​继锂矿之后，丰田和长城们瞄上这种矿

继锂矿之后，丰田和长城们瞄上这种矿

撰文 / 周 洲编辑 / 黄大路设计 / 师 超

未来，你的手机、背包、汽车车顶，都有可能成为小小发电站。

理论上，它只需要在这些终端上涂上一层薄薄的膜。这层薄薄的膜，被称为钙钛矿。

这种钙钛矿既不含钙，也不含钛。它是一种比头发丝还要薄 100 多倍的晶体结构化合物，通式为 ABX3，名称源自于同名矿物钙钛矿（CaTiO3，perovskite）。

它其实是一种太阳能薄膜技术，是太阳能电池的一种新技术，能够实现比现在的硅片太阳能电池更高的光电转换效率，从而提高太阳能利用率，减少对占地面积巨大的太阳能发电场的需求。

自 2009 年首次研发出钙钛矿以来，世界各地的各种学术实验室尝试了大量材料，发表了数千篇关于不同材料、不同设备结构的钙钛矿论文，但一直没能规模化商用。

在 9 月 27 日 -29 日举办的 2024 世界新能源汽车大会上，斯坦福大学教授朱棣文称，" 新材料钙钛矿的发展令人振奋。钙钛矿电池与硅电池叠层或自身的层状结构都取得了显著的进展，有望将太阳能电池的效率提升至 30% 以上。更令人欣慰的是，钙钛矿电池的耐用性在加速寿命测试中已经超过 15 年。如果能达到 25 至 30 年的标准，它将取代硅电池。"

其实，丰田、长城等中外车企以及电池霸主宁德时代早就瞄上了钙钛矿。电动汽车是未来钙钛矿电池最有前景的应用载体之一，因为在电动汽车上贴一层太阳能薄膜，可以产生足够的电能驱动车辆。

虽然现在这个远景还未实现商业化，但这些有实力的巨头们在任何一个有可能成为未来趋势的技术高点，都会提前动作。

提前入局

钙钛矿又热络起来，是最近宁德时代洽购太阳能光伏组件企业一道新能源事宜。

一道新能源前不久中止 IPO 后，转身为自己找买主。其最近完成的一轮融资资金，将主要用于高效 N 型 TOPCon 3.0 电池、组件产能的提升。

TOPCon 技术全称为隧穿氧化层钝化接触太阳能电池技术（Tunnel Oxide Passivated Contact solar cell），是一种先进的光伏晶硅电池技术。它基于选择性载流子原理，通过在 N 型硅衬底电池的背面制备一层超薄的氧化硅层，再在其上沉积一层掺杂硅薄层，形成钝化接触结构，有效降低表面复合和金属接触复合，从而提高太阳能电池的光电转换效率。

光伏行业普遍认为，突破晶硅电池极限的下一代光伏技术是叠层电池。相比于 XBC（交叉指式背接触电池，是 N 型高效光伏电池技术的一种），TOPCon 更适合作为叠层电池的底电池，且更具性价比。

正在从实验室向商用转化的钙钛矿电池，需要与硅基底电池形成叠层的串联太阳能电池，以实现设想中的 30% 的光电转换效率。也因此，宁德时代洽购一道新能源被视为加速布局钙钛矿电池。

不过，宁德时代董事长曾毓群 9 月 27 日称，并未考虑收购包括一道新能源在内的光伏企业。

电池一哥早就提前入局钙钛矿电池。

2020 年，宁德时代通过控股子公司瑞庭投资参投协鑫光电。

协鑫光电的钙钛矿电池▼

2022 年 5 月份，宁德时代董事长曾毓群在业绩说明会上表示，公司钙钛矿光伏电池研究进展顺利，正在搭建中试线。2023 年 5 月份，宁德时代在 SNEC 光伏大会暨（上海）展览会发布了全球首个零辅源光储融合解决方案。今年 3 月，宁德时代公布了 " 钙钛矿太阳能电池及其制备方法与用电装置 " 专利。

有实力的车企也在这个赛道上铺开投资。

2023 年 11 月上旬，比亚迪官宣布局下一代光伏技术——钙钛矿，并组建了一支专业化的光伏技术研发团队，重心放在能量转换效率的突破上。

几乎同时，长城汽车旗下的光伏企业极电光能有限公司（下称极电光能）宣布，经权威机构认证，公司研发的 810.1 平方厘米的大尺寸钙钛矿组件稳态效率达到 19.7％，今年 5 月，这个数字变为 20.7％，再次刷新纪录。

2023 年 6 月，源自京都大学的日本太阳能初创企业 Enecoat Technologies 和丰田宣布，将共同研发被视为新一代光伏电池首选的 " 钙钛矿型光伏电池 "，力争到 2030 年搭载于纯电动汽车（EV）的车顶等。今年 7 月 19 日，EneCoat Technologies 宣布完成 55 亿日元 C 轮融资，由丰田成长基金 WovenCapital 领投，INPEX 和三菱 HCCapital 参投。

无论是国内还是海外，主流车企及产业链链主开始密集地和光伏的最新技术发生 " 化学反应 "。

效率高，但寿命短

第一代光伏电池是晶硅材料，第二代是薄膜，钙钛矿被视作第三代新材料。

目前，除了美国的光伏巨头 First Solar 还在坚持薄膜技术路线，全球 95% 以上的市场份额都是晶硅电池。

钙钛矿电池企业 Swift Solar CEO 乔 · 让（Joel Jean）今年 8 月称，这是因为硅片价格便宜，多年前人们还在问硅片价格能不能降到 1 美元 / 瓦，没人会想到很快就降到了 20 美分。

