鈣鈦礦,這個有點拗口的名字在2022年的資本市場聲名鵲起。
8月18日,科技部等九部門印發(fā)《科技支撐碳達峰碳中和實施方案(2022—2030年)》,提出研發(fā)高效硅基光伏電池、高效穩(wěn)定鈣鈦礦電池等技術(shù),再次將鈣鈦礦這一新技術(shù)推至聚光燈下。
(資料圖片僅供參考)
“其實《‘十四五’能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》里已經(jīng)有‘發(fā)展鈣鈦礦等先進光伏技術(shù)’這類的表述,對鈣鈦礦的共識去年底就有了。”鈣鈦礦電池企業(yè)協(xié)鑫光電董事長范斌告訴上海證券報記者。
不同于字面意思,作為光伏材料的鈣鈦礦,實際是指與鈣鈦礦(CaTiO3)晶體結(jié)構(gòu)類似的一大類化合物。因其更高的理論效率、更低的可期成本,而被視為下一代光伏路線可能選擇的“終極答案”。
以10年時間,走完晶硅半個世紀發(fā)展之路。當(dāng)2013年美國《科學(xué)》雜志將鈣鈦礦評為年度十大科學(xué)突破,在彼時仍由晶硅完全“統(tǒng)治”的光伏世界中,鈣鈦礦還在實驗室里力證自己在光電效應(yīng)上的巨大潛力。
而從“無名之輩”到“明日之星”,鈣鈦礦的轉(zhuǎn)化效率也從最初的3.8%,躍升至如今鈣鈦礦-疊層電池31.3%的最新理論數(shù)據(jù)。這段“成名”之旅,始終伴隨著鈣鈦礦技術(shù)上限的不斷突破和產(chǎn)業(yè)化的逐步落地。
與此同時,在這條以“降本增效”為導(dǎo)向的賽道上,越來越多“追光者”陸續(xù)入場。隆基、晶科、天合、凱輝、寧德、騰訊等一眾行業(yè)龍頭、創(chuàng)投基金和產(chǎn)業(yè)資本紛紛布局鈣鈦礦,搶灘未來技術(shù)。
然而,技術(shù)日趨成熟、資本爭相競逐的攪動下,鈣鈦礦也面臨著愈發(fā)急迫的商業(yè)化難題。穩(wěn)定性、大尺寸的技術(shù)瓶頸怎么破?行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)由誰制定、如何制定?產(chǎn)業(yè)鏈距離大規(guī)模爆發(fā)到底還有多遠?誰會是最先“跑出來”的那匹“賽馬”?一系列問題被擺在這個“光伏新星”的面前,而黎明前的“押注”亦考驗著市場的洞見與定力。
資本市場“春江水暖”
春江水暖鴨先知。相較于二級市場“聞風(fēng)而動”,一級市場則更早嗅到了未來技術(shù)的行進氣息。
“得鈣鈦礦者得‘漲聲’。”此言之于2022年的資本市場毫不夸張。截至8月18日的一個月間,Choice“鈣鈦礦電池”指數(shù)漲幅達24.30%,跑贏大盤。京山輕機、金晶科技、杭蕭鋼構(gòu)等概念股持續(xù)大漲。8月至今,就有協(xié)鑫集成、特變電工、瑞泰新材等十余家上市公司在互動平臺上被問及是否涉足鈣鈦礦業(yè)務(wù)。
不過,一位深耕鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)投機構(gòu)合伙人告訴記者,國內(nèi)目前主要的鈣鈦礦鏈上的優(yōu)勢企業(yè)大多還沒上市,比如纖納光電、協(xié)鑫光電、仁爍光能、極電光能、萬度光能、華能新能源等,各家中試線計劃基本集中在今明兩年安裝完成,規(guī)模都在100MW—200MW之間,組件尺寸主要為1.2mx0.6m或相近尺寸。
