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文 | 天風天睿投資
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- 鈣鈦礦太陽能電池（簡稱“鈣鈦礦電池”）與晶硅電池相比具有更高的效率和更低的成本，這是其受到光伏行業(yè)熱捧的主要原因。由于鈣鈦礦電池仍處于商業(yè)化落地的初步階段，目前的行業(yè)焦點為量產效率指標，待實現(xiàn)GW級量產后則將進入成本競爭時期。
- 投資者可重點關注影響鈣鈦礦電池實現(xiàn)大規(guī)模量產的技術難題，即長期穩(wěn)定性與大面積制備。只有通過技術進一步提高其穩(wěn)定性并使用更精密的工藝和設備擴大制備面積，鈣鈦礦電池才能夠真正走入產能大爆發(fā)階段。除電池技術外，還需重視鈣鈦礦電池生產設備，包括狹縫涂布設備在內的鍍膜設備有較大發(fā)展空間。
- 鈣鈦礦電池潛在應用市場空間廣闊，除光伏電站外，在光伏建筑一體化（BIPV）這一細分賽道中，鈣鈦礦電池因其輕薄、柔性和可定制的特性，能夠發(fā)揮區(qū)別于晶硅電池的獨特優(yōu)勢。
光伏行業(yè)仍存有較大發(fā)展空間
光伏行業(yè)是我國長期重點發(fā)展的戰(zhàn)略新興產業(yè)，并已達到國際領先水平。我國光伏行業(yè)受歐洲市場需求拉動起步，十幾年來實現(xiàn)了從無到有、從有到強的跨越式發(fā)展。
根據(jù)國際可再生能源署（IRENA，International Renewable Energy Agency）數(shù)據(jù)，全球新增裝機量從2008年的6.27GW增長到2022年約230GW，14年間增長了超36倍。根據(jù)PV Magazine（全球領先的太陽能和儲能產業(yè)雜志）的數(shù)據(jù)，截至2022年3月底，光伏行業(yè)正式進入太瓦級“T”時代；據(jù)IRENA預測，全球2030年光伏累計裝機量可達到2840GW，相較2022年的942GW，光伏行業(yè)仍存兩倍以上增長空間。
全球光伏市場的潛在需求將持續(xù)推動中國光伏產業(yè)蓬勃發(fā)展。近年來，我國光伏新增裝機量長期居于全球首位。根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會及中商產業(yè)研究院的數(shù)據(jù)，2022年我國光伏新增裝機規(guī)模達87.41GW，同比增長60.3%，預計2023年將達105GW。
圖1 2019-2023年中國光伏新增裝機總量 數(shù)據(jù)來源：中國光伏行業(yè)協(xié)會、中商產業(yè)研究院，天風天睿制圖
縱觀光伏行業(yè)技術迭代的歷史，降本增效是行業(yè)持續(xù)發(fā)展的核心。從技術角度來看，當下主流PERC電池量產效率已突破24％，而其理論極限效率僅為24.5％，未來效率提升空間有限，且提升難度較大。隨著主流技術PERC電池效率逐步接近天花板，在光伏企業(yè)追求更高轉換效率的需求驅動下，N型電池HJT、TOPCon、IBC技術發(fā)展正如火如荼。
圖2 不同技術類型的光伏電池原理 資料來源：江蘇微導納米科技股份有限公司招股說明書（注冊稿），天風天睿制圖
在我國雙碳目標指引和雙碳政策推動下，鈣鈦礦電池作為光伏領域潛在的下一代新勢力，以遠高于晶硅的理論轉換效率與相對較低的成本等優(yōu)勢逐漸吸引大量資本涌入，贏得眾多市場期待。
本文秉持價值投資視角，探討在資本助力下加速鈣鈦礦電池產業(yè)化的技術路徑，以及在當下鈣鈦礦電池企業(yè)如雨后春筍般出現(xiàn)之際，選擇高成長性企業(yè)需要重點關注的指標。
鈣鈦礦滿足光伏行業(yè)降本增效的發(fā)展要求
