未來(lái)，你的手機(jī)、背包、汽車車頂，都有可能成為小小發(fā)電站。
理論上，它只需要在這些終端上涂上一層薄薄的膜。這層薄薄的膜，被稱為鈣鈦礦。
這種鈣鈦礦既不含鈣，也不含鈦。它是一種比頭發(fā)絲還要薄100多倍的晶體結(jié)構(gòu)化合物，通式為ABX3，名稱源自于同名礦物鈣鈦礦（CaTiO3，perovskite）。
它其實(shí)是一種太陽(yáng)能薄膜技術(shù)，是太陽(yáng)能電池的一種新技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)比現(xiàn)在的硅片太陽(yáng)能電池更高的光電轉(zhuǎn)換效率，從而提高太陽(yáng)能利用率，減少對(duì)占地面積巨大的太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)的需求。
自 2009 年首次研發(fā)出鈣鈦礦以來(lái)，世界各地的各種學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室嘗試了大量材料，發(fā)表了數(shù)千篇關(guān)于不同材料、不同設(shè)備結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦論文，但一直沒(méi)能規(guī)模化商用。
在9月27日-29日舉辦的2024世界新能源汽車大會(huì)上，斯坦福大學(xué)教授朱棣文稱，“新材料鈣鈦礦的發(fā)展令人振奮。鈣鈦礦電池與硅電池疊層或自身的層狀結(jié)構(gòu)都取得了顯著的進(jìn)展，有望將太陽(yáng)能電池的效率提升至30%以上。更令人欣慰的是，鈣鈦礦電池的耐用性在加速壽命測(cè)試中已經(jīng)超過(guò)15年。如果能達(dá)到25至30年的標(biāo)準(zhǔn)，它將取代硅電池?！?/p>
其實(shí)，豐田、長(zhǎng)城等中外車企以及電池霸主寧德時(shí)代早就瞄上了鈣鈦礦。電動(dòng)汽車是未來(lái)鈣鈦礦電池最有前景的應(yīng)用載體之一，因?yàn)樵陔妱?dòng)汽車上貼一層太陽(yáng)能薄膜，可以產(chǎn)生足夠的電能驅(qū)動(dòng)車輛。
雖然現(xiàn)在這個(gè)遠(yuǎn)景還未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，但這些有實(shí)力的巨頭們?cè)谌魏我粋€(gè)有可能成為未來(lái)趨勢(shì)的技術(shù)高點(diǎn)，都會(huì)提前動(dòng)作。
提前入局
鈣鈦礦又熱絡(luò)起來(lái)，是最近寧德時(shí)代洽購(gòu)太陽(yáng)能光伏組件企業(yè)一道新能源事宜。
一道新能源前不久中止IPO后，轉(zhuǎn)身為自己找買主。其最近完成的一輪融資資金，將主要用于高效N型TOPCon 3.0電池、組件產(chǎn)能的提升。
TOPCon技術(shù)全稱為隧穿氧化層鈍化接觸太陽(yáng)能電池技術(shù)（Tunnel Oxide Passivated Contact solar cell），是一種先進(jìn)的光伏晶硅電池技術(shù)。它基于選擇性載流子原理，通過(guò)在N型硅襯底電池的背面制備一層超薄的氧化硅層，再在其上沉積一層摻雜硅薄層，形成鈍化接觸結(jié)構(gòu)，有效降低表面復(fù)合和金屬接觸復(fù)合，從而提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
光伏行業(yè)普遍認(rèn)為，突破晶硅電池極限的下一代光伏技術(shù)是疊層電池。相比于XBC（交叉指式背接觸電池，是N型高效光伏電池技術(shù)的一種），TOPCon更適合作為疊層電池的底電池，且更具性價(jià)比。
正在從實(shí)驗(yàn)室向商用轉(zhuǎn)化的鈣鈦礦電池，需要與硅基底電池形成疊層的串聯(lián)太陽(yáng)能電池，以實(shí)現(xiàn)設(shè)想中的30%的光電轉(zhuǎn)換效率。也因此，寧德時(shí)代洽購(gòu)一道新能源被視為加速布局鈣鈦礦電池。
不過(guò)，寧德時(shí)代董事長(zhǎng)曾毓群9月27日稱，并未考慮收購(gòu)包括一道新能源在內(nèi)的光伏企業(yè)。
電池一哥早就提前入局鈣鈦礦電池。
2020年，寧德時(shí)代通過(guò)控股子公司瑞庭投資參投協(xié)鑫光電。
協(xié)鑫光電的鈣鈦礦電池▼