率先在量產(chǎn)道路上邁出切實步伐的,當(dāng)屬纖納光電和協(xié)鑫光電兩家企業(yè)。7月28日,纖納光電宣布,將首批5000件α組件(最高功率130W,尺寸1.245mx0.635m)發(fā)往浙江省工商業(yè)分布式鈣鈦礦電站,率先實現(xiàn)了鈣鈦礦光伏應(yīng)用。
協(xié)鑫光電創(chuàng)始人、董事長范斌昨日告訴記者,公司100MW中試線(尺寸1mx2m)已經(jīng)在運行,計劃今年效率達到16%,2023年達到18%。
“主攻”疊層鈣鈦礦組件的仁爍光能,成為在這一技術(shù)路線上走得最遠的公司。顧名思義,“疊層鈣鈦礦”即將兩層鈣鈦礦疊加在一起,從而使得組件效率實現(xiàn)最大化。與此同時,天合光能正在研發(fā)晶硅上疊鈣鈦礦,而更多廠商研發(fā)的項目仍以單結(jié)(即單層鈣鈦礦面板)為主。
對于為何“獨辟蹊徑”,仁爍光能一位高管對記者解釋道:“我們認為鈣鈦礦疊鈣鈦礦將是鈣鈦礦面板的最終方案,因為它的轉(zhuǎn)化效率最高,并且疊層技術(shù)向下兼容單結(jié),無須再單獨研發(fā)單結(jié)技術(shù)即可生產(chǎn)單結(jié)。”
而在技術(shù)分野背后,既是創(chuàng)業(yè)公司競速量產(chǎn)的路線抉擇,也包含了風(fēng)險投資人錨定“陪跑對象”的深層邏輯。協(xié)鑫光電2年來已完成5輪融資,最近一次的B輪融資在今年5月完成。范斌告訴記者,投資方包括騰訊、寧德時代、凱輝等明星機構(gòu)。再如,纖納光電亦在2015—2021年間獲得了5輪投資,投資方包括三峽資本、三峽能源、京能集團、招銀國際、杭開集團等。
此外,A股多家新能源龍頭也紛紛出手鈣鈦礦。如寧德時代董事長曾毓群在近期召開的業(yè)績說明會上表示:“公司鈣鈦礦電池研究進展非常順利,正在搭建中試線?!?/p>
應(yīng)用領(lǐng)域“開疆拓土”
如果說在轉(zhuǎn)化效率上的更高上限,是鈣鈦礦闖蕩光伏領(lǐng)域的立足之地;那么在應(yīng)用領(lǐng)域上的更多可能,則是鈣鈦礦打開市場的傍身之技。
鈣鈦礦材料自涉足太陽能電池領(lǐng)域之初,便將目光牢牢鎖定晶硅轉(zhuǎn)化效率的“天花板”,開啟一場“效率革命”。
在過去相當(dāng)長一段時間里,晶硅光伏電池都是成本和效率極佳的統(tǒng)一體。相伴而生的,是天然礦物轉(zhuǎn)化太陽能效率的局限性。29.43%的理論極限值,成為晶硅材料“一眼到頭”的屏障。事實上,自2017年以來,晶硅的實驗室效率就一直在26.7%“原地踏步”,未再實現(xiàn)新的突破。
與之形成鮮明對比,鈣鈦礦則走出了“最陡峭的成長曲線”。2009年,日本科學(xué)家首次用鈣鈦礦光伏電池發(fā)電,當(dāng)時其電能轉(zhuǎn)換效率僅有3.8%。僅僅過去13年,今天鈣鈦礦電池的實驗室效率就已基本追平了晶硅60多年發(fā)展才達到的結(jié)果,達到了25.7%。而且,鈣鈦礦電池的單層理論效率達33%,雙層可達45%以上,具有比晶硅更高的提升空間。
業(yè)內(nèi)人士向記者介紹,鈣鈦礦電池的開發(fā)速度之所以比晶硅快得多,是因為它不單指一種物質(zhì),而是多種化合物的混合。這些化合物所吸收光的波長都集中在光電轉(zhuǎn)化效率最高的波長(1.4eV)附近。通過調(diào)整這些化合物的組合,電池效率可以不斷提升。相比之下,晶硅不僅吸收波長的光電轉(zhuǎn)化效率偏低,而且是單一物質(zhì),無法調(diào)節(jié)。
采訪中,纖納光電CTO顏步一抄起一瓶像墨水一樣的東西向記者介紹:“這就是用來做鈣鈦礦電池的原料。生產(chǎn)鈣鈦礦電池薄膜的過程類似于報紙打印,我們把‘墨水’涂在基板的表面,最后再涂覆一層隔水隔油的材料,蓋上基板即完成生產(chǎn)?!?/p>
