鈣钛礦泛指化學結構通式爲 ABX3 的化合物。鈣钛礦電池是利用鈣钛礦型的有機 - 無機雜化金屬鹵化物半導體作爲吸光材料的新型太陽能電池，可分爲單結鈣钛礦電池、疊層鈣钛礦電池，具有高能量轉化效率、價格低、重量輕、半透明等優良特性，既可做成剛性電池組件應用于集中式電站、分布式電站，又可做成柔性電池組件應用于新能源光伏車頂。
鈣钛礦電池由金屬對電極、空穴傳輸層、鈣钛礦層、電子傳輸層和透明導電玻璃等多個功能層堆疊形成，按照各功能層的排列順序可将其結構大緻分爲介孔結構、正式平面結構和反式平面結構三類。此外，體異質結、梯度異質結等新型組件結構也正處于研發之中。其中，反式平面結構具有制備工藝簡單、成膜溫度更低、與疊層電池器件結構兼容性好等優點，是現階段鈣钛礦電池廠商産業化過程中采用的主流結構。
1、發展曆程：能量轉化效率不斷突破
鈣钛礦電池發展曆程主要分爲發展萌芽階段（2006-2012 年）、初期發展階段（2012-2015）、快速發展階段（2016 年至今），經曆了形态從液态轉變爲固态、能量轉換效率不斷突破的過程。相比晶矽光伏電池曆經 40 餘年達到 29.4% 的光電轉換效率，鈣钛礦光伏電池從 3.8% 提升至 31.3% 僅用 13 年。而随着鈣钛礦電池轉換效率的提升，其産業化進程亦在不斷提速，相關廠商未來研究方向将着眼于克服穩定性不足以及發展大規模制備工藝。
2、發展環境
國家多項利好政策出台，鈣钛礦産業發展步入快車道
作爲第三代非矽薄膜電池的代表，鈣钛礦電池具有高光電轉換效率、低成本、低能耗、應用場景廣的優勢，近年來獲得了國家政策的大力支持。2021 年末，發展鈣钛礦電池關鍵材料及制備技術同時被科技部列入 " 十四五能源領域科技創新規劃 " 和 " 高端功能智能材料 " 重點專項；2022 年 4 月，中國光伏協會設立的鈣钛礦行業标準爲中國鈣缽礦光伏電池的科研研究與産業化發展奠定了基礎，有利于推進鈣钛礦光伏電池标準化工作并助力其規模化發展；進入 2022 年下半年，鈣钛礦電池先後四次獲能源局、科技部、發改委多部門聯合點名認可并積極推動研究、示範和産業化發展工作。
未來，國家能源局和科技部将繼續充分發揮規範和引導作用，并輔以中國光伏協會持續完善鈣钛礦行業标準和技術指标，國内鈣钛礦電池的産業頂層架構将更爲完善，市場規模有望迎來高速增長。
鈣钛礦電池成本低、性能佳，契合光伏産業降本增效主旋律
縱觀光伏産業的發展史，從晶矽太陽能電池到化學薄膜太陽能電池，再到第三代新型薄膜太陽能電池，電池技術不斷叠代，降本增效成爲了貫穿光伏産業發展的主旋律，鈣钛礦電池憑借其性能和成本上的優勢，有望成爲諸多下遊應用場景的最優解。從成本優勢來看，鈣钛礦電池原材料占比少且能耗較低，制程相比晶矽電池耗時顯著縮短，一體化工廠大幅降低生産成本。根據協鑫納米測算，鈣钛礦電池總成本約爲 0.5 元 /W，僅爲晶矽極限成本的 50%；從性能優勢來看，得益于鈣钛礦材料的帶隙寬度與最優區間極爲接近，鈣钛礦電池光電轉換效率明顯優于傳統晶矽太陽能電池，單層、雙節疊層、三節層電池理論效率分别可達 31%、35%、45%。同時，不同于晶矽電池向陽發電，鈣钛礦電池可将室内照明與室外弱光利用起來進行輻照發電，使其在弱光條件下仍可輸出 25% 以上的光電轉換效率。
