鈣鈦礦電池：初始投資減半、轉換效率翻倍 未來光伏主流迎GW級產線時代丨黃金眼

有望成為未來主流的第三代光伏電池——鈣鈦礦電池，已經迎來產業化曙光。

鈣鈦礦電池何許人也？

有望成為晶矽之後主流電池的鈣鈦礦，其疊層電池理論最高轉換效率接近晶矽電池的兩倍。

過去在60多年的時間里，已經有三代太陽能電池發展出來。第一代是以矽材料為基本材料的太陽能電池，是目前最成熟的主流商業電池；第二代是薄膜太陽能電池，以銅銦镓硒(CIGS)、碲化鎘(CdTe)電池為代表，相比第一代具有厚度薄、光電轉化效率高等的優勢，但部分因素也限制了這類電池的發展，如部分材料儲量稀少或有毒性，製備過程複雜等；第三代為新型太陽能電池，主要包括鈣鈦礦太陽能電池、染料敏化太陽能電池、有機太陽能電池和量子點太陽能電池。

其中鈣鈦礦是一類離子化合物晶體，鈣鐵礦材料具備理想的禁帶寬度，極高的吸光係數，很低的電子空穴對結合能、均衡的載流子遷移率和較長的載流子壽命等多個優點。

鈣鈦礦太陽能電池的基本構造為五層“三明治”結構，其中以鈣鈦礦層為中心，上下兩側為兩個傳輸層，最外側為兩個電極層，電池結構可分為平面正式、平面反式和介孔結構三類。

鈣鈦礦電池通過光生載流子的分離實現對外發電。對於半導體材料，原子周圍的價電子吸收光子能量後可以發生躍遷，同時產生空穴，形成光生載流子對（電子-空穴對），當兩種自由移動的載流子分別被連接至外部電路的正負電極收集，便能實現對外發電。

作為太能電池的半導體吸光材料具有帶隙範圍寬且連續可調、吸光能力強等優異特性，因此在電池理論轉換效率和發電能力方面皆高於主流晶矽材料電池。根據肖克利-奎瑟極限（Shockley–Queisserlimit），單結太陽能電池的理想帶隙應該為1.4eV，該帶隙下降太陽光能量轉換為電能的轉換效率為33.7%。相比之下，矽的帶隙僅為1.12eV，理論轉換效率為29.4%。

晶矽電池從5%左右發展至最近的26.81%用了60餘年，且接近理論極限轉換效率29.4%。反觀單結鈣鈦礦電池理論極限效率可達33%，雙疊層、三疊層、四疊層理論最高轉換效率分別達44.3%、50.1%、54.0%。大面積鈣鈦礦電池轉換效率有望在2023年底達到18%，矽基鈣鈦礦串聯疊層電池兩年內三次刷新紀錄至32.5%。

鈣鈦礦具備對雜質極高的容忍度和極強的吸光能力，在弱光下也能保持更好的發電功率，同時可以避免晶矽電池中常見的LIP、PID和LeTID等衰減，此外接近於零的溫度係數使得鈣鈦礦電池在較高溫度下幾乎沒有效率損失，因此在實際運行中同等轉換效率下的鈣鈦礦電池可以有明顯的發電量增益，或者說達到更高效率晶矽電池的實際發電效果，增幅可達10%。

因此鈣鈦礦電池有望成為未來主流的光伏電池。

產業化優劣勢有哪些？推進程度如何？

先看鈣鈦礦電池產業化面臨的難題，首當其衝的是使用壽命的問題。

太陽能電池的發電能力一般會隨工作時間的增加而逐步減弱，維持一定的基本轉換效率水平的時間就是電池的壽命，在一定的初始成本下，太陽能電池的壽命越長，生命週期累計發電量就越多，度電成本LCOE也越低。但由於鈣鈦礦電池的穩定性較差，使用壽命相對比較短，早期僅有幾分鍾，在過去的報導中一般較長也僅有幾千小時，而當下晶矽電池的壽命長達25年以上，因此穩定性成為鈣鈦礦電池產業化的主要挑戰。