光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應原理，利用太陽能電池將太陽光能直接轉化為電能。其中p-n結是太陽能電池的核心——鈣鈦礦層吸收光子產生電子空穴對，通過p-n結形成內建電場，產生電動勢。太陽光入射到鈣鈦礦太陽能電池后，空穴和電子被注入到空穴傳輸層和電子傳輸層中，分別被對電極和透明電極收集，最終經外電路形成電流，完成發(fā)電循環(huán)。[1]
圖3 鈣鈦礦太陽能電池的構造與運行示意圖 圖源：材料界面研究中心《【趣味科普】第二十三期：鈣鈦礦太陽能電池--高效率低成本，上天入地可彎可直》
鈣鈦礦電池是利用鈣鈦礦型的有機金屬鹵化物半導體（ABX3）作為吸光材料的太陽能電池，屬于第三代太陽能電池。
圖4 鈣鈦礦（ABX3）晶體結構 圖源：天風證券研究報告《疊層鈣鈦礦電池：單結為矛，疊層為盾，下一代電池片技術或開始逐漸演繹！》
[注]鈣鈦礦（ABX3）結構：A位為大半徑的陽離子，一般由有機無機雜化構成，常見構成為甲氨或甲醚有機分子；B位離子為小半徑的陽離子，常用由鉛組成；X位為鹵素陰離子。ABX通過化學配位鍵進行連接，組成八面體結構。
鈣鈦礦電池在光伏領域極具發(fā)展?jié)摿Φ闹饕蛴卸皇撬哂酗@著的光電轉換效率，二是其原材料價格低且制備工藝簡單,可有效降低度電成本。
- 一方面，從效率提升來看
鈣鈦礦電池憑借材料天然屬性的優(yōu)勢，能夠有效避免硅基太陽能電池中載流子復合率高、壽命短等問題，從而實現(xiàn)較高的光電轉換效率。
鈣鈦礦屬于直接帶隙半導體，具有較長的載流子擴散長度、激子結合能小等特點，有較高的吸收系數(shù)。同時，由于鈣鈦礦材料的禁帶寬度連續(xù)可控，能夠進一步調整電池吸收光子的能量范圍。
從效率提升的歷史來看，鈣鈦礦電池經歷了飛速的發(fā)展，轉換效率從最初的3.8％，躍升至如今實驗室單結轉換效率26.1%，僅用10年時間就走完晶硅電池半個世紀發(fā)展之路；并且，單結鈣鈦礦電池的理論轉換效率可達33%，亦遠超晶硅電池的理論極限29.4%。另外，鈣鈦礦電池與HJT、TOPCon等晶硅電池有良好的匹配度，能夠實現(xiàn)吸收光譜互補，可制造理論效率高達43%的疊層電池。
- 另一方面，從成本降低來看
鈣鈦礦電池的工藝與傳統(tǒng)晶硅電池相比更為簡單，疊加原材料、設備和制備相對較低的成本優(yōu)勢，可以有效降低度電成本。
相比高昂的硅料價格，鈣鈦礦價格低廉。雖然硅料價格有所下降，鈣鈦礦依舊有相當大的成本優(yōu)勢。鈣鈦礦組件投資成本較晶硅更低，GW級產線達產后成本可降至0.5-0.6元/W。按照當前1GW產能對應3000噸硅料來測算，假設硅料價格降至80元/千克，那么1GW產能晶硅電池對應的生產成本約為2.4億元，合計總成本約9億元；對比來看，鈣鈦礦電池GW級量產后成本僅為3-5億元，顯著的成本優(yōu)勢與極高的性價比將驅動鈣鈦礦電池的商業(yè)化進一步加速落地。
圖5 鈣鈦礦電池與晶硅電池的成本測算 資料來源：協(xié)鑫光電公開信息，天風天睿制圖
降本、增效是推動我國光伏行業(yè)持續(xù)迭代升級的兩個核心因素，在現(xiàn)有太陽能電池技術中，鈣鈦礦電池天然兼具效率提升和成本降低的優(yōu)勢。鈣鈦礦電池的技術仍在不斷完善中，企業(yè)生產效率的提升是當前市場關注的焦點。預計在未來2-3年實現(xiàn)大規(guī)模量產后，鈣鈦礦電池的核心議題將轉變?yōu)檫M一步擴大其成本降低所產生的優(yōu)勢。
鈣鈦礦電池商業(yè)化落地面臨兩大技術難點
目前，鈣鈦礦電池的量產進度處于發(fā)展初期，進一步推動產業(yè)化落地將面臨兩大主要技術難點——長期穩(wěn)定性與大面積制備。這兩個核心要素也是投資者篩選如雨后春筍般萌生的新型鈣鈦礦企業(yè)時的重要指標。
- 長期穩(wěn)定性