2022年5月份，寧德時(shí)代董事長(zhǎng)曾毓群在業(yè)績(jī)說(shuō)明會(huì)上表示，公司鈣鈦礦光伏電池研究進(jìn)展順利，正在搭建中試線。2023年5月份，寧德時(shí)代在SNEC光伏大會(huì)暨（上海）展覽會(huì)發(fā)布了全球首個(gè)零輔源光儲(chǔ)融合解決方案。今年3月，寧德時(shí)代公布了“鈣鈦礦太陽(yáng)能電池及其制備方法與用電裝置”專利。
有實(shí)力的車企也在這個(gè)賽道上鋪開(kāi)投資。
2023年11月上旬，比亞迪官宣布局下一代光伏技術(shù)——鈣鈦礦，并組建了一支專業(yè)化的光伏技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，重心放在能量轉(zhuǎn)換效率的突破上。
幾乎同時(shí)，長(zhǎng)城汽車旗下的光伏企業(yè)極電光能有限公司（下稱極電光能）宣布，經(jīng)權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證，公司研發(fā)的810.1平方厘米的大尺寸鈣鈦礦組件穩(wěn)態(tài)效率達(dá)到19.7％，今年5月，這個(gè)數(shù)字變?yōu)?0.7％，再次刷新紀(jì)錄。
2023年6月，源自京都大學(xué)的日本太陽(yáng)能初創(chuàng)企業(yè)Enecoat Technologies和豐田宣布，將共同研發(fā)被視為新一代光伏電池首選的“鈣鈦礦型光伏電池”，力爭(zhēng)到2030年搭載于純電動(dòng)汽車（EV）的車頂?shù)?。今?月19日，EneCoat Technologies宣布完成55億日元C輪融資，由豐田成長(zhǎng)基金WovenCapital領(lǐng)投，INPEX和三菱HCCapital參投。
無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是海外，主流車企及產(chǎn)業(yè)鏈鏈主開(kāi)始密集地和光伏的最新技術(shù)發(fā)生“化學(xué)反應(yīng)”。
效率高，但壽命短
第一代光伏電池是晶硅材料，第二代是薄膜，鈣鈦礦被視作第三代新材料。
目前，除了美國(guó)的光伏巨頭First Solar還在堅(jiān)持薄膜技術(shù)路線，全球95%以上的市場(chǎng)份額都是晶硅電池。
鈣鈦礦電池企業(yè)Swift Solar CEO 喬·讓（Joel Jean）今年8月稱，這是因?yàn)楣杵瑑r(jià)格便宜，多年前人們還在問(wèn)硅片價(jià)格能不能降到1美元/瓦，沒(méi)人會(huì)想到很快就降到了20美分。
喬·讓認(rèn)為，成本會(huì)隨著規(guī)模生產(chǎn)降下來(lái)。理論上，鈣鈦礦光伏電池成本將達(dá)到0.6元/瓦，比1元/瓦的晶硅低了40%。
與現(xiàn)在大量應(yīng)用的晶硅光伏電池相比，鈣鈦礦電池?fù)碛休^多優(yōu)勢(shì)。
在光電轉(zhuǎn)化效率上，晶硅電池理論轉(zhuǎn)化極限效率為29.43％，鈣鈦礦電池理論上單層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化效率可達(dá)33％，雙層結(jié)構(gòu)可達(dá)44.3％。
此外，鈣鈦礦電池非常輕薄。每平方米的晶硅電池重量為10-15公斤，而鈣鈦礦電池厚度約為1微米，相當(dāng)于一張A4紙厚度的1％，加上玻璃、封裝材料、鋼框架和其他部件后實(shí)際產(chǎn)品重量為晶硅電池的1/10，且透光性好，可以彎曲，將來(lái)除了電動(dòng)汽車可以實(shí)現(xiàn)整車覆蓋，還能用于可穿戴設(shè)備上。
它的電池光電轉(zhuǎn)化效率提升的速度也非?？?。
現(xiàn)在的晶硅光伏電池轉(zhuǎn)化效率由最初的3％提升到目前的26％左右，用了近80年時(shí)間，而鈣鈦礦電池轉(zhuǎn)化效率由最初的3.8％提升到目前的20％左右，只用了10多年時(shí)間。
衡量光伏電池性能最重要的指標(biāo)之一，就是光電轉(zhuǎn)換效率。光伏電池的轉(zhuǎn)換效率每提高百分之零點(diǎn)一，都會(huì)在業(yè)內(nèi)引起極大的震動(dòng)。
由于光電轉(zhuǎn)換效率更高，鈣鈦礦電池對(duì)于材料濃度的要求較低，95%純度的鈣鈦礦就能生產(chǎn)出光電轉(zhuǎn)換效率在20%以上的光伏電池，而現(xiàn)有的晶硅電池則要求材料純度在99.999%以上，才能達(dá)到同樣效果。
而它的商業(yè)化量產(chǎn)是個(gè)難題。
喬·讓稱，鈣鈦礦比晶硅電池實(shí)際上使用的材料要少上100多倍，但它的設(shè)備成本還比較高，目前沒(méi)有一個(gè)非常成熟的供應(yīng)鏈。
喬·讓認(rèn)為，阻礙鈣鈦礦電池商業(yè)化最大的障礙是產(chǎn)品的穩(wěn)定性。
