本文核心觀點(diǎn)速覽鈣鈦礦太陽能電池（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(diǎn)為量產(chǎn)效率指標(biāo)，待實(shí)現(xiàn)GW級(jí)量產(chǎn)后則將進(jìn)入成本競爭時(shí)期。投資者可重點(diǎn)關(guān)注影響鈣鈦礦電池實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)的技術(shù)難題，即長期穩(wěn)定性與大面積制備。只有通過技術(shù)進(jìn)一步提高其穩(wěn)定性并使用更精密的工藝和設(shè)備擴(kuò)大制備面積，鈣鈦礦電池才能夠真正走入產(chǎn)能大爆發(fā)階段。除電池技術(shù)外，還需重視鈣鈦礦電池生產(chǎn)設(shè)備，包括狹縫涂布設(shè)備在內(nèi)的鍍膜設(shè)備有較大發(fā)展空間。鈣鈦礦電池潛在應(yīng)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(xì)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(dú)特優(yōu)勢(shì)。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(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，并已達(dá)到國際領(lǐng)先水平。我國光伏行業(yè)受歐洲市場需求拉動(dòng)起步，十幾年來實(shí)現(xiàn)了從無到有、從有到強(qiáng)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(jī)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(lǐng)先的太陽能和儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)雜志）的數(shù)據(jù)，截至2022年3月底，光伏行業(yè)正式進(jìn)入太瓦級(jí)“T”時(shí)代；據(jù)IRENA預(yù)測，全球2030年光伏累計(jì)裝機(jī)量可達(dá)到2840GW，相較2022年的942GW，光伏行業(yè)仍存兩倍以上增長空間。

(相關(guān)資料圖)

全球光伏市場的潛在需求將持續(xù)推動(dòng)中國光伏產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。近年來，我國光伏新增裝機(jī)量長期居于全球首位。根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會(huì)及中商產(chǎn)業(yè)研究院的數(shù)據(jù)，2022年我國光伏新增裝機(jī)規(guī)模達(dá)87.41GW，同比增長60.3%，預(yù)計(jì)2023年將達(dá)105GW。

圖1 2019-2023年中國光伏新增裝機(jī)總量 數(shù)據(jù)來源：中國光伏行業(yè)協(xié)會(huì)、中商產(chǎn)業(yè)研究院，天風(fēng)天睿制圖

縱觀光伏行業(yè)技術(shù)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(shù)角度來看，當(dāng)下主流PERC電池量產(chǎn)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(shù)PERC電池效率逐步接近天花板，在光伏企業(yè)追求更高轉(zhuǎn)換效率的需求驅(qū)動(dòng)下，N型電池HJT、TOPCon、IBC技術(shù)發(fā)展正如火如荼。

圖2 不同技術(shù)類型的光伏電池原理 資料來源：江蘇微導(dǎo)納米科技股份有限公司招股說明書（注冊(cè)稿），天風(fēng)天睿制圖

在我國雙碳目標(biāo)指引和雙碳政策推動(dòng)下，鈣鈦礦電池作為光伏領(lǐng)域潛在的下一代新勢(shì)力，以遠(yuǎn)高于晶硅的理論轉(zhuǎn)換效率與相對(duì)較低的成本等優(yōu)勢(shì)逐漸吸引大量資本涌入，贏得眾多市場期待。

本文秉持價(jià)值投資視角，探討在資本助力下加速鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)路徑，以及在當(dāng)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(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)。

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(yīng)原理，利用太陽能電池將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能。其中p-n結(jié)是太陽能電池的核心——鈣鈦礦層吸收光子產(chǎn)生電子空穴對(duì)，通過p-n結(jié)形成內(nèi)建電場，產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。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(duì)電極和透明電極收集，最終經(jīng)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(gòu)造與運(yùn)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(jī)金屬鹵化物半導(dǎo)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(jié)構(gòu) 圖源：天風(fēng)證券研究報(bào)告《疊層鈣鈦礦電池：單結(jié)為矛，疊層為盾，下一代電池片技術(shù)或開始逐漸演繹！》

