當(dāng)前，光伏產(chǎn)業(yè)正處在技術(shù)替代周期中，N型電池對于P型電池的替代全面啟動。但是，隨著晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率接近極限，材料已經(jīng)成為限制光伏產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步提質(zhì)增效的核心因素。作為極具發(fā)展?jié)摿Φ墓夥夹g(shù)路線，鈣鈦礦是否能夠引領(lǐng)光伏產(chǎn)業(yè)下一輪技術(shù)變革？

一、鈣鈦礦電池優(yōu)勢明顯，但缺點(diǎn)同樣突出

光伏領(lǐng)域中的鈣鈦礦是指一類與鈣鈦礦（CaTiO3）具有類似晶體結(jié)構(gòu)的化合物，即具有正八面體結(jié)構(gòu)的ABX3化合物，而并非狹義的以鈣和鈦為原料制作的材料。早期的鈣鈦礦主要采用碘化鉛甲胺（CH3NH3PbI3），較為先進(jìn)的鈣鈦礦材料為甲胺鉛碘（MAPbI3）、甲脒鉛碘（FAPbI3）等。當(dāng)前鈣鈦礦電池多數(shù)為柔性器件，屬于薄膜光伏電池的一種。鈣鈦礦電池制備工藝非常多樣，但均未實現(xiàn)規(guī)模化，尚未出現(xiàn)主導(dǎo)制備路線。除太陽能電池外，鈣鈦礦材料在光電傳感器、發(fā)光二極管（LED）等領(lǐng)域也有可觀的發(fā)展?jié)摿?，但相關(guān)研究多處在非常早期的階段，距離落地應(yīng)用還有較大差距。

鈣鈦礦電池的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在效率高、成本低、應(yīng)用靈活等方面。

轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)超晶硅電池。帶隙是影響光電轉(zhuǎn)換效率的主要因素，光伏材料的最理想帶隙為1.34 eV，然而在已知的天然材料中，不存在這一完美帶隙。晶硅材料的帶隙為1.12eV，理論轉(zhuǎn)換極限約為32%左右，實際量產(chǎn)中則很難超過30%。鈣鈦礦是人工合成材料，可以通過調(diào)整配方來將帶隙推向理想值，其實驗室轉(zhuǎn)換效率可達(dá)45%以上，遠(yuǎn)超晶硅電池。

生產(chǎn)成本遠(yuǎn)低于晶硅電池。制作鈣鈦礦電池的原材料儲量豐富，價格低廉，且對純度的要求低于晶硅電池。同時鈣鈦礦電池的光吸收能力強(qiáng)，單塊電池的材料用量較低。此外，生產(chǎn)鈣鈦礦電池不需要超高的加工溫度，生產(chǎn)能耗低于晶硅電池。綜上，鈣鈦礦電池在生產(chǎn)環(huán)節(jié)的成本較晶硅電池有較大優(yōu)勢。在投資端，鈣鈦礦電池同樣優(yōu)勢明顯。鈣鈦礦制備簡單，工藝流程比較短，能夠在單個工廠內(nèi)實現(xiàn)全流程生產(chǎn)；而晶硅電池的生產(chǎn)工藝流程較為復(fù)雜，需要多個環(huán)節(jié)的工廠協(xié)同完成。鈣鈦礦電池產(chǎn)線相對晶硅電池產(chǎn)線的預(yù)期投資降本空間在50%以上。

應(yīng)用場景靈活多樣。鈣鈦礦電池屬于薄膜光伏電池，其外觀形態(tài)的可塑性強(qiáng)，整體質(zhì)量較低，同時還具有更好的弱光性能，使其部署場景非常多樣化。例如BIPV、弱光場景、汽車、可穿戴設(shè)備等，都可以引入鈣鈦礦電池，相比之下晶硅電池的應(yīng)用場景則相對有限。

鈣鈦礦電池具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)同樣明顯，耐用性差、制造難度大、環(huán)保性差等嚴(yán)重制約了大規(guī)模應(yīng)用。

