光伏革命4.0:鈣鈦礦電池新突破 光伏市場新焦點?

Posted by: Pickers 10-08-2022 無評論

在全球氣候變化和「3060雙碳」目標下,光伏技術發展受到世界各國的廣泛重視。光伏發電技術的關鍵部分是光伏電池,其電池效率的高低主宰組件的性能發揮。而近日,瑞士科學家成功打破串聯硅鈣鈦礦太陽能電池效率,達到 31.25%;中科院研究團隊在 Science 發文稱其 FAPbl3 鈣鈦礦電池獲得 25.6%的認證功率,並在 85℃運行 500小時後依舊保持 80%效率,從而令資本市場的焦點放在此第三代電池身上。鈣鈦礦光伏電池憑著成本低、效率高,被外界認為是最有希望實現低成本發電的新型光伏技術之一。

太陽能光伏電池的發展,大致可以分為三代。第一代是晶硅太陽能電池;第二代是薄膜太陽能電池;高倍聚光電池、柔性太陽能電池等新技術則統稱為第三代太陽能電池。目前,主流的是第一代晶硅太陽能電池,佔比高達95%,薄膜電池的市場份額正在逐步擴大(佔比僅5%左右),第三代電池大部分還處於實驗室研發階段。

A. 晶硅電池:可分為單晶硅電池、多晶硅電池,單晶佔絕對主流。2021 年我國單晶硅片(P 型+N 型)合計市占率 94.5%,其中 P 型占比 90.4%,N 型占比 4.1%,預計單晶硅片市占率將進一步增大且 N 型占比有望加速提升。從電池技術路線來看,2021 年 PERC 電池市占率達到 91.2%,平均轉換效率 23.1%,同比提升 0.3pct; 2021 年 TOPCon、HJT 電池市占率約 3%,其中 TOPCon 電池平均轉換效率達到 24%;HJT 電池平均轉換效率 24.2%。

B. 薄膜電池:分為非晶硅薄膜電池以及化合物電池。相較於晶硅電池,非晶硅薄膜電池具有較好的低溫特性,同功率非晶硅電池產生更多的年發電量。化合物電池主要包括碲化鎘(CdTe)、銅銦硒(CuInSe)、銅銦鎵硒(CuInGaSe)、砷化鎵(GaAs)、鈣鈦礦(perovskite)等。薄膜電池具有衰減低、重量輕、材料消耗少、製備能耗低、適合與建築光伏一體化(BIPV)等特點。碲化鎘(CdTe)、銅銦硒(CuInSe)、砷化鎵(GaAs)等已實現商品化。

太陽能電池經封裝成為太陽能組件,不同太陽能電池的應用取決於自身特點與市場需求的發展。早期的太陽能主要應用於通訊基站和人造衛星等,後來逐漸進入民用領域,如太陽能屋頂。在這些場景下,安裝面積小,能量密度需求高,因而晶硅組件佔據了主要的市場份額。隨著大型太陽能荒漠電站以及BIPV的發展,綜合成本逐漸取代能量密度成為了考慮的重要因素,薄膜電池的長期應用呈現上升趨勢。

鈣鈦礦電池的優勢主要包括:

(1)更高的光電轉換效率:鈣鈦礦材料由於是直接帶隙材料,吸光性能遠遠優於晶硅材料。正因為如此,晶硅電池理論光電轉換效率為 29.3%;單結鈣鈦礦電池理論光電轉換效率為 33%。

(2)成本優勢:按單位產能投資來看,1GW 晶硅電池,以目前最主流的 PERC 電池為例,硅料、硅片、電池片、組件環節單 GW 投資額分別為 3.45 億元、4 億元、1.5 億元、0.65 億元,合計為 9.6 億元。相比較而言,鈣鈦礦1GW 投資額,從化工原料到組件環節,合計約 5 億元左右。另外,從組件厚度來看,晶硅電池組件的厚度通常為 100 多微米,鈣鈦礦電池組件厚度約為 0.3 微米 。

(3)受溫度影響小:鈣鈦礦電池組件溫度係數約為-0.001,趨近於零;而晶硅電池組件溫度係數約為-0.3,即每上升 1 攝氏度,功率將下降 0.3%。由於趨近於零的溫度係數,鈣鈦礦電池的發電效率將高於晶硅電池。