3、發展現狀
産業鏈剖析：
相比晶矽電池，鈣钛礦太陽能電池的生産工藝流程較爲簡單，産業鏈上遊由原材料（TCO 導電玻璃、膠膜以及光伏玻璃）和設備構成，其中塗布、鍍膜設備是鈣钛礦電池生産的核心設備。中遊是鈣钛礦電池生産商，現階段國内部分龍頭企業已搭建 100MW 級别中試線，産業化進程在全球範圍内處于領先，但距離實現商業化仍存在一定距離，目前主要應用于光伏産業、新能源汽車等。
産業鏈上遊爲原材料和設備。鈣钛礦電池原材料多爲價格較低的基礎化學材料，如鈣钛礦層的 MAPbl3，空穴傳輸層的 Spiro-OMeTAD，電子傳輸層的二氧化钛等，用量少且對雜志不敏感，95% 濃度即可滿足生産使用需求，這一特性決定了鈣钛礦電池上遊的主要技術壁壘集中在設備端。鈣钛礦電池核心設備主要包括真空鍍膜設備、激光設備和塗布設備，現階段産業化進度較快，部分廠商已實現量産交付。鍍膜設備負責生産陽極、陰極緩沖層及背電極，目前供應商以京山輕機爲主，現已具備成熟的供貨能力；塗布設備用來生産鈣钛礦層，其中德滬塗膜的核心塗布設備全球市占率第一；激光設備主要用于對電池進行激光刻蝕和激光清邊，目前邁爲、傑普特、帝爾激光等相關激光設備均已迎來出貨交付階段。由于鈣钛礦制備工藝尚處于驗證階段，因此鈣钛礦電池設備廠商的業務模式多爲訂單先行或采取與其他生産廠商合作，如晟成光伏與協鑫光電在鈣钛礦疊層電池領域展開深入戰略合作，充分發揮各自在工藝、設備上的優勢，聯合開發鈣钛礦與疊層電池的工藝及相關設備。
産業鏈中遊由衆多鈣钛礦電池廠商構成。鈣钛礦電池的生産過程包含多個功能薄膜的制備及采購，透明導電玻璃通常從玻璃廠商處直接采購，而電極層、電子傳輸層和空穴傳輸層的制備路徑較爲相似，包括磁控濺射法、蒸餾法、反應等離子沉積法、狹縫塗布法等。鈣钛礦層的制作在很大程度上影響鈣钛礦器件的性能，是制備過程的核心環節，其成膜質量受環境溫度、濕度、含氧量、退火溫度、退火時間、操作手法等多個因素影響，現階段大面積制備鈣钛礦層薄膜的技術主要由溶液塗布法、噴頭噴出法、軟膜覆蓋法、氣相沉積法等四種方式構成，不同技術路徑間各有優勢，大規模量産工藝尚處探索之中。
從産能角度來看，現階段鈣钛礦電池仍處于試産籌劃階段，各廠商研發和量産效率持續攀升，部分龍頭企業如協鑫光電、纖納光電、極電光能等已具備百兆瓦級别的生産能力，纖納光電更是已有鈣钛礦組件出貨，但整體成品的穩定性、光電性仍需測試，生産線工藝流程仍需不斷完善。新晉參與者如甯德時代、奧聯電子、曜能科技、合特光能紛紛跟進啓動鈣钛礦電池中試線建設，有望進一步推動鈣钛礦電池加速邁入規模化階段，按照各家廠商發布的量産規劃，2023 年我國鈣钛礦組件産能約爲 1.25GW，這一數據将于 2030 年達到 142GW，在全球範圍内處于領先。同時，産線規模化效應将推動鈣钛礦電池生産成本進一步降低。以纖納光電企業爲例，其新建的 100MW 産線将産能提升 5 倍，投資額卻僅爲 2.4 倍，據企業自身測算， 若産能繼續提升 10 倍，産線投資額将僅爲 2.25 倍。
