摘要：最近鈣鈦礦光伏電池?zé)岫群芨撸?月5日，寧德時(shí)代(SZ：300750)董事長(zhǎng)曾毓群在業(yè)績(jī)說明會(huì)上稱，公司鈣鈦礦光伏電池研究進(jìn)展順利，正在搭建中試線。
最近鈣鈦礦光伏電池?zé)岫群芨撸?月5日，寧德時(shí)代(SZ：300750)董事長(zhǎng)曾毓群在業(yè)績(jī)說明會(huì)上稱，公司鈣鈦礦光伏電池研究進(jìn)展順利，正在搭建中試線。 5月8日，ST華鈺(SH：601020)因?yàn)橐环N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(duì)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(dāng)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(cè)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(chǎng)，趁此機(jī)會(huì)給感興趣的朋友們普及下鈣鈦礦相關(guān)的知識(shí)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(shí)和鈣、鈦、礦三個(gè)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(zhǎng)成下面這個(gè)樣子： 鈣鈦礦結(jié)構(gòu)可以用ABX3表示，簡(jiǎn)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(dāng)日本科學(xué)家Tsutomu Miyasaka首次用鈣鈦礦太陽能電池發(fā)電時(shí)，光電轉(zhuǎn)換效率僅為3.8%，彼時(shí)晶硅電池實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達(dá)到了18%左右。 僅僅12年過去，鈣鈦礦實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率的最高紀(jì)錄已經(jīng)達(dá)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(shì) 1. 相比晶硅，鈣鈦礦材料具有可設(shè)計(jì)性 材料可以不斷迭代是鈣鈦礦最大的優(yōu)勢(shì)。1954年，硅晶體管問世，從彼時(shí)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(xué)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(gè)漸進(jìn)過程，但相比晶硅，演進(jìn)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(shí)間，將轉(zhuǎn)換效率從最初的3.8%提升至目前超過29%的實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jìn)，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(gè)極限。 這個(gè)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(dòng)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(fèi)掉。 從1954 年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出第一個(gè)實(shí)用的晶硅太陽能電池起，其在實(shí)驗(yàn)室可實(shí)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(yuǎn)高于晶硅材料。新式鈣鈦礦光伏電池的單層理論效率可達(dá)31%，鈣鈦礦雙結(jié)疊層電池轉(zhuǎn)換效率可達(dá)35%，鈣鈦礦三結(jié)疊層電池理論效率可達(dá)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(dá)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(shì)——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(jìn)入，到組件成型，總共只需45分鐘。 而對(duì)于晶硅來說，硅料、硅片、電池、組件需要四個(gè)以上不同工廠生產(chǎn)加工，倘若所有環(huán)節(jié)無縫對(duì)接，一片組件完工大概也要三天左右時(shí)間，用時(shí)差異很大。 4. 從產(chǎn)能投資來看，鈣鈦礦電池有巨大優(yōu)勢(shì) 以1GW產(chǎn)能投資來對(duì)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(dá)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(shì) 從原材料視角，鈣鈦礦是直接帶隙材料，吸光能力遠(yuǎn)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(gè)數(shù)量級(jí)的差異。 對(duì)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(jí)的硅料，純度需要達(dá)到99.9999%(6個(gè)9)，現(xiàn)在還有把標(biāo)準(zhǔn)把純度拉升至了99.99999%的(7個(gè)9)。 但對(duì)于鈣鈦礦，只需要1個(gè)9(95%)即可滿足使用需求，這一個(gè)9，不僅會(huì)降低能耗，同時(shí)對(duì)于穩(wěn)定性也會(huì)有一個(gè)根本提升。 