耐用性難以達(dá)到商業(yè)化要求?，F(xiàn)階段的鈣鈦礦電池穩(wěn)定性差、壽命短，衰減過快。鈣鈦礦是一種離子晶體材料，本身具有脆弱性，盡管隨著技術(shù)的進(jìn)步，近年來鈣鈦礦電池的效率衰減有所好轉(zhuǎn)，但是仍較晶硅電池有較大差距，若使用鈣鈦礦電池建設(shè)光伏電站，需要頻繁對發(fā)電設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，成本上不具備可行性。此外，當(dāng)下主流鈣鈦礦對金屬具有一定的腐蝕性，而金屬是光伏組件的必要組成部分，鈣鈦礦組件還需要克服腐蝕帶來的不良影響。

大尺寸電池制造難度大。鈣鈦礦材料制備簡單，但僅限于小尺寸設(shè)備，目前大尺寸設(shè)備的制造和批量生產(chǎn)仍存在較大難度。鈣鈦礦電池中所采用的導(dǎo)電薄膜會造成光損失，且隨著面積的增大愈發(fā)明顯，這導(dǎo)致鈣鈦礦組件的效率會明顯低于單體電池。同時，鈣鈦礦電池的涂覆技術(shù)不成熟，大面積噴涂下無法保障鈣鈦礦層的均勻，會對電池性能產(chǎn)生明顯的負(fù)面影響。

材料環(huán)保性差。鉛在鈣鈦礦材料中被廣泛使用，但鉛本身屬于有毒重金屬，對于環(huán)境和人體均具有危害。使用環(huán)保配方替代鉛鹵鈣鈦礦是重要研究方向，當(dāng)前錫基材料進(jìn)展相對較快，但其轉(zhuǎn)換效率相對較低，還需要進(jìn)一步的研究改進(jìn)。

二、晶硅電池仍是主流，鈣鈦礦市場份額較低

圍繞降本增效這一核心邏輯，光伏產(chǎn)業(yè)在發(fā)展過程中始終伴隨著技術(shù)迭代，新技術(shù)不斷取代原有技術(shù)，行業(yè)具有典型的技術(shù)周期性特征。從P型電池取代BSF電池，到單晶電池取代多晶電池，光伏電池的轉(zhuǎn)換效率不斷提高，度電成本持續(xù)下降。當(dāng)前光伏產(chǎn)業(yè)正值新一輪技術(shù)迭代周期，N型電池將成為下一代主流光伏技術(shù)，引領(lǐng)光伏產(chǎn)業(yè)在平價上網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升經(jīng)濟(jì)性。

據(jù)不完全統(tǒng)計，2023年一季度一線光伏品牌的組件出貨量合計超過170吉瓦，其中N型組件占比約為21%，較2022年全年數(shù)據(jù)（7%）已有明顯提升。晶科能源的N型電池出貨占比達(dá)到46%，大幅領(lǐng)先于其他企業(yè)。時至今日，P型電池仍然是光伏市場的主流，但N型電池的替代過程已經(jīng)全面啟動，根據(jù)中國光伏中國光伏行業(yè)協(xié)會的預(yù)測，隨著新建產(chǎn)能的陸續(xù)釋放，2023年全年N型組件的出貨量占比最高可達(dá)到25%左右。

相較于晶硅光伏組件，薄膜光伏組件的出貨量占比極低，2022年薄膜組件的出貨量為1.3吉瓦，僅占光伏組件總出貨量的0.4%。在1.3吉瓦的薄膜組件中，又以銅銦稼硒（CIGS）、銻化鎘（CdTe）和砷化鎵（GaAs）等材料為主，相比之下鈣鈦礦組件的出貨量少之又少。

 

圖1：中國光伏電池產(chǎn)量情況

單位：萬千瓦、%

 

我國的光伏應(yīng)用場景中，以集中式光伏電站和分布式場景為主，在選擇材料時，二者均以經(jīng)濟(jì)性為核心考量因素，因此在度電成本上具備顯著優(yōu)勢的晶硅光伏電池仍為主流，在短期內(nèi)其市場地位難以撼動。薄膜光伏組件目前主要應(yīng)用于光伏玻璃、光伏幕墻、可穿戴設(shè)備等小規(guī)模場景，整體應(yīng)用范圍較小，其中鈣鈦礦的應(yīng)用則更加受限。

