未來，你的手機、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）。
它其實是一種太陽能薄膜技術(shù)，是太陽能電池的一種新技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)比現(xiàn)在的硅片太陽能電池更高的光電轉(zhuǎn)換效率，從而提高太陽能利用率，減少對占地面積巨大的太陽能發(fā)電場的需求。
自 2009 年首次研發(fā)出鈣鈦礦以來，世界各地的各種學(xué)術(shù)實驗室嘗試了大量材料，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)都取得了顯著的進展，有望將太陽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試中已經(jīng)超過15年。如果能達到25至30年的標準，它將取代硅電池。”
其實，豐田、長城等中外車企以及電池霸主寧德時代早就瞄上了鈣鈦礦。電動汽車是未來鈣鈦礦電池最有前景的應(yīng)用載體之一，因為在電動汽車上貼一層太陽能薄膜，可以產(chǎn)生足夠的電能驅(qū)動車輛。
雖然現(xiàn)在這個遠景還未實現(xiàn)商業(yè)化，但這些有實力的巨頭們在任何一個有可能成為未來趨勢的技術(shù)高點，都會提前動作。
提前入局
鈣鈦礦又熱絡(luò)起來，是最近寧德時代洽購太陽能光伏組件企業(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能電池技術(shù)（Tunnel Oxide Passivated Contact solar cell），是一種先進的光伏晶硅電池技術(shù)。它基于選擇性載流子原理，通過在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，從而提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
光伏行業(yè)普遍認為，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，且更具性價比。
正在從實驗室向商用轉(zhuǎn)化的鈣鈦礦電池，需要與硅基底電池形成疊層的串聯(lián)太陽能電池，以實現(xiàn)設(shè)想中的30%的光電轉(zhuǎn)換效率。也因此，寧德時代洽購一道新能源被視為加速布局鈣鈦礦電池。
不過，寧德時代董事長曾毓群9月27日稱，并未考慮收購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，寧德時代通過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，寧德時代董事長曾毓群在業(yè)績說明會上表示，公司鈣鈦礦光伏電池研究進展順利，正在搭建中試線。2023年5月份，寧德時代在SNEC光伏大會暨（上海）展覽會發(fā)布了全球首個零輔源光儲融合解決方案。今年3月，寧德時代公布了“鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法與用電裝置”專利。
有實力的車企也在這個賽道上鋪開投資。
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)團隊，重心放在能量轉(zhuǎn)換效率的突破上。
幾乎同時，長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)威機構(gòu)認證，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)效率達到19.7％，今年5月，這個數(shù)字變?yōu)?0.7％，再次刷新紀錄。
2023年6月，源自京都大學(xué)的日本太陽能初創(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”，力爭到2030年搭載于純電動汽車（EV）的車頂?shù)?。今?月19日，EneCoat Technologies宣布完成55億日元C輪融資，由豐田成長基金WovenCapital領(lǐng)投，INPEX和三菱HCCapital參投。
無論是國內(nèi)還是海外，主流車企及產(chǎn)業(yè)鏈鏈主開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，除了美國的光伏巨頭First Solar還在堅持薄膜技術(shù)路線，全球95%以上的市場份額都是晶硅電池。
鈣鈦礦電池企業(yè)Swift Solar CEO 喬·讓（Joel Jean）今年8月稱，這是因為硅片價格便宜，多年前人們還在問硅片價格能不能降到1美元/瓦，沒人會想到很快就降到了20美分。
喬·讓認為，成本會隨著規(guī)模生產(chǎn)降下來。理論上，鈣鈦礦光伏電池成本將達到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，鈣鈦礦電池擁有較多優(yōu)勢。
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33％，雙層結(jié)構(gòu)可達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，將來除了電動汽車可以實現(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多年時間。
衡量光伏電池性能最重要的指標之一，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一，都會在業(yè)內(nèi)引起極大的震動。
由于光電轉(zhuǎn)換效率更高，鈣鈦礦電池對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，才能達到同樣效果。
而它的商業(yè)化量產(chǎn)是個難題。
喬·讓稱，鈣鈦礦比晶硅電池實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，目前沒有一個非常成熟的供應(yīng)鏈。
喬·讓認為，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，在高溫下它們會移動、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)合往往會降解鈣鈦礦。而對于太陽能電池板來說，高溫和光是兩個不可避免的因素。
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，每年會損失8%的轉(zhuǎn)化效率。這已經(jīng)是在過去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)甚至機械斷裂、電池剝落等問題。這些都是在熱循環(huán)測試時出現(xiàn)的狀況。
喬·讓稱，在過去的六個月里，自己的公司已經(jīng)努力做到了鈣鈦礦電池在高溫下進行 3000小時的測試而不會退化。
不過這距離晶硅太陽能電池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，因為這是沒有明顯技術(shù)差距的賽道，被認為是打破當前光伏行業(yè)同質(zhì)化競爭最有希望的技術(shù)方向。各方都想要在這個賽道中率先沖出來占據(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)換效率分別可以達到33%、45%。
公開消息統(tǒng)計，目前國內(nèi)有5家企業(yè)完成百MW級鈣鈦礦組件產(chǎn)線搭建，分別是協(xié)鑫光電、極電光能、仁爍光能、纖納光電、萬度光能，其中前4家均選擇了產(chǎn)業(yè)化進程發(fā)展較快的單結(jié)電池路線。
仁爍光能的GW產(chǎn)線▼
喬·讓認為，單結(jié)電池路線商業(yè)化量產(chǎn)速度確實更快，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，沒有特別大的競爭優(yōu)勢，除非具有價格優(yōu)勢，其轉(zhuǎn)換效率并不比這兩者中的任何一個好很多，甚至可能比不上最好的晶硅面板。好的晶硅面板可以達到接近25%的轉(zhuǎn)換效率。
碲化鎘面板▼
當鈣鈦礦電池的轉(zhuǎn)化效率達到27%—28%之間，才是它真正與晶硅相比具備顯著優(yōu)勢的時候。
一位業(yè)內(nèi)人士對汽車商業(yè)評論預(yù)判，未來3-5年，鈣鈦礦電池面板將實現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)，五到七年內(nèi)能達到30%的轉(zhuǎn)換效率。
喬·讓補充道，這不意味著晶硅被淘汰，晶硅由于成本便宜，將會繼續(xù)存在，只不過是作為硅基鈣鈦礦疊層面板的底電池。
從物理性能來說，他認為第一個基于鈣鈦礦的市場太陽能產(chǎn)品將是硅基鈣鈦礦疊層面板，預(yù)計第一款產(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光譜。因此，鈣鈦礦實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。頂部的鈣鈦礦電池吸收高能量的光（可見光和紫外線），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，從而達到理想中30%的轉(zhuǎn)換效率。
至于哪個技術(shù)路線會成為主流，至少要5年之后了。