從能耗角度，有一個(gè)數(shù)字可供對(duì)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(gè)顯著優(yōu)勢(shì)。 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(shì)——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(shí)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(huì)下降0.3%。 也就是說，如果出廠標(biāo)定是20%的效率，在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，當(dāng)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(shí)際發(fā)電效率就會(huì)顯著高于晶硅。 鈣鈦礦電池的劣勢(shì) 現(xiàn)在很多對(duì)鈣鈦礦光伏電池了解一些的朋友應(yīng)該都知道，鈣鈦礦光伏電池的兩個(gè)最大的問題：1.穩(wěn)定性(衰減性)，2.毒性。那這些問題的實(shí)際情況到底是怎么樣呢? 1、穩(wěn)定性 倘若有人要評(píng)判鈣鈦礦的效率或者穩(wěn)定性，那么請(qǐng)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(shí)至今日，鈣鈦礦穩(wěn)定性一點(diǎn)都不比晶硅差。 大家對(duì)鈣鈦礦的穩(wěn)定性提出質(zhì)疑，這其實(shí)源自于對(duì)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(shí)是一個(gè)很大的差異，但若從實(shí)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(gè)區(qū)間，所以，兩三百度足夠用，而1400度則成為一個(gè)巨大冗余。 套用木桶效應(yīng)，晶硅的1400度耐高溫，是一塊很長(zhǎng)很長(zhǎng)的長(zhǎng)板，但長(zhǎng)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(shí)來自硼氧對(duì)。即使是百萬分之級(jí)別的硼氧對(duì)存在，也會(huì)造成晶硅在75度時(shí)，產(chǎn)生1%~4%的效率衰減，而鈣鈦礦則可容忍1%級(jí)別的雜質(zhì)，這是百萬分之一和百分之一的差別。 事實(shí)上，鈣鈦礦的穩(wěn)定性是逐年提升的。 2016年，有高校針對(duì)一塊巴掌大小的鈣鈦礦組件做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)——在標(biāo)準(zhǔn)光源下，讓該組件連續(xù)工作12000個(gè)小時(shí)，結(jié)果沒有任何衰減。 但國(guó)內(nèi)一些媒體對(duì)其進(jìn)行了錯(cuò)誤解讀——他們以為鈣鈦礦壽命只有12000個(gè)小時(shí)，從而做出了錯(cuò)誤的報(bào)道。 2019年，一個(gè)更新的進(jìn)步出現(xiàn)了。 這次改進(jìn)是在材料配方層面，配方更加復(fù)雜化，同時(shí)加入了一些液體，在連續(xù)70度、400小時(shí)的光照下，沒有任何衰減。測(cè)試延長(zhǎng)到1800個(gè)小時(shí)，衰減依然低于5%，這個(gè)數(shù)據(jù)非常正面，沒有任何一種晶硅可以做到。 因?yàn)椴煌姆庋b，會(huì)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(jìn)行了一系列工作和實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于封裝不好的組件，很快就會(huì)衰減，但良好封裝的組件，在雙85(85℃、85%RH)條件下，2000個(gè)小時(shí)之內(nèi)沒有任何衰減。 2020年年底，一個(gè)更有力量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明鈣鈦礦的競(jìng)爭(zhēng)力。在晶硅IEC61215標(biāo)準(zhǔn)下，鈣鈦礦組件連續(xù)工作9000個(gè)小時(shí)沒有任何衰減。可以明確說，這個(gè)結(jié)果，同樣沒有任何一種晶硅能夠達(dá)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?；蛘哒f，這很可能是鈣鈦礦的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。 2019年的9月底到11月上旬，協(xié)鑫在連45×65組件上進(jìn)行75度下，連續(xù)1000多小時(shí)的實(shí)測(cè)，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(gè)問題被經(jīng)常質(zhì)疑——鉛含量。有一些學(xué)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(duì)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(shí)際上，如果對(duì)晶硅進(jìn)行研究，會(huì)發(fā)現(xiàn)晶硅行業(yè)用鉛量遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(huì)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(zhēng)議的含鉛量，其實(shí)是一個(gè)偽問題。(阿爾法工場(chǎng)研究院)