太陽能電池的穩(wěn)定性問題表現(xiàn)在，在長期光照加熱條件下電池結構極易被破壞，因而導致電池短命。晶硅電池的壽命一般在25年左右，鈣鈦礦型太陽能電池在初期僅能維持幾分鐘，經過快速發(fā)展，目前頭部企業(yè)可實現(xiàn)在雙85條件下（環(huán)境設定為溫度85℃、濕度85%的條件下，對試驗體進行老化測試），工作性能保持3000小時不衰減。
鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性問題可以通過以下三個技術路線來解決：
1：鈣鈦礦層材料替換、組合
鈣鈦礦具有可調節(jié)的優(yōu)勢，可以通過調控不同元素的摻雜比例，獲得不同帶隙的鈣鈦礦材料，從而實現(xiàn)更高的轉換效率。目前行業(yè)普遍使用的是A位離子采用FA（甲脒），B位離子采用Pb(鉛）以及鹵素位采用I（碘鹽）的組合。該種組合實現(xiàn)了當前鈣鈦礦電池的最高效率，也是目前最具商業(yè)化前景的組合。
2：改變鈣鈦礦器件結構
將鈣鈦礦器件結構從3D轉為2D結構。這種解決方式在最近幾年的實驗室測試中有不俗表現(xiàn)。美國普林斯頓大學開發(fā)出了第一個具有商業(yè)可行性的2D鈣鈦礦太陽能電池，該團隊預計其設備可在超過行業(yè)標準的情況下運行約30年，如果可以實現(xiàn)量產，則鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性問題有望得到根本性解決。[2]
近期，中國科學院寧波材料所通過新型二維鈣鈦礦材料設計的手段，大幅度提高了鈣鈦礦光伏器件的效率和穩(wěn)定性，組件經歷1000次循環(huán)彎折實驗后仍可保持原有能量轉化效率的85%以上。
3：組件內部各層之間做阻隔
鈣鈦礦電池穩(wěn)定性的主要問題在于組件內部每個膜層之間的相互作用。目前大部分組件使用的背電極材料為金屬，金屬材料一旦擴散到鈣鈦礦層，就會和鈣鈦礦發(fā)生反應，從而導致組件失效。針對這一問題有兩個解決方案，一是在功能層之間做阻隔，二是使用金屬氧化物，提高導電性。
- 大面積制備
從實驗室走向產業(yè)化的大面積制備問題主要表現(xiàn)在，量產過程中，如果電池片面積太小，其拼接就會導致效率損耗較大、良率低從而限制效率提升。該問題的主要解決辦法集中在提升工藝水平上。
目前得到的高光電轉換率數(shù)據(jù)大多來自實驗室數(shù)據(jù)，而實驗室所使用的是面積為1平方厘米左右的電池片，想要進一步提升鈣鈦礦電池組件的面積，就需要在鈣鈦礦層工藝角度下功夫。
以當前的工藝水平，狹縫涂布工藝的效率是最高的。鈣鈦礦膜層大小取決于涂布刀頭的寬度，因此涂布技術的完善在很大程度上提升了大面積量產的可能性。并且，狹縫涂布設備市場相對其他涂布市場較為成熟，制備出的鈣鈦礦太陽能電池效率較高。其他技術如刮刀涂布法、噴墨打印法，均存在一些難以克服的缺陷，如均一性或良率較差等問題。因此，同其他技術相比，狹縫涂布可謂是最有前途的工藝之一。
圖6 鈣鈦礦層大面積制備各工藝對比 圖源：《大面積鈣鈦礦薄膜制備技術的研究進展》[3]
除電池技術外，鈣鈦礦設備也是倍受關注的高潛力細分賽道。在狹縫涂布設備領域，已有國內企業(yè)走在發(fā)展前列，技術指標與全球同類企業(yè)產品相當。2022年，某頭部設備供應企業(yè)100MW產線大尺寸電子級狹縫涂布設備市場的占有率已經達到70%以上。
鈣鈦礦的現(xiàn)有產能尚不足以支撐市場需求，產業(yè)內的頭部企業(yè)仍處于GW級產線調試和探索階段，尚未達到量產要求。我國部分代表性鈣鈦礦電池研發(fā)生產企業(yè)（以A、B、C、D代稱）產業(yè)化進程如下：
A：已建設出全球首條百兆瓦級產線，GW級產線建設中。鈣鈦礦小組件獲得21.8%穩(wěn)態(tài)效率認證，其中α組件已順利通過IEC61215、IEC61730穩(wěn)定性全體系認證，預計可用25年。其生產的鈣鈦礦組件已初步應用在電站和BIPV場景，是目前行業(yè)內發(fā)展較快的企業(yè)。