這樣的工藝特性,也賦予了鈣鈦礦電池更為豐富的應(yīng)用場景。鈣鈦礦材料不僅可以簡單地印刷在玻璃表面,制備玻璃基底的太陽能電池,還可以印刷在其他材料,比如輕薄柔軟的塑料或者窗簾表面。具備大尺度彎曲能力的電池,還可以將自己的應(yīng)用場景延伸至我們隨身的電子設(shè)備、日用家電智能設(shè)備以及光伏建筑一體化等。
顏步一得意地說:“鈣鈦礦還可以制成彩色和半透明薄膜,從而實現(xiàn)不同的彩色效果。這些都是晶硅材料完全無法涉足的新領(lǐng)域。”
同樣看好鈣鈦礦技術(shù)的未來,金剛玻璃總經(jīng)理嚴春來提出,要把玻璃的光能價值回用于玻璃的應(yīng)用場所,即在BIPV(光伏建筑一體化)+BAPV(屋頂光伏)+BTPV(建筑光伏應(yīng)用)等領(lǐng)域大顯身手。
產(chǎn)業(yè)鏈蓄勢待發(fā)
作為關(guān)鍵環(huán)節(jié)的涂布及PVD,成為設(shè)備廠商的“必爭之地”。傳統(tǒng)設(shè)備廠商亦紛紛發(fā)力。
增效的同時,降本是關(guān)鍵。談及這點,專注于投資鈣鈦礦的中財鼎晟合伙人很是興奮,他站起來在白板上奮筆疾書:“硅料廠——高,硅片廠——高,電池廠——高。晶硅光伏每一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)都是高耗能!”接著,他將這些環(huán)節(jié)劃上斜線,并在下面畫了一個方框,一個箭頭進、一個箭頭出,“鈣鈦礦,就這一個流程!”
具體制備流程上,鈣鈦礦溶液先在實驗室的瓶瓶罐罐里合成后,被送至生產(chǎn)線;帶有正電極的玻璃經(jīng)過自動化清洗后,進行第一道真空鍍膜、激光劃線;涂布鈣鈦礦之后結(jié)晶,再以激光刻出第二道槽,實現(xiàn)串聯(lián);真空鍍上背電極(PVD)后,開始第三道激光劃線;第四道激光清邊,完成后裝背板,加熱之間的膠膜,使玻璃與前述材料粘在一起。
一個前后玻璃、中間夾有鈣鈦礦和電極的組件由此誕生。顯而易見,鈣鈦礦“電池即組件”的模式極大簡化了其生產(chǎn)流程。而涂布和PVD工藝的應(yīng)用,也讓鈣鈦礦太陽能電池的生產(chǎn)制造更接近于面板行業(yè)。
作為關(guān)鍵環(huán)節(jié)的涂布及PVD,成為設(shè)備廠商的“必爭之地”。在該環(huán)節(jié)頗具領(lǐng)先優(yōu)勢的德滬涂膜日前宣布,公司開發(fā)的用于大面積鈣鈦礦太陽能面板制造核心涂膜設(shè)備系統(tǒng)驗收成功,可直接對標(biāo)世界前列的德日韓狹縫涂布設(shè)備。
激光設(shè)備在鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)鏈中也頗為重要。專注于激光設(shè)備研發(fā)生產(chǎn)的科創(chuàng)板公司杰普特已悄然布局這一新興賽道。公司負責(zé)核心光源開發(fā)的張楠對記者說:“我們很看好光伏等清潔能源賽道,針對鈣鈦礦行業(yè),團隊早期開發(fā)了柔性鈣鈦礦模切設(shè)備。鈣鈦礦光伏電池片制造企業(yè)因為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和材料不同,其對激光設(shè)備的要求也稍有不同,有至少4個環(huán)節(jié)用到激光技術(shù)?!?021年,該公司為江蘇大正微納科技定制的首套柔性鈣鈦礦模切設(shè)備通過驗收并正式投入使用。
