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鈣鈦礦,會是光伏革命的終極答案嗎?

2022-04-07 09:10:32 市值觀察   作者: 云潭  

新能源變革的背后,實質是材料的躍遷。

動力電池新路線鈉離子電池,其實是從鋰到鈉元素的轉變;光伏硅片從P型到N型的迭代,實質是其中摻雜的硼元素到磷元素的遷移。

作為新能源的主力軍,當前光伏的商業化集中在晶硅電池,而硅的能量轉化效率(PCE)是有極限的。越是從中“榨取”電能,就越能感受到晶硅電池提升空間的逼仄。

除非超越硅。

光伏產業變革的十字路口,用10年時間走完晶硅電池50年發展之路的鈣鈦礦橫空出世,其能力轉化率已經突破晶硅電池極限。

光伏即將迎來再一次顛覆。

“吊打”晶硅電池

“PERC之后可能是異質結(HJT)或者TOPCon,而HJT和TOPCon之后的未來,一定是鈣鈦礦。”

隨著鈣鈦礦電池轉換效率不斷突破極值,業內普遍將其看做引領光伏產業未來發展的“最佳人選”。

2009年,日本科學家Tsutomu Miyasaka首次用鈣鈦礦光伏電池發電,當時的電能轉換效率僅有3.8%,僅僅在十年之后的2019年,鈣鈦礦電池性能便飆升至25%。

2021年11月,柏林亥姆霍茲中心(HZB)研發的鈣鈦礦串聯電池轉換效率高達29.8%,創造了至今為止鈣鈦礦電池最高紀錄。

值得注意的是,這一記錄超過目前效率最高的異質結、TOPCon等晶硅技術的效率極限,將同為薄膜電池的其它技術路線甩開幾條街。

晶硅組件不同技術的理論極限分別為:

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%;

HJT電池理想條件下最高效率為27.5%;

TOPCon電池具有更加高的效率上限:28.2%-28.7%。

可以說,在能量轉換效率上,鈣鈦礦已經吊打晶硅電池,將光伏這一新能源上升至全新高度。

從理論極限來看,鈣鈦電池單層電池理論效率極值可達31%,晶硅/鈣鈦礦雙節疊層轉換效率可達35%,而三節層電池理論極限可能升值至45%以上。

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

盡管這些數據目前還僅限于實驗室或者理論研究層面,但鈣鈦礦顯然已經擁有了強勁的競爭力,它的出世為光伏產業打開了全新的想象空間。

成本低于火電?

“降本增效”是光伏產業化的核心要義,也是光伏企業追逐的終極命題。

自光伏技術誕生起,這個行業就圍繞著“效率與成本”不斷掀起新的技術變革。效率方面,晶體硅光伏電池的理論極限效率是29.43%,在目前研發的光伏新技術路線中,能突破30%閾值的包括鈣鈦礦和GaAs(砷化鎵)。其中,GaAs雙結疊層電池達到了32.8%的實驗室最高記錄,優于鈣鈦礦。

但產業化繞不開成本,由于GaAs技術工藝復雜,原材料價格十分昂貴,低成本大規模量產難以滿足光伏商業化要求。

因此,成本更具優勢的鈣鈦礦/HJT疊層電池被認為是突破30%轉換效率的最具性價比的技術路線。

對比來看,鈣鈦礦對雜質不敏感,通常90%左右純度的鈣鈦礦就可以用于制造效率超20%的電池;而晶硅對雜質非常敏感,純度必須達到99.9999%以上才能用于制造。

光伏企業投資1GW晶硅電池,需要從硅料、硅片、電池、組件合計超過9億元;而協鑫納米披露的數據顯示,其建造的鈣鈦礦百兆瓦產線投資為1億元,1GW的投資僅為5億元。也就是說,1GW鈣鈦礦電池的投資強度僅為晶硅的一半。

而且,晶硅電池產業鏈需要硅料、硅片、電池、組件4個工廠,而鈣鈦礦僅需1個工廠,產業鏈顯著縮短,且大幅降低了物流等成本。

昆山協鑫光電CEO范斌甚至認為:“鈣鈦礦的度電成本有望比火電還低,跟火電拉開一毛錢到一毛五的成本差異,從而實現光伏對火電的大規模替代。”

