当晶硅光伏趋近技术极限，下一代材料钙钛矿等待拐点到来

 

编辑 | 韩舒淋

如果说以光伏为代表的新能源带动了能源从资源型产业向制造业转型，那么钙钛矿的出现意味着未来能源领域的变革将由材料创新推动。

当前95%以上的光伏发电设备均以晶体硅为基础。硅作为一种储备丰富、稳定性高的半导体材料，支撑着光伏产业一路从幼小到发展壮大，但它已趋近瓶颈。

晶硅电池的光电转换效率的理论极限是29.4%，实验室效率在2016年突破26.3%后，花了九年时间才提升到27.81%，量产效率也已接近27%。在逼近理论极限的过程中，晶硅技术很难再出现代际性的差异，厂商们以微小的差距迭代，产品也愈发同质化。

隆基绿能近两年力推的BC（背接触）电池，可能是晶硅光伏最后一个新故事。未来两到三年内，晶硅光伏技术或将达到天花板，而钙钛矿的故事则刚开始。

钙钛矿（CaTiO3）于1839年被一位德国矿物学家在俄罗斯发现，并以俄罗斯矿物学家列夫·佩罗夫斯基命名，称为Perovskite。但现在业界所指的钙钛矿并不特指这种矿石，而是与其有相同晶体结构的一类化合物。这类通式为ABX3的化合物，通过不同元素的组合，可以演变出成千上万种材料。

普通钙钛矿晶体结构 来源：马丁·格林教授等人2014年在Nature Photonics上发表的文章

钙钛矿结构具备多种优异的光电性能，在光伏等领域有巨大的应用潜力。钙钛矿单结电池的理论效率极限为33%，叠层电池的理论效率极限则高达45%。单结电池只有一个钙钛矿吸光层，叠层电池则有两层或多层吸光材料，可以吸收不同波长的太阳光，提升对光谱的利用效率。

2009年，日本科学家首次将有机金属卤化物钙钛矿材料应用于太阳能电池中，转换效率只有3.8%。但目前，钙钛矿单结实验室效率已经突破26%，叠层实验室效率已经超过34%。

在没有政策特殊保护和大力补贴的情况下，钙钛矿用十几年时间，走过了晶硅40余年的发展历程。

但任何一项科研上令人心潮澎湃的技术，其产业化、商业化的过程往往是艰辛而漫长的。十年前，国内以协鑫光电范斌、纤纳光电姚冀众等为代表的创业者开始探索钙钛矿电池产业化。直至今日，这一领域已涌入众多玩家，并开始出现“吉瓦级”产线。

但钙钛矿距离真正量产还有距离。尽管当前已经有不少百兆瓦（MW）产线，吉瓦（1吉瓦=1000兆瓦）级产线也在酝酿，但大多数产线只是零星生产销售，不成规模。

在产品性能方面，高效率、大面积、长寿命仍然是钙钛矿电池需要持续突破的“不可能三角”。尽管实验室战报不断刷新纪录，但这些战报很少明示产品面积，更不会提稳定性数据。在可商业化的面积上实现稳效协同，是钙钛矿产品走向市场必须解决的问题。

钙钛矿在当前开启吉瓦级量产的另一个尴尬之处在于，晶硅光伏由于产能过剩，价格已经卷至0.6元/W。而暂未实现规模化生产的钙钛矿，根本无法实现其理想中低至0.5元/W的成本优势，在终端市场缺乏政策保护的情况下，很难获得客户，反哺其生产和融资。

短期内，钙钛矿还无法颠覆晶硅光伏，两者将在很长一段时间内共生共存。

不过，只要清洁能源转型的趋势不变，钙钛矿发展的前景是确定性的。不少业内人士预期，两三年内，钙钛矿单结电池可以在实证层面与晶硅一较高下，叠层电池也将成熟并逐渐普及，钙钛矿已经来到成人礼的“最后一关”。