傳統(tǒng)設(shè)備廠商亦紛紛發(fā)力,不少設(shè)備工藝進入驗證階段,或已開展中試線,承接小批訂單。如邁為股份主攻鈣鈦礦層印刷,真空鍍膜,相關(guān)定制激光設(shè)備已經(jīng)交付。京山輕機子公司晟成光伏選擇與協(xié)鑫光電合作建設(shè)電池及組件生產(chǎn)線。此外,東方日升、通威股份、晶科能源、中來股份等光伏“業(yè)內(nèi)人”也開始大力開展設(shè)備自研、設(shè)備改造及技術(shù)驗證等。
產(chǎn)業(yè)化道阻且長
鈣鈦礦走向更廣闊的市場,仍要越過實驗室到生產(chǎn)線的“鴻溝”。
從產(chǎn)能投資看,1GW產(chǎn)能的晶硅太陽能電池需要接近10億元投資規(guī)模,而業(yè)內(nèi)預(yù)測,成熟期的鈣鈦礦成本只需它的二分之一。原材料方面,鈣鈦礦原料較為常見,沒有瓶頸,用量也少;純度要求上,硅料純度需達到99.9999%以上,但鈣鈦礦只需要95%即可滿足使用需求;能耗方面,每1瓦單晶組件制造的能耗約為1.52kWh,而鈣鈦礦組件能耗僅為0.12kWh……
然而,縱有“千好萬好”,鈣鈦礦走向更廣闊的市場,仍要越過實驗室到生產(chǎn)線的“鴻溝”。
“工藝與配方并重?!币晃唤邮苡浾卟稍L的鈣鈦礦企業(yè)高層戲稱,“做鈣鈦礦就像炒菜,你加一樣的料,用一樣的鍋,但每個人炒出來的味道就是不一樣?!?/p>
也并非拿到好的設(shè)備就能保證生產(chǎn)出好的電池。鈣鈦礦溶液的配比、設(shè)備調(diào)試的細節(jié),既是各家公司的“秘鑰”,也是行業(yè)的共同課題。由于技術(shù)發(fā)展時間短,工藝還不像晶硅那樣成熟,鈣鈦礦的產(chǎn)線設(shè)計沒有現(xiàn)成模板,都需要創(chuàng)業(yè)公司“從0到1”,摸著石頭過河。
如何將鈣鈦礦層均勻地涂抹于設(shè)備表面?如何突破鈣鈦礦易氧化、不耐高溫、衰減率高、壽命短等技術(shù)瓶頸?“這個過程肯定不是一蹴而就的?!睂Υ耍伈揭唤o出的解法是,“反復(fù)嘗試。我們通過不斷引入高性能的界面修飾材料,來提高商業(yè)化鈣鈦礦模組的效率與穩(wěn)定性?!?/p>
此外,行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)空缺也是鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)發(fā)展亟待解決的問題之一。“晶硅的內(nèi)部體系和鈣鈦礦的顯然不一樣,所以不能簡單套用晶硅的標(biāo)準(zhǔn)來測試鈣鈦礦。如果標(biāo)準(zhǔn)沒定下來,怎么知道如何可以應(yīng)用呢?”仁爍光能高管表示。范斌認為業(yè)界對此確實存在爭議,目前普遍做法是沿用晶硅的IEC 61215標(biāo)準(zhǔn)。
對于設(shè)備廠商來說,張楠直言:“2021年被認為是鈣鈦礦光伏電池片產(chǎn)業(yè)的元年,而鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)真正大行其道,可能還需數(shù)年培育。目前比較受關(guān)注的是大尺寸的光電轉(zhuǎn)換效率及壽命問題。需要看到更多的量產(chǎn)來驗證?!?/p>
(文章來源:上海證券報)
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