從2020年幾大電力公司的度電成本來看,如果鈣鈦礦度電成本降低至僅有晶硅電池發電的一半,那么將明顯優于火力發電,成為極具競爭力的新能源。

鈣鈦礦電池還有一大優勢,作為一種高柔性的薄膜電池,可以使用在晶硅電池無法觸達的使用場景;而且結構輕便,易于安裝,更適合當前大力推廣的光伏建筑一體化。

巨頭角逐

作為第三代光伏技術,資本早已瞄上了這一技術藍海。

此前不斷刷新的世界紀錄都出自實驗室,問題是這些電池的尺寸很小,普遍只有1cm²-1.12cm²,壽命也非常短,不具備產業化條件。

企業要想在鈣鈦礦的商業化上更近一步,一方面要不斷提升轉化率,另一方面要著手解決尺寸和壽命的問題。

許多玩家已經下海進行產業化實踐,目前國內最早實現量產的是昆山協鑫。2021年,昆山協鑫100MW鈣鈦礦生產線開始試生產,并且將組件面積擴大至1m×2m,光電轉化效率提高至18%以上。協鑫光電目前可大規模量產的是45cm×65cm的產品,轉換效率為15%。

除了協鑫光電,由三峽資本投資的纖納光電,先后7次打破了鈣鈦礦光電轉換效率記錄。當前,其位于衢州的100MW量產線也已經破土動工。并且于今年2月,開建全球首個鈣鈦礦地面光伏電站。其和三峽科學院聯合研發的疊層電池組件轉化效率達到了26.63%。

長城汽車創始人魏建軍控股的極電光能,在63.98cm²的鈣鈦礦光伏組件上,實現了20.5%的光電轉換效率,創造了全球大面積鈣鈦礦電池效率的最高紀錄。

極電光能更看重鈣鈦礦在光伏建筑一體化(BIPV)上的應用。極電光能總裁于振瑞此前就表示,“BIPV是現階段鈣鈦礦電池最好的產業化路徑之一,我們會首先切入BIPV領域,開發鈣鈦礦幕墻產品。”

由于幕墻產品的特殊性,鈣鈦礦能夠發揮自己的獨特優勢,避開與晶硅電池直接“拼刺刀”。幕墻產品追求外觀設計,且需要透明度,這恰好是鈣鈦礦的優勢,卻是晶硅技術的短板。鈣鈦礦電池能夠做到美觀且半透明,因此BIPV極有可能成為鈣鈦礦商業化的前哨站。

據悉,極電光能正在建設150MV鈣鈦礦試制線,預計在今年可進行投產,效率將不低于18%,且該項目產品尺寸達到了1.2×0.6平方米。

相比注重轉化效率的纖納光電和極電光能,萬度光能更注重成本。自創立起,萬度就主攻超低成本光伏器件——“印刷鈣鈦礦光伏”技術的開發,基于印刷技術和廉價原材料,研發出3600c㎡的鈣鈦礦組件,成本方面也更勝一籌。

在湖北鄂州、宜昌政府的支持下,萬度光能的“野心”更大。2021年6月,其總投資高達60億元的鈣鈦礦太陽能電池項目正式落地,這是迄今為止,最大的鈣鈦礦電池投資項目。

該項目共分為兩期,一期產能為200MW,順利量產后,萬度光能計劃擴充至10GW。

海外巨頭中,韓國韓華集團最為積極,這家全球光伏TOP10企業與柏林亥姆霍茲中心(HZB)合作研發的鈣鈦礦/硅串聯電池,創造了轉化率高達29.8%的世界紀錄。韓華集團已計劃對此技術進行投資擴產,該技術也被列為韓國國家項目。

▲數據來源:索比光伏網,東方證券研究所

此外,傳統晶硅電池玩家隆基股份、通威股份、東方日升等公司均對鈣鈦礦太陽能電池表現出濃厚興趣,或已經在相關領域有所布局。

可以看出,鈣鈦礦的商業化仍處于起步階段,但不少產業資本已經跑步入局。統計來看,今年預計有2GW的鈣鈦礦電池產能實現量產。

光伏技術產業化主要看三大要素——成本、效率、壽命。鈣鈦礦在成本和效率方面遠勝于晶硅電池,但其壽命短、穩定性差、天然不穩定,導致效率衰減過快,這是鈣鈦礦技術產業化落地的最大掣肘。

要知道,目前的光伏電池普遍壽命在25-30年。因此,在提升產品尺寸和能量效率的同時,如何將鈣鈦礦的壽命提升至25年,將是押注鈣鈦礦技術的企業亟需解決的問題。

提升電池壽命,背后涉及到材料體系、電池結構、封裝等等環節。當前,全球光伏界正在對鈣鈦礦的效率衰減和穩定性進行科技攻關,新的解決方案不斷涌現,也許很快就會有最佳的解決辦法。

作為世界經濟論壇(WEF)認定的“改變人類生活的10大新興技術”之一,鈣鈦礦電池的前景已經愈發清晰,一幅宏偉的產業藍圖正徐徐展開。




責任編輯: 李穎

標簽:鈣鈦礦,晶硅電池