B：主攻大尺寸（1mx2m）商用鈣鈦礦電池組件，100MW量產線已于2022年年底建成，組件效率已達16%，預計在2023年達到18%。150WM產線正在建設中，擬于2024年開工建設GW級產線。
C：809.8cm2大尺寸鈣鈦礦光伏組件轉換效率已達19.9%。150MW鈣鈦礦光伏生產線于2022年底正式投產運行，該產線主要生產鈣鈦礦BIPV產品和鈣鈦礦標準光伏組件產品，達產后年產值預計可達3億元。計劃建設1GW鈣鈦礦光伏生產線及100噸鈣鈦礦量子點生產線，以上生產線擬于2024年三季度投產。
D：計劃于2023年第三季度完成150MW產線建設，于2023年年內實現(xiàn)1.2mx0.6m尺寸投產，2024年規(guī)劃進入GW級產線建設階段。
目前，鈣鈦礦產業(yè)內的多數(shù)企業(yè)正在積極融資，以推動其產線的建設落地。在投資機構的助力下，鈣鈦礦GW級產線建成或將耗時至少2-3年，頭部企業(yè)自2025年起有望進入產量高速增長階段。
鈣鈦礦在光伏建筑一體化中應用前景廣闊
在Rethink Energy（專注于能源產業(yè)的國際研究機構） 2021年發(fā)布的報告中顯示，受產能限制，2025年鈣鈦礦電池的市場份額將緩慢上升至7%。憑借其高效率、低成本的優(yōu)勢，到2030年鈣鈦礦電池裝機量或將達到116.9GW，超過當年光伏新增裝機量市場份額的29%。
在關鍵技術問題取得突破后，鈣鈦礦電池憑借其高轉化率和低成本優(yōu)勢，以及其輕薄、透光性強、柔性好和安全穩(wěn)定性高的特性，除光伏電站外，未來有望適用于光伏建筑一體化（即BIPV，Building Integrated Photovoltaic）、電子消費產品、傳感器等多種應用場景。鈣鈦礦及其疊層太陽能電池有可能替代和補充晶硅產品，獲得可觀的市場份額。
據(jù)天風證券研究報告《鈣鈦礦電池2:電池及設備市場空間幾何? 》預測，2026年，BIPV將使用鈣鈦礦電池約15GW，對應市場規(guī)模約409億元。在當前階段，鈣鈦礦電池應用在BIPV光伏幕墻更具市場競爭力，具體應用場景以建筑物墻體、車頂、公共場館屋頂為主，頭部鈣鈦礦電池企業(yè)已蓄勢待發(fā)。
隨著晶硅電池不斷接近其效率天花板，全球市場對于新材料、新技術的需求也在不斷提高，疊加全球綠色經濟不斷發(fā)展成熟的趨勢，價優(yōu)、高效且易于生產的新型光伏電池——鈣鈦礦太陽能電池逐漸走向市場，彰顯了巨大的技術創(chuàng)新潛力。在科學家和創(chuàng)業(yè)者們解決長期穩(wěn)定性和大面積制備兩大技術問題后，鈣鈦礦電池將迎來更廣闊的應用空間。
當然，鈣鈦礦電池發(fā)展如火如荼的同時，也面臨著在組件穩(wěn)定性不佳、材料配方尚不成熟、制備工藝路線未定等方面的質疑。對此，我們認為——
真正的技術創(chuàng)新要求投資者秉持開放的態(tài)度和專業(yè)的判斷，積極擁抱未來的可能性。
期待鈣鈦礦電池產業(yè)中的創(chuàng)新型企業(yè)能夠繼續(xù)深耕、蓬勃發(fā)展，早日探索出成熟的技術路徑，揭開新能源領域的新篇章。
本文引用：
- [1]高玉平, 王瑞, 劉永勝. 基于芳香族配體的二維鈣鈦礦太陽能電池研究進展[J]. 發(fā)光學報, 2023, 44(3): 449.
- [2]趙曉明等. 全無機、界面穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池加速老化[J]. Science, 2022, 377(6603): 307-310.
- [3]楊志春, 吳狄, 剡曉波, 蔣昭毅, 劉宗豪, 陳煒. 大面積鈣鈦礦薄膜制備技術的研究進展[J]. 材料導報, 2021, 35(1): 1046-1057.
