摘要：最近鈣鈦礦光伏電池熱度很高：5月5日，寧德時代(SZ：300750)董事長曾毓群在業(yè)績說明會上稱，公司鈣鈦礦光伏電池研究進展順利，正在搭建中試線。
最近鈣鈦礦光伏電池熱度很高：5月5日，寧德時代(SZ：300750)董事長曾毓群在業(yè)績說明會上稱，公司鈣鈦礦光伏電池研究進展順利，正在搭建中試線。 5月8日，ST華鈺(SH：601020)因為一種鈣鈦礦與硒化銻疊層的電池制備技術而榮登雪球殺豬榜。 5月12日，廣西騰訊創(chuàng)業(yè)投資有限公司新增對外投資，新增投資企業(yè)為昆山協(xié)鑫光電材料有限公司。最令外界關注的是，協(xié)鑫光電手握被視為下一代光伏電池技術之一的鈣鈦礦技術，這不同于當前主流的晶硅電池技術。 昆山協(xié)鑫光電材料有限公司成立于2019年12月，專注于顛覆性的下一代鈣鈦礦太陽能組件的研發(fā)、生產，致力于開發(fā)大尺寸1m*2m的太陽能組件。 該公司由昆山高新創(chuàng)業(yè)投資有限公司、湖北凱輝智慧新能源基金合伙企業(yè)(有限合伙)等13位股東共同持股，持股比例未披露。 廣西騰訊創(chuàng)業(yè)投資有限公司成立于2020年1月6日，法定代表人為李朝暉，注冊資本為3000萬元。該公司由深圳市騰訊睿投企業(yè)管理有限公司間接持股100%。 巨頭入場，趁此機會給感興趣的朋友們普及下鈣鈦礦相關的知識以及鈣鈦礦太陽能電池產業(yè)化之路。 什么是鈣鈦礦? 鈣鈦礦與“面非面”異曲同工，其實和鈣、鈦、礦三個字都沒什么關系。光伏領域的所謂“鈣鈦礦”，指的是一類與鈣鈦礦(CaTiO3)晶體結構類似的“ABX3”化合物。這種結構長成下面這個樣子： 鈣鈦礦結構可以用ABX3表示，簡而言之，鈣鈦礦材料不是指用狹義的“鈣鈦礦”做的材料，而是具有某種特定結構的材料之總稱。 為防止歧義，下文所述“鈣鈦礦”，如無特殊說明，均指代這種類鈣鈦礦結構的光伏材料，而非字面意義的鈣鈦礦(CaTiO3)。 2009年，當日本科學家Tsutomu Miyasaka首次用鈣鈦礦太陽能電池發(fā)電時，光電轉換效率僅為3.8%，彼時晶硅電池實驗室轉化效率已經達到了18%左右。 僅僅12年過去，鈣鈦礦實驗室轉換效率的最高紀錄已經達到29.8%，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。 鈣鈦礦光伏電池的優(yōu)勢 1. 相比晶硅，鈣鈦礦材料具有可設計性 材料可以不斷迭代是鈣鈦礦最大的優(yōu)勢。1954年，硅晶體管問世，從彼時到今天，晶硅材料從未發(fā)生絲毫變化，鈣鈦礦則不同。 2009年，日本科學家首次用鈣鈦礦太陽能電池發(fā)電，此后十年間，它的配方多次更迭，已發(fā)生天翻地覆的變化。 鈣鈦礦光電轉化效率是一個漸進過程，但相比晶硅，演進速度則快了很多。 如下圖所示，鈣鈦礦用了大概10年左右的時間，將轉換效率從最初的3.8%提升至目前超過29%的實驗室效率記錄(21年底)，趕上了過去晶硅四五十年的發(fā)展，這在光伏技術發(fā)展史上，從未有過。 支持這種快速進步的，正是鈣鈦礦材料和結構的不斷改善。 2. 光電轉換效率極限值高 經過幾十年的改進，太陽能電池在繼續(xù)提高晶硅電池的轉換效率方面遇到了重大瓶頸;光伏材料在將太陽能轉化為電能方面有一個極限。 這個極限的高低取決于它們的“帶隙”，即將電子從材料中釋放出來，使其成為電荷載流子在電路中流動所需的能量。 