的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響鈣鈦礦材料的電子性質(zhì)和穩(wěn)定性，并決定鈣鈦礦光伏電池的性能和壽命。通過調(diào)控A、B和X位離子的配比可以優(yōu)化電池的性能和穩(wěn)定性。

鈣鈦礦光伏電池（PSCs）則是利用鈣鈦礦材料作為吸光材料的光伏電池，主要結(jié)構(gòu)包含透明導(dǎo)電基底、電子傳輸層、鈣鈦礦活性層、空穴傳輸層和頂電極5部分，其將光能轉(zhuǎn)化為電能的原理可簡化為“光子進(jìn)，電子出”。

按技術(shù)路線，鈣鈦礦電池可分為單結(jié)和疊層，疊層鈣鈦礦電池主要系鈣鈦礦分別與鈣鈦礦、晶硅或薄膜電池進(jìn)行疊層，擁有多層吸光層。其中，鈣鈦礦單結(jié)電池進(jìn)展較快，多家企業(yè)已進(jìn)入中試。

近年來，國家出臺多項(xiàng)政策推動鈣鈦礦光伏的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

2021年11月，《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》將“研發(fā)大面積、高效率、高穩(wěn)定性、環(huán)境友好型的鈣鈦礦電池，開展晶體硅/鈣鈦礦、鈣鈦礦/鈣鈦礦等高效疊層電池制備及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)研究”列入重點(diǎn)任務(wù)之一；

2022年6月，《科技支撐碳達(dá)峰碳中和實(shí)施方案(2022—2030年)》提出，堅(jiān)持研發(fā)高效穩(wěn)定鈣鈦礦電池等技術(shù)；

2023年1月，《關(guān)于推動能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》提出，推動鈣鈦礦及疊層電池等先進(jìn)技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，提升規(guī)?；慨a(chǎn)能力。

在政策的大力助推之下，疊加鈣鈦礦電池本身具備的高轉(zhuǎn)換效率和成本兩大核心優(yōu)勢，其未來發(fā)展被市場寄予厚望，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程加速。

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核心發(fā)展動力一：

轉(zhuǎn)換效率高

追求高轉(zhuǎn)換效率是光伏電池發(fā)展的動力所在。

在功率大型化發(fā)展趨勢以及硅料限制下，光伏電池發(fā)展只有提高轉(zhuǎn)換效率這條路徑，而晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率逼近材料理論極限效率，鈣鈦礦光伏電池則憑借優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換效率，在第三代太陽能電池中脫穎而出。

光伏電池的工作原理是把入射光子的能量轉(zhuǎn)換為電子，產(chǎn)生電壓、電流和功率輸出，帶隙就是電子從它的主原子的一個軌道帶掙脫到軌道帶之外所需的能量，是為電池的電力輸出所提供的能量。

半導(dǎo)體材料以1.4eV為最優(yōu)帶隙，材料帶隙越接近1.4eV則效率越高。據(jù)中科院物理研究所數(shù)據(jù)，晶體硅的帶隙則約為1.1eV，鈣鈦礦材料則具備連續(xù)可調(diào)的帶隙范圍，帶隙寬度約為1.2-2.5eV，覆蓋最佳帶隙1.4eV。

目前，主流光伏晶硅電池的光電轉(zhuǎn)換效率已接近天花板29.4%，可實(shí)現(xiàn)的工程極限效率是27.1%，量產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率為24.2%；而單結(jié)鈣鈦礦電池的實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為25.7%，理論轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到31%，疊層鈣鈦礦電池的理論轉(zhuǎn)換效率更是達(dá)到45%，具有較高的天花板。未來伴隨鈣鈦礦技術(shù)的逐步成熟，鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)換效率具備較高的提升空間。

值得一提的是，2009年第一個鈣鈦礦電池被生產(chǎn)出來時，其轉(zhuǎn)換效率僅有3.8%，短短13年左右時間，單結(jié)鈣鈦礦電池實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率提升至25.7%，這一進(jìn)程，晶硅光伏電池花費(fèi)了約40-50年，鈣鈦礦電池發(fā)展迅速。

03

核心發(fā)展動力二：

降本空間大

高轉(zhuǎn)換效率之下，鈣鈦礦電池還具備顯著的成本優(yōu)勢。

根據(jù)協(xié)鑫光電披露數(shù)據(jù)，在1GW產(chǎn)能投資上，晶硅的硅料、硅片、電池、組件全部加起來，需要大約9.6億元；而鈣鈦礦實(shí)現(xiàn)1GW產(chǎn)能需要的投資金額僅約為5億元左右，是同級別晶硅電池生產(chǎn)成本的1/2左右，對比第二代GaAs薄膜太陽能電池，成本約為其1/10。

同時，鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)鏈垂直一體，涉及生產(chǎn)設(shè)備少，生產(chǎn)效率高。協(xié)鑫光電透露，100MW的單一鈣鈦礦電池工廠，從玻璃、膠膜、靶材、化工原料進(jìn)入，到組件成型，總共只需45分鐘。而對于晶硅而言，硅料、硅片、電池、組件需要四個以上不同工廠生產(chǎn)加工，一片組件完工大概需要三天以上的時間，用時差異大。由于鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)鏈涉及生產(chǎn)環(huán)節(jié)、生產(chǎn)設(shè)備少，設(shè)備攤銷費(fèi)用低，且產(chǎn)業(yè)鏈短更易維護(hù)，后續(xù)有望通過規(guī)模量產(chǎn)降本。