[注]鈣鈦礦（ABX3）結(jié)構(gòu)：A位為大半徑的陽離子，一般由有機(jī)無機(jī)雜化構(gòu)成，常見構(gòu)成為甲氨或甲醚有機(jī)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(xué)配位鍵進(jìn)行連接，組成八面體結(jié)構(gòu)。

鈣鈦礦電池在光伏領(lǐng)域極具發(fā)展?jié)摿Φ闹饕蛴卸?，一是它具有顯著的光電轉(zhuǎn)換效率，二是其原材料價(jià)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(shì)，能夠有效避免硅基太陽能電池中載流子復(fù)合率高、壽命短等問題，從而實(shí)現(xiàn)較高的光電轉(zhuǎn)換效率。

鈣鈦礦屬于直接帶隙半導(dǎo)體，具有較長的載流子擴(kuò)散長度、激子結(jié)合能小等特點(diǎn)，有較高的吸收系數(shù)。同時(shí)，由于鈣鈦礦材料的禁帶寬度連續(xù)可控，能夠進(jìn)一步調(diào)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(jīng)歷了飛速的發(fā)展，轉(zhuǎn)換效率從最初的3.8％，躍升至如今實(shí)驗(yàn)室單結(jié)轉(zhuǎn)換效率26.1%，僅用10年時(shí)間就走完晶硅電池半個(gè)世紀(jì)發(fā)展之路；并且，單結(jié)鈣鈦礦電池的理論轉(zhuǎn)換效率可達(dá)33%，亦遠(yuǎn)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?qū)崿F(xiàn)吸收光譜互補(bǔ)，可制造理論效率高達(dá)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(shè)備和制備相對(duì)較低的成本優(yōu)勢(shì)，可以有效降低度電成本。

相比高昂的硅料價(jià)格，鈣鈦礦價(jià)格低廉。雖然硅料價(jià)格有所下降，鈣鈦礦依舊有相當(dāng)大的成本優(yōu)勢(shì)。鈣鈦礦組件投資成本較晶硅更低，GW級(jí)產(chǎn)線達(dá)產(chǎn)后成本可降至0.5-0.6元/W。按照當(dāng)前1GW產(chǎn)能對(duì)應(yīng)3000噸硅料來測算，假設(shè)硅料價(jià)格降至80元/千克，那么1GW產(chǎn)能晶硅電池對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)成本約為2.4億元，合計(jì)總成本約9億元；對(duì)比來看，鈣鈦礦電池GW級(jí)量產(chǎn)后成本僅為3-5億元，顯著的成本優(yōu)勢(shì)與極高的性價(jià)比將驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦電池的商業(yè)化進(jìn)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(fēng)天睿制圖

降本、增效是推動(dòng)我國光伏行業(yè)持續(xù)迭代升級(jí)的兩個(gè)核心因素，在現(xiàn)有太陽能電池技術(shù)中，鈣鈦礦電池天然兼具效率提升和成本降低的優(yōu)勢(shì)。鈣鈦礦電池的技術(shù)仍在不斷完善中，企業(yè)生產(chǎn)效率的提升是當(dāng)前市場關(guān)注的焦點(diǎn)。預(yù)計(jì)在未來2-3年實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)后，鈣鈦礦電池的核心議題將轉(zhuǎn)變?yōu)檫M(jìn)一步擴(kuò)大其成本降低所產(chǎn)生的優(yōu)勢(shì)。

鈣鈦礦電池商業(yè)化落地面臨兩大技術(shù)難點(diǎn)

目前，鈣鈦礦電池的量產(chǎn)進(jìn)度處于發(fā)展初期，進(jìn)一步推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化落地將面臨兩大主要技術(shù)難點(diǎn)——長期穩(wěn)定性與大面積制備。這兩個(gè)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(shí)的重要指標(biāo)。