晶體硅的帶隙為1.1 eV，這意味著來自太陽、能量小于1.1 eV的光子不能釋放電子，高于1.1 eV的光子仍可產生電荷載流子，但超過1.1 eV的部分光子能量將以熱能的形式浪費掉。 從1954 年美國貝爾實驗室研制出第一個實用的晶硅太陽能電池起，其在實驗室可實現的最高轉換效率就在27%左右。 目前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%; TOPCon電池理想條件下最高效率為27.5%; HJT電池具有更加高的效率上限：28.2%-28.7%。 鈣鈦礦是直接帶隙材料，吸光能力遠高于晶硅材料。新式鈣鈦礦光伏電池的單層理論效率可達31%，鈣鈦礦雙結疊層電池轉換效率可達35%，鈣鈦礦三結疊層電池理論效率可達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。 3. 從生產端，鈣鈦礦電池的重要優(yōu)勢——顯著縮短產業(yè)鏈 目前，根據協(xié)鑫光電透露：100兆瓦的單一鈣鈦礦電池工廠，從玻璃、膠膜、靶材、化工原料進入，到組件成型，總共只需45分鐘。 而對于晶硅來說，硅料、硅片、電池、組件需要四個以上不同工廠生產加工，倘若所有環(huán)節(jié)無縫對接，一片組件完工大概也要三天左右時間，用時差異很大。 4. 從產能投資來看，鈣鈦礦電池有巨大優(yōu)勢 以1GW產能投資來對比，晶硅的硅料、硅片、電池、組件全部加起來，需要大約9億、接近10億元的投資規(guī)模，而鈣鈦礦1GW的產能投資，在達到一定成熟度后，約為5億元左右，是晶硅的1/2。 5. 原料優(yōu)勢 從原材料視角，鈣鈦礦是直接帶隙材料，吸光能力遠高于晶硅材料。 晶硅組件中的硅片，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，這里有三個數量級的差異。 對比晶硅，如果把50萬噸硅料完全替換成鈣鈦礦，大概1000噸就可以滿足需求，所以，鈣鈦礦原料沒有任何瓶頸，一是用量少，二是不存在稀缺性。 6. 純度要求低，低能耗 太陽能級的硅料，純度需要達到99.9999%(6個9)，現在還有把標準把純度拉升至了99.99999%的(7個9)。 但對于鈣鈦礦，只需要1個9(95%)即可滿足使用需求，這一個9，不僅會降低能耗，同時對于穩(wěn)定性也會有一個根本提升。 從能耗角度，有一個數字可供對比——每1瓦單晶組件制造的能耗，大約是1.52KWh，而鈣鈦礦組件能耗為0.12KWh，單瓦能耗只有晶硅的1/10，這是一個顯著優(yōu)勢。 7. 制造成本低 從綜合成本角度，相比于晶硅，鈣鈦礦也有很大優(yōu)勢——單片組件成本結構中，鈣鈦礦材料占比僅約為5%，總成本約為5毛到6毛錢左右，是晶硅極限成本的50%。 8. 實際發(fā)電效率高 從溫度系數看，晶硅組件是-0.3左右，這意味著，溫度每上升1度，功率會下降0.3%。 也就是說，如果出廠標定是20%的效率，在實際應用場合，當溫度升到75度，效率大約就只剩16%、17%。而鈣鈦礦的溫度系數為-0.001，非常接近于0，因此它的實際發(fā)電效率就會顯著高于晶硅。 鈣鈦礦電池的劣勢 現在很多對鈣鈦礦光伏電池了解一些的朋友應該都知道，鈣鈦礦光伏電池的兩個最大的問題：1.穩(wěn)定性(衰減性)，2.毒性。那這些問題的實際情況到底是怎么樣呢? 