但從產業化角度,鈣鈦礦電池還有很長的路要走。穩定性角度,鈣鈦礦材料比較脆弱,不同材料與結構可能存在不耐高溫、易水解、易氧化等,在大面積襯底下難以控制薄膜均勻性,效率與穩定性會有所下降。含鉛,目前的合成鈣鈦礦一般是有機—無機金屬鹵化物鈣鈦礦,鈣鈦礦電池由於含鉛從而帶來環境問題。

由於純製造鈣鈦礦電池相關的公司數目不多,筆者會介紹一間從事浮法及光伏玻璃生產銷售的金晶科技(600586)。金晶科技的光伏玻璃佈局主要分2條路線:一方面佈局超白壓延玻璃,應用於目前佔據95%份額的晶硅組件;同時前瞻性佈局透明導電玻璃(TCO)玻璃,應用於薄膜組件(受益於BIPV產業趨勢)及鈣鈦礦組件(第三代太陽能電池技術)。光伏玻璃中金晶科技不能算是龍頭(市佔率只有X),產能只佈局於寧夏(日焙量3000噸)及馬來西亞(日焙量1000噸),主要供貨給隆基,東方日升及晶科等一線廠商。

然而,市場現階段最關注是纖納光電在浙江衢州舉行首批鈣鈦礦商用組件發貨儀式,用於省內工商業分散式鈣鈦礦電站;疊加美國最大薄膜組件廠商FIRST SOLAR (FSLR) 將在2024-2026年期間向現有客戶Intersect Power提供2.4GW直流電薄膜光伏組件。而TCO玻璃是在平板玻璃表面通過物理或化學鍍膜方法均勻鍍上一層透明的導電氧化物薄膜。TCO 玻璃具有對可見光高透過率和高導電率,是光伏薄膜電池組件及鈣鈦礦電池組件的主要配件。光伏超白壓延玻璃僅佔晶硅電池組件8%成本,而在鈣鈦礦電池組件中TCO玻璃成本佔約3分之1。除金晶外,目前 TCO 玻璃生產商主要為外資,如日本旭硝子(AGC)、日本板硝子(NSG)等,公司較國內企業具備先發優勢。

此外,薄膜組件由於轉換效率較低(相比單晶組件低2-3pct),目前在光伏組件出貨中市場份額較低,但薄膜組件的「差異化」優勢,使得其在BIPV產業趨勢下有望實現高增長,如:

(1)擁有更好的抗遮擋表現:BIPV專案地點多在城市區域,在安裝光伏幕牆的時候需要考慮到抗遮擋的因素。相比晶硅組件,薄膜光伏組件因為沒有晶片的模組化限制,在受到遮擋時被遮擋部分表現為斷路,而不輸出功率,不產生熱效應,降低了火災等安全隱患。

(2)美觀性強:薄膜光伏組件從結構上來講沒有晶硅光伏電池的單片單組,外觀一致性要大大優於晶硅光伏組件;可定制性更強,其組件可切割成不同形狀,更能滿足建築外觀對於美觀的要求。而且薄膜電池具備顏色可調整的優勢,目前市場上採用薄膜電池技術生產的BIPV組件幾乎涵蓋所有常見色系。

(3)透光率高:晶硅電池的透光率較低,想要改善組件的透光性只能通過降低電池片的排布密度,這會減少組件功率。薄膜太陽能電池則有更好的透光性,可以更好地滿足建築物對於自然光線的需求,可以根據建築採光需求製作出不同透光率的BIPV組件。

2021公司產品性能得到國內外客戶認可,已成為美國太陽能電池板製造商 First Solar 的供應商。目前在馬來西亞建設有 2 條 500t/d 的 TCO 玻璃產線,分別為前板及背板玻璃,其中背板玻璃已點火生產,前板玻璃也將於年內投產,滿產產能約 2500 萬平方米。

提升電池效率,背後涉及到材料體系、電池結構、封裝等等環節。當前,全球光伏界正在對鈣鈦礦的效率衰減和穩定性進行科技攻關,光伏產業變革的十字路口,用10年時間走完晶硅電池50年發展之路的鈣鈦礦橫空出世,光伏即將迎來再一次顛覆。

以上個股分析純為個人意見,不構成投資建議。 C 基金未持有有文中金晶科技上市公司的長/短倉。

關於作者: 伍信安(SEAN NG)鵬格斯資產管理的投資分析師,覆蓋新能源和互聯網板塊

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