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(jié)構(gòu)極易被破壞，因而導(dǎo)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(jīng)過快速發(fā)展，目前頭部企業(yè)可實(shí)現(xiàn)在雙85條件下（環(huán)境設(shè)定為溫度85℃、濕度85%的條件下，對(duì)試驗(yàn)體進(jìn)行老化測試），工作性能保持3000小時(shí)不衰減。

鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性問題可以通過以下三個(gè)技術(shù)路線來解決：

1：鈣鈦礦層材料替換、組合

鈣鈦礦具有可調(diào)節(jié)的優(yōu)勢(shì)，可以通過調(diào)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(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)了當(dāng)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(jié)構(gòu)

將鈣鈦礦器件結(jié)構(gòu)從3D轉(zhuǎn)為2D結(jié)構(gòu)。這種解決方式在最近幾年的實(shí)驗(yàn)室測試中有不俗表現(xiàn)。美國普林斯頓大學(xué)開發(fā)出了第一個(gè)具有商業(yè)可行性的2D鈣鈦礦太陽能電池，該團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)其設(shè)備可在超過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的情況下運(yùn)行約30年，如果可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，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(xué)院寧波材料所通過新型二維鈣鈦礦材料設(shè)計(jì)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(jīng)歷1000次循環(huán)彎折實(shí)驗(yàn)后仍可保持原有能量轉(zhuǎn)化效率的85%以上。

3：組件內(nèi)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(nèi)部每個(gè)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(kuò)散到鈣鈦礦層，就會(huì)和鈣鈦礦發(fā)生反應(yīng)，從而導(dǎo)致組件失效。針對(duì)這一問題有兩個(gè)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(dǎo)電性。

大面積制備

從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化的大面積制備問題主要表現(xiàn)在，量產(chǎn)過程中，如果電池片面積太小，其拼接就會(huì)導(dǎo)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(zhuǎn)換率數(shù)據(jù)大多來自實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，而實(shí)驗(yàn)室所使用的是面積為1平方厘米左右的電池片，想要進(jìn)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(dāng)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(shù)的完善在很大程度上提升了大面積量產(chǎn)的可能性。并且，狹縫涂布設(shè)備市場相對(duì)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(shù)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(shù)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(duì)比 圖源：《大面積鈣鈦礦薄膜制備技術(shù)的研究進(jìn)展》[3]

除電池技術(shù)外，鈣鈦礦設(shè)備也是倍受關(guān)注的高潛力細(xì)分賽道。在狹縫涂布設(shè)備領(lǐng)域，已有國內(nèi)企業(yè)走在發(fā)展前列，技術(shù)指標(biāo)與全球同類企業(yè)產(chǎn)品相當(dāng)。2022年，某頭部設(shè)備供應(yīng)企業(yè)100MW產(chǎn)線大尺寸電子級(jí)狹縫涂布設(shè)備市場的占有率已經(jīng)達(dá)到70%以上。

鈣鈦礦的現(xiàn)有產(chǎn)能尚不足以支撐市場需求，產(chǎn)業(yè)內(nèi)的頭部企業(yè)仍處于GW級(jí)產(chǎn)線調(diào)試和探索階段，尚未達(dá)到量產(chǎn)要求。我國部分代表性鈣鈦礦電池研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)（以A、B、C、D代稱）產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程如下：

A：已建設(shè)出全球首條百兆瓦級(jí)產(chǎn)線，GW級(jí)產(chǎn)線建設(shè)中。鈣鈦礦小組件獲得21.8%穩(wěn)態(tài)效率認(rèn)證，其中α組件已順利通過IEC61215、IEC61730穩(wěn)定性全體系認(rèn)證，預(yù)計(jì)可用25年。其生產(chǎn)的鈣鈦礦組件已初步應(yīng)用在電站和BIPV場景，是目前行業(yè)內(nèi)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(chǎn)線已于2022年年底建成，組件效率已達(dá)16%，預(yù)計(jì)在2023年達(dá)到18%。150WM產(chǎn)線正在建設(shè)中，擬于2024年開工建設(shè)GW級(jí)產(chǎn)線。