乔 · 让认为，成本会随着规模生产降下来。理论上，钙钛矿光伏电池成本将达到 0.6 元 / 瓦，比 1 元 / 瓦的晶硅低了 40%。

与现在大量应用的晶硅光伏电池相比，钙钛矿电池拥有较多优势。

在光电转化效率上，晶硅电池理论转化极限效率为 29.43％，钙钛矿电池理论上单层结构转化效率可达 33％，双层结构可达 44.3％。

此外，钙钛矿电池非常轻薄。每平方米的晶硅电池重量为 10-15 公斤，而钙钛矿电池厚度约为 1 微米，相当于一张 A4 纸厚度的 1％，加上玻璃、封装材料、钢框架和其他部件后实际产品重量为晶硅电池的 1/10，且透光性好，可以弯曲，将来除了电动汽车可以实现整车覆盖，还能用于可穿戴设备上。

它的电池光电转化效率提升的速度也非常快。

现在的晶硅光伏电池转化效率由最初的 3％提升到目前的 26％左右，用了近 80 年时间，而钙钛矿电池转化效率由最初的 3.8％提升到目前的 20％左右，只用了 10 多年时间。

衡量光伏电池性能最重要的指标之一，就是光电转换效率。光伏电池的转换效率每提高百分之零点一，都会在业内引起极大的震动。

由于光电转换效率更高，钙钛矿电池对于材料浓度的要求较低，95% 纯度的钙钛矿就能生产出光电转换效率在 20% 以上的光伏电池，而现有的晶硅电池则要求材料纯度在 99.999% 以上，才能达到同样效果。

而它的商业化量产是个难题。

乔 · 让称，钙钛矿比晶硅电池实际上使用的材料要少上 100 多倍，但它的设备成本还比较高，目前没有一个非常成熟的供应链。

乔 · 让认为，阻碍钙钛矿电池商业化最大的障碍是产品的稳定性。

合成钙钛矿电池是在低温下形成的。ABX3 含有四五种不同分子的材料，在高温下它们会移动、分离，甚至与电池的其他部分发生反应。

在七八月的高温天气下，高温与光相结合往往会降解钙钛矿。而对于太阳能电池板来说，高温和光是两个不可避免的因素。

因此，钙钛矿面板比晶硅面板退化得更快，电池的寿命要短得多，使用寿命只有 5 年，每年会损失 8% 的转化效率。这已经是在过去 5 年中得到显著改善的结果。

除了热降解之外，还有湿气侵入、可能发生的化学反应甚至机械断裂、电池剥落等问题。这些都是在热循环测试时出现的状况。

乔 · 让称，在过去的六个月里，自己的公司已经努力做到了钙钛矿电池在高温下进行 3000 小时的测试而不会退化。

不过这距离晶硅太阳能电池 25-30 年的寿命相比，还是太短。

单结 & 叠层？

欧美日中都在盯着钙钛矿，因为这是没有明显技术差距的赛道，被认为是打破当前光伏行业同质化竞争最有希望的技术方向。各方都想要在这个赛道中率先冲出来占据领先地位。

钙钛矿电池主要包括单结和叠层两种电池结构，二者的极限光电转换效率分别可以达到 33%、45%。

公开消息统计，目前国内有 5 家企业完成百 MW 级钙钛矿组件产线搭建，分别是协鑫光电、极电光能、仁烁光能、纤纳光电、万度光能，其中前 4 家均选择了产业化进程发展较快的单结电池路线。

仁烁光能的 GW 产线▼

乔 · 让认为，单结电池路线商业化量产速度确实更快，但是和现有的晶硅电池面板以及 First Solar 的碲化镉面板相比，没有特别大的竞争优势，除非具有价格优势，其转换效率并不比这两者中的任何一个好很多，甚至可能比不上最好的晶硅面板。好的晶硅面板可以达到接近 25% 的转换效率。

碲化镉面板▼

当钙钛矿电池的转化效率达到 27% — 28% 之间，才是它真正与晶硅相比具备显著优势的时候。

一位业内人士对汽车商业评论预判，未来 3-5 年，钙钛矿电池面板将实现商业化量产，五到七年内能达到 30% 的转换效率。

乔 · 让补充道，这不意味着晶硅被淘汰，晶硅由于成本便宜，将会继续存在，只不过是作为硅基钙钛矿叠层面板的底电池。

从物理性能来说，他认为第一个基于钙钛矿的市场太阳能产品将是硅基钙钛矿叠层面板，预计第一款产品的效率将在 25% 以上。

硅和钙钛矿吸收光谱的不同部分。硅可以更广地吸收光谱，但它不能有效地覆盖整个光谱。因此，钙钛矿实际上吸收了较小子集的光谱，但效率更高。

硅基钙钛矿叠层面板就是在传统的硅基晶圆太阳能电池板上添加一层钙钛矿。晶硅具有吸收和转换低能量光的优势。顶部的钙钛矿电池吸收高能量的光（可见光和紫外线），将低能量的光传输到底部电池，然后晶硅以更高的效率转换该部分光谱，从而达到理想中 30% 的转换效率。

至于哪个技术路线会成为主流，至少要 5 年之后了。