合成鈣鈦礦電池是在低溫下形成的。ABX3含有四五種不同分子的材料，在高溫下它們會(huì)移動(dòng)、分離，甚至與電池的其他部分發(fā)生反應(yīng)。
在七八月的高溫天氣下，高溫與光相結(jié)合往往會(huì)降解鈣鈦礦。而對(duì)于太陽(yáng)能電池板來(lái)說(shuō)，高溫和光是兩個(gè)不可避免的因素。
因此，鈣鈦礦面板比晶硅面板退化得更快，電池的壽命要短得多，使用壽命只有5年，每年會(huì)損失8%的轉(zhuǎn)化效率。這已經(jīng)是在過(guò)去5年中得到顯著改善的結(jié)果。
除了熱降解之外，還有濕氣侵入、可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)甚至機(jī)械斷裂、電池剝落等問(wèn)題。這些都是在熱循環(huán)測(cè)試時(shí)出現(xiàn)的狀況。
喬·讓稱，在過(guò)去的六個(gè)月里，自己的公司已經(jīng)努力做到了鈣鈦礦電池在高溫下進(jìn)行 3000小時(shí)的測(cè)試而不會(huì)退化。
不過(guò)這距離晶硅太陽(yáng)能電池25-30年的壽命相比，還是太短。
單結(jié)&疊層？
歐美日中都在盯著鈣鈦礦，因?yàn)檫@是沒(méi)有明顯技術(shù)差距的賽道，被認(rèn)為是打破當(dāng)前光伏行業(yè)同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)最有希望的技術(shù)方向。各方都想要在這個(gè)賽道中率先沖出來(lái)占據(jù)領(lǐng)先地位。
鈣鈦礦電池主要包括單結(jié)和疊層兩種電池結(jié)構(gòu)，二者的極限光電轉(zhuǎn)換效率分別可以達(dá)到33%、45%。
公開(kāi)消息統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)有5家企業(yè)完成百M(fèi)W級(jí)鈣鈦礦組件產(chǎn)線搭建，分別是協(xié)鑫光電、極電光能、仁爍光能、纖納光電、萬(wàn)度光能，其中前4家均選擇了產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程發(fā)展較快的單結(jié)電池路線。
仁爍光能的GW產(chǎn)線▼
喬·讓認(rèn)為，單結(jié)電池路線商業(yè)化量產(chǎn)速度確實(shí)更快，但是和現(xiàn)有的晶硅電池面板以及First Solar 的碲化鎘面板相比，沒(méi)有特別大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，除非具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，其轉(zhuǎn)換效率并不比這兩者中的任何一個(gè)好很多，甚至可能比不上最好的晶硅面板。好的晶硅面板可以達(dá)到接近25%的轉(zhuǎn)換效率。
碲化鎘面板▼
當(dāng)鈣鈦礦電池的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到27%—28%之間，才是它真正與晶硅相比具備顯著優(yōu)勢(shì)的時(shí)候。
一位業(yè)內(nèi)人士對(duì)汽車商業(yè)評(píng)論預(yù)判，未來(lái)3-5年，鈣鈦礦電池面板將實(shí)現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)，五到七年內(nèi)能達(dá)到30%的轉(zhuǎn)換效率。
喬·讓補(bǔ)充道，這不意味著晶硅被淘汰，晶硅由于成本便宜，將會(huì)繼續(xù)存在，只不過(guò)是作為硅基鈣鈦礦疊層面板的底電池。
從物理性能來(lái)說(shuō)，他認(rèn)為第一個(gè)基于鈣鈦礦的市場(chǎng)太陽(yáng)能產(chǎn)品將是硅基鈣鈦礦疊層面板，預(yù)計(jì)第一款產(chǎn)品的效率將在25%以上。
硅和鈣鈦礦吸收光譜的不同部分。硅可以更廣地吸收光譜，但它不能有效地覆蓋整個(gè)光譜。因此，鈣鈦礦實(shí)際上吸收了較小子集的光譜，但效率更高。
硅基鈣鈦礦疊層面板就是在傳統(tǒng)的硅基晶圓太陽(yáng)能電池板上添加一層鈣鈦礦。晶硅具有吸收和轉(zhuǎn)換低能量光的優(yōu)勢(shì)。頂部的鈣鈦礦電池吸收高能量的光（可見(jiàn)光和紫外線），將低能量的光傳輸?shù)降撞侩姵?，然后晶硅以更高的效率轉(zhuǎn)換該部分光譜，從而達(dá)到理想中30%的轉(zhuǎn)換效率。
至于哪個(gè)技術(shù)路線會(huì)成為主流，至少要5年之后了。
