鈣鈦礦投資前瞻
來源: 瀏覽人數:13184 時間:2022/08/19
隨著雙碳時代的開啟,新能源成為近幾年的熱門投資賽道,其中又以光伏景氣度最佳。光伏太陽能發電,從晶硅到非晶硅的薄膜電池及化合物電池,技術發展日新月異,下一代突破性的光伏發電技術很可能是由鈣鈦礦引領的,鈣鈦礦太陽能電池相對晶硅電池有什么優勢?目前處于產業化的哪個階段?
鈣鈦礦其實不是鈣、也不是鈦、更不是礦,鈣鈦礦指一大類化合物,具有與礦物鈣鈦氧化物相同的晶體結構,是分子通式為ABX3的一類晶體材料,早在1839年,德國有位科學家GustavRose,他發現了一種礦物,其元素組成為CaTiO3,后來人們將具有這種晶體結構的物質統稱為鈣鈦礦。這種晶體結構是一種立方體晶形,具有很強的光電轉換效率。

鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)就是采用具有鈣鈦礦晶體結構的有機無機雜化的金屬鹵化物半導體作為吸光層材料的電池,屬于第三代太陽能薄膜電池,區別于目前主流的晶硅電池。
晶硅電池(包括多晶硅、單晶硅,PERC、TOPCON,甚至是異質結HJT電池)理論極限轉換效率大約在30%以內,但是鈣鈦礦電池,它的理論效率可以達到33%,特別是鈣鈦礦和晶硅疊在一起的晶硅/鈣鈦礦疊層電池的理論轉換效率可以接近40%,如果在鈣鈦礦中摻雜新型材料,理論轉換效率最高可達45%,這是遠遠高于目前晶硅電池轉換效率的,當然這只是理論效率,從理論效率到實驗室效率已經邁出了一大步,從實驗室效率再到真正商業化量產之后的產業效率還有很長的路要走。
除了轉換效率高,鈣鈦礦電池還有很多好處,比如成本低,鈣鈦礦是一大類化合物,它的原材料都是基礎化工材料,不是什么稀有元素,很容易獲得,而制作晶硅電池的材料硅就貴多了,因此在晶硅統治的光伏世界,硅料的價格影響整個產業鏈的產能及效益。
除了原材料成本低,鈣鈦礦太陽能電池的能耗也更低,因為鈣鈦礦的整個生產過程工藝溫度都很低,鈣鈦礦產線上工藝溫度最高不會超過120度,而晶硅電池制造的前端有很多1000多度的高溫,比如說像做硅料,還有后面的拉晶切片都是要到1400度以上;所以晶硅的整個生產能耗遠遠高于鈣鈦礦。
從整個產業鏈的角度來看,鈣鈦礦太陽能電池產業鏈具備天然垂直一體的特性,相比目前晶硅電池產業鏈,整個產業鏈條顯著縮短,從目前鈣鈦礦行業先行者的生產流程構建來看,鈣鈦礦太陽能電池的生產流程簡單,可在45分鐘內將玻璃、膠膜、靶材、化工原料在單一工廠內加工成為組件,產業鏈顯著縮短,價值高度集中。而晶硅電池需要在四個不同工廠(環節)內分別加工硅料、硅片、電池、組件,此過程需要至少耗時3天。在我國目前龐大的光伏產業鏈條上,硅料、硅片、電池、組件每個環節都有大量玩家,而且巨頭林立,浪潮洶涌。隨著鈣鈦礦的出現和推進,現在把持晶硅鏈條各個環節的巨頭們是不是面臨著來自未來的威脅呢?

從目前情況來看,鈣鈦礦離真正商業化量產還比較遙遠,形成對現有晶硅路線的挑戰甚至顛覆將是很多年以后的事情。從鈣鈦礦的物理結構來看它的生產過程,如PVD鍍膜、涂布、激光劃線、封裝等全流程,在還沒能真正實現量產的時候它從設備、材料體系到制造工藝,都有著需要跨越的巨大挑戰。這些挑戰中有一些環節相對好一點,比如 PVD鍍膜、激光劃線這些在面板行業和傳統薄膜光伏行業都有參照,但鈣鈦礦的結晶工藝(涂布環節)是一個全新的工藝過程。根據業內人士的分享,鈣鈦礦比較大的難點在于制造工藝流程的控制,特別是結晶的控制,實驗室中測試的鈣鈦礦電池都是小面積,比如1 cm²,鈣鈦礦在小尺寸可以用手工的操作來獲得一個比較好的晶體,但是當尺寸大到一定程度必須基于量產工藝。要從實驗室的1cm²擴展到實際應用中1m²或者更大面積,在這個大面積掩模上的各個位置的溶劑以一個均一的恒定速度揮發掉,從而形成一個均一穩定的鈣鈦礦薄膜,這是工藝上最大的挑戰。解決這些問題還需要時間。
雖然鈣鈦礦作為太陽能電池未來的發展方向還有很長的路要走,預計到2024-2025年才會有GW級的量產規模,目前對于鈣鈦礦的關注主要還是集中設備端的研發、生產和交付上,產業界已經有很多企業開始研發并陸續交付相關的生產設備,畢竟產業革新,設備先行。鈣鈦礦電池制備涉及到四大類設備,分別是鍍膜設備、涂布設備、激光設備、封裝設備,其中又以鍍膜設備最為核心。目前已經有企業量產了團簇型多腔式蒸鍍設備,還有的企業推出了等離子體鍍膜RPD設備,以及本土非常優秀的涂膜設備企業,成為國內首個可提供高品質量產電子級精密狹縫涂布設備的本土公司。目前有些設備大廠已經能夠負擔起鈣鈦礦量產里面大設備的環節,比如PVD、激光、涂布機等,還有些重要的輔助設備也會從很多小而美的企業涌現出來,一旦出現突破性的技術及設備量產,將帶來巨大的投資機會。
除了設備,在材料端,上文也提到過,鈣鈦礦產業鏈很短,它不像晶硅還分成硅料、硅片、電池、組件四個大環節。鈣鈦礦產業鏈上游材料來看,玻璃膠膜主要的變化就是鈣鈦礦不再需要銀漿了,然后玻璃在里面成本占比是最大的,鈣鈦礦時代,可能玻璃廠特別是FTO玻璃就是最重要的上游材料。
從更長的時間維度來看,如果鈣鈦礦能真如理論效率、實驗室效率那樣,在實際的量產工藝中達到較高的效率實現,那么鈣鈦礦一定會成為市場的主流,這將是一個巨大的技術迭代,值得我們長期重點的關注及跟蹤產業進展。
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