另外，鈣鈦礦原材料用量少，不存在原材料卡脖子問題，并避免材料稀缺性漲價。

鈣鈦礦制作過程無需硅料，制作金屬鹵化物鈣鈦礦所需原材料儲量豐富，價格低廉。硅片厚度通常為180微米，而鈣鈦礦組件中，鈣鈦礦層厚度大概是0.3微米，相差三個數(shù)量級。

從鈣鈦礦組件成本結(jié)構(gòu)占比來看，成本構(gòu)成最多的是玻璃及其他封裝材料，達(dá)34%，而鈣鈦礦自身的材料成本占比僅為3.1%。而且，鈣鈦礦生產(chǎn)過程中的能耗比較低，每1W鈣鈦礦組件制造能耗0.12kWh，僅為單晶組件能耗1.52kWh的1/10，多數(shù)環(huán)節(jié)也無需真空環(huán)境，未來仍有較大的降本空間。

鈣鈦礦不同規(guī)模產(chǎn)能的成本差異較大，隨著產(chǎn)線產(chǎn)能的提高，平均建設(shè)成本將顯著降低。

以纖納光電為例，其目前運(yùn)行的20MW產(chǎn)線投資額為5050萬元，新建的100MW產(chǎn)線投資額為1.21億元，產(chǎn)能提升至原先5倍，投資額僅提升至原投資額的2.4倍，產(chǎn)線建設(shè)總成本具備顯著的規(guī)模化降本效應(yīng)。

04

產(chǎn)業(yè)化發(fā)展主要在中國

2030年市場空間達(dá)950億元

盡管鈣鈦礦電池極大地滿足了行業(yè)增效降本的期待，但其商業(yè)化發(fā)展還存在兩大關(guān)鍵阻力：高效鈣鈦礦電池大面積制備技術(shù)不夠成熟，以及鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差。

全球鈣缽礦電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度分為研發(fā)階段（2009-2021年）、成果轉(zhuǎn)化中試階段（2018-2025年）、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用階段（2025年以后）三個階段。目前，鈣缽礦產(chǎn)業(yè)化發(fā)展主要在中國，處于小批量產(chǎn)品試制、中試線逐步建設(shè)時期，單結(jié)鈣鈦礦組件產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展較為領(lǐng)先。

近年來，國內(nèi)鈣鈦礦企業(yè)加速布局鈣鈦礦產(chǎn)能建設(shè)，參與者多為未上市公司，上市公司中，也有協(xié)鑫科技、奧聯(lián)電子（300585）、杭蕭鋼構(gòu)（600477）等旗下公司（分別為協(xié)鑫光電、奧聯(lián)光能、合特光電）進(jìn)行積極布局。

2021年9月，協(xié)鑫光電建成全球首條100MW鈣鈦礦量產(chǎn)線，組件尺寸1m×2m，系統(tǒng)造價低于3.0元/W，合成溫度低于100°C，能耗低。當(dāng)前該產(chǎn)線處于工藝開發(fā)和設(shè)備改造階段，下線組件效率已實(shí)現(xiàn)穩(wěn)步提升，預(yù)計(jì)2023年底實(shí)現(xiàn)18%以上的轉(zhuǎn)化效率，2024年下半年GW級別產(chǎn)線落地。

數(shù)據(jù)來源：協(xié)鑫光電、東吳證券研究所

纖納光電多次蟬聯(lián)鈣鈦礦小組件世界效率紀(jì)錄榜首，其全球首款鈣鈦礦商用組件α于2022年7月正式交付，該組件具有功率高、穩(wěn)定性好、溫度系數(shù)低、熱斑效應(yīng)小等系列特性。此次發(fā)貨數(shù)量為5000片，用于浙江省內(nèi)工商業(yè)分布式鈣鈦礦電站，標(biāo)志著纖納自主研發(fā)的鈣鈦礦產(chǎn)品進(jìn)入實(shí)質(zhì)性商業(yè)化階段，正式敲開了鈣鈦礦光伏的應(yīng)用大門。

經(jīng)德國電氣工程師協(xié)會（VDE）權(quán)威認(rèn)證，纖納光電α組件已順利通過IEC61215、IEC61730穩(wěn)定性全體系認(rèn)證，纖納光電成為全球首個、且目前唯一完整通過這兩項(xiàng)穩(wěn)定性全體系測試的鈣鈦礦機(jī)構(gòu)。

數(shù)據(jù)來源：纖納光電、東吳證券研究所

極電光能150MW鈣鈦礦光伏生產(chǎn)線于2022年12月正式投產(chǎn)運(yùn)行，是目前全球已投產(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(biāo)準(zhǔn)組件的生產(chǎn)能力，達(dá)產(chǎn)后年產(chǎn)值可達(dá)3億元。

數(shù)據(jù)來源：極電光能、東吳證券研究所

萬度光能2021年6月投資60億元建設(shè)可印刷介觀鈣鈦礦太陽能電池生產(chǎn)基地項(xiàng)目，項(xiàng)目一期建設(shè)一條200MW級可印刷介觀鈣鈦礦太陽能電池大試線，成功后擴(kuò)充至10GW產(chǎn)能。

數(shù)據(jù)來源：各公司官網(wǎng)、東吳證券研究所

東吳證券在研報(bào)中表示：按照各家廠商發(fā)布的量產(chǎn)規(guī)劃，2023年合計(jì)鈣鈦礦組件產(chǎn)能1.25GW，2025年7.4GW，預(yù)計(jì)組件市場空間約37.5億元，2030年鈣鈦礦組件產(chǎn)能預(yù)計(jì)142GW，對應(yīng)市場空間約950億元，2022-2030CAGR達(dá)128%。

數(shù)據(jù)來源：各公司公告、協(xié)鑫光電、東吳證券研究所(*2025年后產(chǎn)能為估計(jì)值，以公司規(guī)劃為準(zhǔn))