C：809.8cm2大尺寸鈣鈦礦光伏組件轉(zhuǎn)換效率已達(dá)19.9%。150MW鈣鈦礦光伏生產(chǎn)線于2022年底正式投產(chǎn)運(yùn)行，該產(chǎn)線主要生產(chǎn)鈣鈦礦BIPV產(chǎn)品和鈣鈦礦標(biāo)準(zhǔn)光伏組件產(chǎn)品，達(dá)產(chǎn)后年產(chǎn)值預(yù)計(jì)可達(dá)3億元。計(jì)劃建設(shè)1GW鈣鈦礦光伏生產(chǎn)線及100噸鈣鈦礦量子點(diǎn)生產(chǎn)線，以上生產(chǎn)線擬于2024年三季度投產(chǎn)。

D：計(jì)劃于2023年第三季度完成150MW產(chǎn)線建設(shè)，于2023年年內(nèi)實(shí)現(xiàn)1.2mx0.6m尺寸投產(chǎn)，2024年規(guī)劃進(jìn)入GW級(jí)產(chǎn)線建設(shè)階段。

目前，鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)內(nèi)的多數(shù)企業(yè)正在積極融資，以推動(dòng)其產(chǎn)線的建設(shè)落地。在投資機(jī)構(gòu)的助力下，鈣鈦礦GW級(jí)產(chǎn)線建成或?qū)⒑臅r(shí)至少2-3年，頭部企業(yè)自2025年起有望進(jìn)入產(chǎn)量高速增長階段。

鈣鈦礦在光伏建筑一體化中應(yīng)用前景廣闊

在Rethink Energy（專注于能源產(chǎn)業(yè)的國際研究機(jī)構(gòu)） 2021年發(fā)布的報(bào)告中顯示，受產(chǎn)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(shì)，到2030年鈣鈦礦電池裝機(jī)量或?qū)⑦_(dá)到116.9GW，超過當(dāng)年光伏新增裝機(jī)量市場份額的29%。

在關(guān)鍵技術(shù)問題取得突破后，鈣鈦礦電池憑借其高轉(zhuǎn)化率和低成本優(yōu)勢(shì)，以及其輕薄、透光性強(qiáng)、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(fèi)產(chǎn)品、傳感器等多種應(yīng)用場景。鈣鈦礦及其疊層太陽能電池有可能替代和補(bǔ)充晶硅產(chǎn)品，獲得可觀的市場份額。

據(jù)天風(fēng)證券研究報(bào)告《鈣鈦礦電池2:電池及設(shè)備市場空間幾何? 》預(yù)測，2026年，BIPV將使用鈣鈦礦電池約15GW，對(duì)應(yīng)市場規(guī)模約409億元。在當(dāng)前階段，鈣鈦礦電池應(yīng)用在BIPV光伏幕墻更具市場競爭力，具體應(yīng)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(shì)待發(fā)。

隨著晶硅電池不斷接近其效率天花板，全球市場對(duì)于新材料、新技術(shù)的需求也在不斷提高，疊加全球綠色經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展成熟的趨勢(shì)，價(jià)優(yōu)、高效且易于生產(chǎn)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(shù)創(chuàng)新潛力。在科學(xué)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(shù)問題后，鈣鈦礦電池將迎來更廣闊的應(yīng)用空間。

當(dāng)然，鈣鈦礦電池發(fā)展如火如荼的同時(shí)，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(zhì)疑。對(duì)此，我們認(rèn)為——

真正的技術(shù)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(chǎn)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(shù)路徑，揭開新能源領(lǐng)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(jìn)展[J]. 發(fā)光學(xué)報(bào), 2023, 44(3): 449.[2]趙曉明等. 全無機(jī)、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(shù)的研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2021, 35(1): 1046-1057.

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