三、鈣鈦礦暫不具備獨(dú)立運(yùn)行條件，與晶硅電池疊層應(yīng)用或是發(fā)展方向

受制于耐用性差等缺陷，現(xiàn)階段鈣鈦礦電池?zé)o法實現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用。但目前晶硅材料的轉(zhuǎn)換效率已接近理論極限，難有進(jìn)步的空間，光伏產(chǎn)業(yè)想要實現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步躍遷，仍需要在材料上做文章，長期來看，鈣鈦礦電池有望成為晶硅電池的替代品。此外，鈣鈦礦電池與晶硅電池的疊層應(yīng)用模式，也擁有較大的發(fā)展空間。目前核心企業(yè)已經(jīng)開始布局鈣鈦礦產(chǎn)線，根據(jù)各企業(yè)的規(guī)劃，到2024年國內(nèi)鈣鈦礦產(chǎn)能將突破1吉瓦，2025年后有望達(dá)到20吉瓦以上。

 

圖2：協(xié)鑫光電鈣鈦礦產(chǎn)能規(guī)劃

 

鈣鈦礦電池與晶硅電池疊層應(yīng)用，即在晶硅電池表面噴涂一層鈣鈦礦電池，其中由于發(fā)電原理的限制，晶硅電池只能選用N型電池。該種疊層電池的原理簡單，且綜合了晶硅電池和鈣鈦礦電池的優(yōu)勢，利用鈣鈦礦電池配方的可調(diào)節(jié)性，吸收光譜中無法被晶硅電池利用的部分，實現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率的最大化。此外，疊層電池中鈣鈦礦電池能將更多精力用于解決其缺陷，對于產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)更加友好。目前鈣鈦礦與HJT的疊層應(yīng)用已有部分實驗室基礎(chǔ)，與TopCon的疊層應(yīng)用也已在實驗室環(huán)境內(nèi)實現(xiàn)，若鈣鈦礦電池能夠盡快彌補(bǔ)自身技術(shù)缺陷，疊層電池的應(yīng)用模式有望成為N型電池后的主流。

長期來看，若鈣鈦礦電池能夠克服自身缺陷，將在特定的應(yīng)用場景上成為最佳選擇，例如可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域，疊層電池?zé)o法滿足其對于重量要求，鈣鈦礦電池將具有較好的差異性應(yīng)用空間。但考慮到目前鈣鈦礦電池的技術(shù)進(jìn)展，脫離晶硅電池單獨(dú)應(yīng)用還需要較長時間才有望實現(xiàn)。

四、行業(yè)投資需保持謹(jǐn)慎，核心輔材確定性較高

鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)方興未艾，目前尚未有確定的技術(shù)路線，市場格局也尚未形成。目前行業(yè)內(nèi)的參與企業(yè)主要包括三類：中小型初創(chuàng)企業(yè)、傳統(tǒng)光伏龍頭企業(yè)以及跨界企業(yè)，由于生產(chǎn)工藝路線未定型，上游研發(fā)環(huán)節(jié)的投資風(fēng)險相對較高，反觀POE膠膜和TOC玻璃環(huán)節(jié)，則具有較高的確定性，應(yīng)重視其成長機(jī)會。

POE的阻隔性、抗PID能力是其他膠膜材料所不具備的，除應(yīng)用在鈣鈦礦領(lǐng)域外，也是N型電池、新能源汽車、電纜等高成長性領(lǐng)域的重要材料。目前國內(nèi)POE產(chǎn)能相對有限，其中原材料和催化劑被國外壟斷，擁有核心技術(shù)的POE企業(yè)較為稀缺。

TOC玻璃是鈣鈦礦電池的重要輔材，TOC玻璃產(chǎn)能受到嚴(yán)格控制，且產(chǎn)線需要進(jìn)行定制化設(shè)計，行業(yè)進(jìn)入壁壘較高。若鈣鈦礦實現(xiàn)量產(chǎn)，預(yù)計TOC玻璃的邊際需求增長最為明顯。此外與POE類似的是，TOC玻璃也是N型光伏電池的主要輔材，終端需求具有較強(qiáng)的確定性。

 

圖3：鈣鈦礦組件成本構(gòu)成

單位：%

 

 

???????????????????建銀工程咨詢有限責(zé)任公司

楊名宇