鈣钛礦太陽能電池下遊應用場景以光伏産業（BIPV、分布式電站和地面電站）和新能源汽車爲主。從光伏産業角度來看，鈣钛礦疊加晶矽的剛性組件較其他光伏技術優勢明顯，可被應用于分布式電站和地面光伏電站；而鈣钛礦電池質量輕、厚度小、柔性大、半透明等優良特性使其同樣可被制成均勻柔和的透光、彩色玻璃柔性組件，将光伏組件的實用性與建築設施的美學完美融合，有望成爲 BIPV（光伏建築一體化）的最優解。國家能源局提出于 2030 年底試點地區黨政機關、公共建築、工商業廠房、農村居民屋頂安裝光伏發電的比例分别達到 50%、40%、30%、20%，這一政策或将推動 BIPV 成爲鈣钛礦的最佳産業化路徑之一。從新能源車角度來看，将鈣钛礦電池應用于汽車太陽能車頂可提供更高的光電轉化效率，從而縮短充電時間并增加續航。據仁爍光能測算，若新能源汽車頂棚全部替換爲鈣钛礦光伏玻璃，面積以 2 平方米計算，每日發電量可提升 40-60 公裏的行駛裏程。
4、發展趨勢與展望
鈣钛礦發展道阻且長，兩大掣肘亟待突破
現階段，鈣钛礦電池大面積制備效率較低、穩定性差兩大問題嚴重制約了産業化發展進程。
一方面，鈣钛礦穩定性差由外部環境因素和内部因素共同影響所導緻，未來廠商将着眼材料改性、結構優化、強化封裝工藝等方式加強鈣钛礦器件的穩定性。（1）材料改性。材料改性指的是鈣钛礦電池層、電荷傳輸層和空穴傳輸層的摻雜及改良，如通過混合具有更小離子半徑的 Cs+，提升 FA+ 和碘化物之間的相互作用，從而加強鈣钛礦層的穩定性；使用具備較高光熱穩定性的有機 - 無機雜化材料提升空穴傳輸層的穩定性；将 SnO2 代替傳統的 TiO2/ZnO 從而加強電子傳輸層的穩定性。（2）結構優化。鈣钛礦電池的類三明治結構、鈣钛礦層離子晶體結構使其難以避免離子遷移過程導緻的相鄰功能層之間的互相影響。未來通過在鈣钛礦電池各相鄰功能層中加入緩沖層、備制複合電極等工序，從而優化器件結構，是解決鈣钛礦器件内部離子遷移，提高鈣钛礦器件穩定性的可行路徑。（3）加強封裝。相比 EVA 材料，POE 有着更優的阻水性和更強的紫外線穩定性，丁基膠則具備更低的水汽透過率。因此，膠膜采用 POE+ 封邊采用丁基膠的封裝方案可有效解決鈣钛礦電池外部水氧因素導緻的不穩定和鈣钛礦分解生成毒性鉛洩露等問題。
另一方面，受限于大面積薄膜沉積設備和工藝水平尚不成熟，且激光劃線易産生電阻損耗、熱損傷、死區，導緻産業始終無法突破大面積制備鈣钛礦組件效率和質量偏低這一痛點。未來，結晶工藝的進展（快速成核提高薄膜高覆蓋率；緩慢結晶改變粗糙度和晶粒尺寸）有望直接影響大面積鈣钛礦器件的光電轉換效率。此外，改進激光刻線工藝、增加鈣钛礦電池有效光照面積，優化電池串并聯結構等也有望成爲提高大面積制備鈣钛礦電池效率的可行路徑方案。
随着大規模制備工藝和穩定性不佳兩大難題被逐漸攻克，預計鈣钛礦電池産業将于 2026 年正式邁入量産階段，屆時滲透率有望迎來爆發式增長，市場規模将在 2030 年達到 950 億。*
* 資料來源：頭豹研究院《2022 年中國鈣钛礦光伏電池行業概覽》、東吳證券《鈣钛礦行業深度報告：下一代光伏電池新秀，産業化曙光初現》
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