其次是製作尺寸放大伴隨轉換效率明顯下降。

雖然目前鈣鈦礦電池在研究層面已達到較高的效率水平，但高效率表現都是在小面積基礎上，效率超過20%的電池面積基本要在100平方釐米以內，隨製作面積的放大，電池轉換效率會明顯下降，超過1000平方釐米後效率就不太容易達到18%以上。

光伏組件（鈣鈦礦組件與電池面積相當）必須要達到一定的尺寸才能有經濟性地攤薄系統成本，目前大規模商業化運用的晶矽電池組件面積一般都在1.6-3.1平方米，因此如何使鈣鈦礦電池在大面積條件下達到理想效率水平成為產業化的重要挑戰。

不過相比於傳統晶矽電池，鈣鈦礦電池在材料用量、工藝溫度、製備難易程度、環保、初始投資額、生產成本等多方面具備優勢，是其產業化推進重要的助力。

鈣鈦礦晶體通常使用的甲胺、甲醚等有機鹽、金屬鉛鹽和非金屬鹵素離子等都材料十分常見而廣泛存在，容易低成本的獲取。其材料使用量也較少，總厚度大概1um左右，而晶矽電池目前主流矽片厚度在120-150μm。晶矽組件由於使用含鉛焊帶，因此每塊組件含鉛16-18g，而鈣鈦礦每塊組件含鉛量小於2g。

同時，鈣鈦礦吸光材料對缺陷相對不敏感，通常達到90%即可製造效率超過20%的電池，相比之下晶矽的電池需要很高純度的矽單質作為吸光材料，純度要求至少達到達99.9999%，從矽料開始就需要投入大量成本用於進行提純工藝。

這也使得鈣鈦礦電池製備速度很快，目前協鑫光電已能把從玻璃、膠膜、靶材、化工原料進入到組件成型的全過程控製在45分鍾之內。其工藝溫度也不超過150℃，加上工藝流程短，整體能耗很低，每瓦組件耗能僅約0.23kWh，明顯優於晶矽超過1kWh的每瓦組件耗能。

全鈣鈦礦串聯結構的能量回收時間和溫室氣體排放因子分別為0.35年和10.7gCO2-eq/kWh，相較矽基電池的1.52年和24.6gCO2-eq/kWh。鈣鈦礦單結電池能量回收時間僅為矽基電池的23%，溫室氣體排放因子僅為矽基電池的43%，環保性更強。

從工廠投資金額來看，鈣鈦礦電池組件生產在達到一定成熟度後，1GW產能的投資僅5億元左右，而晶矽組件四個環節產能加起來投資接近10億元。

此背景下，鈣鈦礦電池發展十分迅速，組件降本增效也在持續進行。

目前，協鑫光電新建的1m×2m尺寸鈣鈦礦組件作為全球首條100MW量產線已進入中試，組件轉化效率近16%，預計2023年底組件轉換效率可達18%。

而且近日工業和信息化部、國務院國資委關於印發前沿材料產業化重點發展指導目錄（第一批）的通知，鈣鐵礦材料入選；此外，經國家光伏產業計量測試中心認證，脈絡能源在30cmX30cm（孔徑面積800.9cm²）的大尺寸鈣鈦礦光伏組件上實現了21.50%的轉換效率，為當前已報導的世界最高值。

根據CPIA預測，2023年平米級鈣鈦礦光伏產品有望實現17-19%的轉換效率，預期2030年可能提升至25%。當前百兆瓦級產線階段成本可以控製在1.0-1.5元/W，2025年後GW級產線有望將成本降至0.8元/W；2028-2030年10GW級產線有望將成本降至0.6元/W，屆時相比晶矽電池就會顯示出明顯優勢。

產業鏈相關企業有哪些？

當前，GW級產線正是“從0到1”的關鍵時刻。

國內產業化研發團隊的技術突破也吸引了諸多產業資本，在融資加持下已有數條百兆瓦級鈣鈦礦組件產線建成，機構預計後續還會有越來越多的產線落地。另一方面，光伏電池技術需要通過GW級量產來體現產業化的規模效應，也是鈣鈦礦電池實現技術成熟度和經濟性突破的關鍵一步，目前已有不少企業提出了GW級產線的規劃，預計在技術進展順利的情況下，GW級產線建設有望在2025年前開始放量。