1、穩(wěn)定性 倘若有人要評判鈣鈦礦的效率或者穩(wěn)定性，那么請多問一句——你說的是哪一種鈣鈦礦?前兩年，鈣鈦礦性能的確不太穩(wěn)定，但時至今日，鈣鈦礦穩(wěn)定性一點都不比晶硅差。 大家對鈣鈦礦的穩(wěn)定性提出質疑，這其實源自于對晶體結構的質疑。 晶硅是一種金剛石結構，可以扛到1400多度才開始熔解，而鈣鈦礦是一種六方晶的離子晶體結構，它的分解溫度大概是攝氏200度-300度。 1000多度，看起來確實是一個很大的差異，但若從實用視角看，則可以得到另外一種結論。 太陽能電池在地球表面使用，溫度很難超過75度-85度這個區(qū)間，所以，兩三百度足夠用，而1400度則成為一個巨大冗余。 套用木桶效應，晶硅的1400度耐高溫，是一塊很長很長的長板，但長到一定程度，意義就不大了。而晶硅的短板也很明顯——雜質容忍度太低。 晶硅的光衰，比如PERC電池的光衰，其實來自硼氧對。即使是百萬分之級別的硼氧對存在，也會造成晶硅在75度時，產生1%~4%的效率衰減，而鈣鈦礦則可容忍1%級別的雜質，這是百萬分之一和百分之一的差別。 事實上，鈣鈦礦的穩(wěn)定性是逐年提升的。 2016年，有高校針對一塊巴掌大小的鈣鈦礦組件做了一個實驗——在標準光源下，讓該組件連續(xù)工作12000個小時，結果沒有任何衰減。 但國內一些媒體對其進行了錯誤解讀——他們以為鈣鈦礦壽命只有12000個小時，從而做出了錯誤的報道。 2019年，一個更新的進步出現了。 這次改進是在材料配方層面，配方更加復雜化，同時加入了一些液體，在連續(xù)70度、400小時的光照下，沒有任何衰減。測試延長到1800個小時，衰減依然低于5%，這個數據非常正面，沒有任何一種晶硅可以做到。 因為不同的封裝，會帶來不同的衰減效果。 2020年，昆山協(xié)鑫光電又圍繞封裝又進行了一系列工作和實驗，發(fā)現對于封裝不好的組件，很快就會衰減，但良好封裝的組件，在雙85(85℃、85%RH)條件下，2000個小時之內沒有任何衰減。 2020年年底，一個更有力量的實驗數據也表明鈣鈦礦的競爭力。在晶硅IEC61215標準下，鈣鈦礦組件連續(xù)工作9000個小時沒有任何衰減?？梢悦鞔_說，這個結果，同樣沒有任何一種晶硅能夠達到。 所以，關于鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性，鈣鈦礦在穩(wěn)定性方面是占優(yōu)的?；蛘哒f，這很可能是鈣鈦礦的一個優(yōu)點。 2019年的9月底到11月上旬，協(xié)鑫在連45×65組件上進行75度下，連續(xù)1000多小時的實測，大家可以看到上圖這條紅色的功率曲線，也是沒有任何的衰減。 2. 毒性(含鉛量) 除了穩(wěn)定性，鈣鈦礦還有一個問題被經常質疑——鉛含量。有一些學術界的朋友，他們想努力開發(fā)一種不含鉛的鈣鈦礦。 這可能源自他們對晶硅行業(yè)的了解不夠，他們覺得，鈣鈦礦里含鉛，是一件大罪過，因此要盡可能用一些別的東西替換掉。 但實際上，如果對晶硅進行研究，會發(fā)現晶硅行業(yè)用鉛量遠遠超過了鈣鈦礦——雖然硅片不含鉛，但焊帶是銅箔涂鉛的，每一塊標準尺寸的晶硅組件里大概有18克左右的鉛。 而同樣尺寸的鈣鈦礦組件，含鉛量不會超過兩克，鈣鈦礦的含鉛量只有晶硅的1/10。所以，關于飽受爭議的含鉛量，其實是一個偽問題。(阿爾法工場研究院)
