起底鈣鈦礦：獲騰訊下注，將顛覆現(xiàn)在的晶硅電池？

阿爾法工場研究院 2022-05-16 07:10

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作者?|?傾琉@雪球

?如果摻雜新型材料，鈣鈦礦電池的轉(zhuǎn)換效率最高能達到驚人的50%，是目前晶硅電池的2倍左右。

最近鈣鈦礦光伏電池熱度很高：5月5日，寧德時代（300750.SZ）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（601020.SH）因為一種鈣鈦礦與硒化銻疊層的電池制備技術(shù)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(guān)注的是，協(xié)鑫光電手握被視為下一代光伏電池技術(shù)之一的鈣鈦礦技術(shù)，這不同于當前主流的晶硅電池技術(shù)。

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(chǎn)，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(guān)的知識以及鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)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(guān)系。光伏領(lǐng)域的所謂“鈣鈦礦”，指的是一類與鈣鈦礦（CaTiO3）晶體結(jié)構(gòu)類似的“ABX3”化合物。這種結(jié)構(gòu)長成下面這個樣子：

鈣鈦礦結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換效率僅為3.8%，彼時晶硅電池實驗室轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達到了18%左右。

僅僅12年過去，鈣鈦礦實驗室轉(zhuǎn)換效率的最高紀錄已經(jīng)達到29.8%，超過目前效率最高的異質(zhì)結(jié)、TOPCon等晶硅技術(shù)的效率極限，將同為薄膜電池的其它技術(shù)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(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)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(jié)構(gòu)的不斷改善。

2. 光電轉(zhuǎn)換效率極限值高

經(jīng)過幾十年的改進，太陽能電池在繼續(xù)提高晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率方面遇到了重大瓶頸；光伏材料在將太陽能轉(zhuǎn)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(chǎn)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(xiàn)的最高轉(zhuǎn)換效率就在27%左右。

目前晶硅組件不同技術(shù)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(jié)疊層電池轉(zhuǎn)換效率可達35%，鈣鈦礦三結(jié)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(zhuǎn)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(chǎn)端，鈣鈦礦電池的重要優(yōu)勢——顯著縮短產(chǎn)業(yè)鏈

目前，根據(jù)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(chǎn)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(chǎn)能投資來看，鈣鈦礦電池有巨大優(yōu)勢

以1GW產(chǎn)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(chǎn)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(shù)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(xiàn)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(shù)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(jié)構(gòu)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(shù)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(shù)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(xiàn)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？

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(zhì)疑，這其實源自于對晶體結(jié)構(gòu)的質(zhì)疑。

晶硅是一種金剛石結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，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(jié)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(zhì)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(chǎn)生1%~4%的效率衰減，而鈣鈦礦則可容忍1%級別的雜質(zhì)，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(jié)果沒有任何衰減。

但國內(nèi)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(xiàn)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(shù)據(jù)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(xiàn)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(nèi)沒有任何衰減。

2020年年底，一個更有力量的實驗數(shù)據(jù)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。可以明確說，這個結(jié)果，同樣沒有任何一種晶硅能夠達到。

所以，關(guān)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。或者說，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(jīng)常質(zhì)疑——鉛含量。有一些學術(shù)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(xiàn)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(guān)于飽受爭議的含鉛量，其實是一個偽問題。

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