此背景下，更多目光應該放在設備、電池組件製造、材料等環節。

首先在設備方面，鈣鈦礦三大核心設備分別為鍍膜、激光和塗布結晶設備，其中京山輕機佈局了濺射式PVD鍍膜設備、ALD和蒸鍍設備。此外，公司還能夠提供產線上的玻璃清洗機、鈣鈦礦乾燥設備、組件封裝設備等。子公司晟成光伏2021年與協鑫光電簽署了在鈣鈦礦疊層電池技術合作開發協議，目前公司鈣鈦礦電池團簇型多腔式蒸鍍設備現已量產，併成功應用於多個客戶端。

奧來德計劃投資4900萬元新增“鈣鈦礦結構型太陽能電池蒸鍍設備的開發項目”和“低成本有機鈣鈦礦載流子傳輸材料和長壽命器件開發項目”等兩個鈣鈦礦相關研發項目。捷佳偉創已具備鈣鈦礦及鈣鈦礦疊層整線裝備的研發和供應能力，設備種類涵蓋RPD、PVD、PAR、CVD、蒸發鍍膜及精密狹縫塗布、晶矽疊層印刷等。公司鈣鈦礦設備在陸續交付中，客戶包含了央企研究院、國家科學院、光伏頭部企業等。

利元亨鈣鈦礦激光設備已在頭部客戶試樣，並與馮阿登納、上海森鬆等簽定了戰略合作協議。大族激光激光設備在國內市占率一直位於市場前列，自研激光刻劃設備已實現量產銷售，在鈣鈦礦電池行業幾家龍頭、前沿研究機構均取得激光設備的交付銷售，及大尺寸激光加工設備的整線交付。

德龍激光首套鈣鈦礦薄膜太陽能電池生產整段設備2022年已交付客戶並投入使用。帝爾激光在鈣鈦礦TCO層、鈣鈦礦層、電極層均有相應的應用，2022年公司已有鈣鈦礦工藝設備訂單的交付。傑普特於2021年8月交付了首套柔性鈣鈦礦模切設備，並推出了第二代產品方案。

科恒股份全資子公司浩能科技鈣鈦礦電池的薄膜平板塗布設備已獲得訂單。

在電池領域，萬潤股份2014年開始佈局鈣鈦礦太陽能電池材料，並於2016年起開始形成部分產品專利，目前擁有鈣鈦礦太陽能電池相關專利21項，已有材料根據客戶需求送樣。寶馨科技2014開始研究鈣鈦礦電池，計劃於2023年上半年完成新實驗線的建設，2024年啟動100MW鈣鈦礦疊層線的建設，預計實現實驗室效率大於32%。

通威股份鈣鈦礦實驗室搭建完成，首片鈣鈦礦電池已下線。杭蕭鋼構2021年收購合特光電，2022年9-10月完成鈣鈦礦疊層中試線設備的定製採購，預計2023年完成設備進場調試，規劃合特光電將在不晚於2023年5月10日，實現高轉化效率鈣鈦礦/晶矽薄膜疊層電池100MW中試線投產，且電池轉化效率達到28%以上。

此外材料方面，隆華科技、阿石創生產的靶材均可用於鈣鈦礦及其疊層電池的TCO層、空穴傳輸層、電子傳輸層。金晶科技2022年與杭州纖納光電科技有限公司簽訂《公司戰略合作協議》，雙方將在鈣鈦礦用TCO系列玻璃領域建立戰略合作關係，且公司目前與國內主要碲化鎘和鈣鈦礦電池組件廠均有業務合作。

耀皮玻璃則早在2016年就成功生產出應用於碲化鉻薄膜發電的TCO玻璃，是中國最早實現商業化生產太陽能光伏TCO玻璃的製造商。

此類企業均有望在鈣鈦礦電池高速推進中迎來一波發展機遇。