最后一关

“钙钛矿自身的发展节奏到了（规模化量产）这一步，但离真正的量产和出货还有一段时间。”协鑫光电董事长范斌告诉《财经》，钙钛矿光伏电池已经来到商业化成熟的“最后一关”。

范斌或许是国内最早的钙钛矿创业者。在清华大学化学系念完本科及硕士后，他师从钙钛矿电池奠基人米夏埃尔·格雷策尔，并于2010年成立厦门惟华，即协鑫光电的前身。2013年，这家公司开始专注于钙钛矿的产业化。

“那时候很难，会被别人当成骗子。”范斌回忆，2020年以前，这个方向的创业十分艰难，业内只有纤纳光电、大正微纳等极少数同行者。范斌早期创业艰难，是因为晶硅光伏那时还远未接近理论极限。

2020年起，乘着晶硅光伏火热发展的东风，钙钛矿领域开始被越来越多投资人关注。在2021年至2022年硅料价格暴涨期间，钙钛矿作为一种可以替代晶硅的新材料，热度也到了前所未有的高度。仁烁光能董秘许兰库回忆，2022年，仁烁线上线下接待了超300家投资机构，曾在两周内收到数十家投资机构的意向书。仁烁光能成立于2021年底，专注钙钛矿电池研发和制造。

初创企业如雨后春笋般冒了出来，其中不少是教授创业、校友组团创业。仁烁光能创始人谭海仁教授也是在此期间下海创业。高知创业者们带着知识和技术涌入这个赛道，在资本的支持下，将钙钛矿电池产业化又往前推进了一步。

据钙钛矿工厂行业数据库，目前国内布局钙钛矿光伏电池的企业已超过720家，建成、在建及规划中的百兆瓦级和吉瓦级产线超过210条。

一项技术从实验室到产业化并不容易，中间有太多需要突破的关口。钙钛矿材料在实验室得到初步验证后，往往会先在10MW级小规模实验线、100MW级中试线上验证工艺和试产，而到了更大规模的吉瓦级别，连续化生产成了最大的考验，规律的生产节拍、良率，这些实际的生产数据开始变得比实验室不断刷新的效率更为重要。

适合商用的大面积产品也是钙钛矿电池必须跨过的一个门槛。伴随着更大规模的生产，尺寸类型的数量逐渐收敛。在实验室和中试线上，小到一粒药片、一个指甲盖、一张名片的面积，再到一本书、一块电脑显示屏的面积，都可以产出刷新效率的战报。但到了百兆瓦级中试的生产，以建筑行业玻璃幕墙为参考的1.2米×0.6米规格成为主流，而到了吉瓦级产线，则大多是对标晶硅组件的平米级以上产品，其中又以1.2米×2.4米规格为代表。

面积越大，生产难度呈指数级上升，转换效率却随之降低。实验室里，在很小的面积上采用旋涂法就可以让钙钛矿形成均匀饱满、取向一致的结晶，从而轻易实现20%以上甚至30%以上的效率。但到了大面积生产，旋涂法不再适用，需要探索狭缝涂布、真空镀膜等其他工艺，而面积越大，制备膜层越难，效率的牺牲也更多。

刚性单结钙钛矿电池示意图来源：中泰证券

“转换效率战报可能到了24%，但实际能交付的产品效率只有14%，这就是行业现状。”一位受访者说。实验室效率狂欢和残酷的产业化之间存在着巨大的鸿沟，跨越这个鸿沟是初代钙钛矿创业者的使命。

产业化早期，做材料的不懂设备，做设备的不懂材料。对于钙钛矿这样一个全新的事物，没有现成适配的工艺和设备，一切都需要摸索。

2021年，协鑫光电率先建成平米级大面积钙钛矿电池的百兆瓦产线，给行业打了个样。据范斌介绍，钙钛矿的制备方式与显示面板有相似之处，生产设备也受益于国内强大的面板供应链。协鑫光电早期为大尺寸工艺开发了五六代结晶设备，每一代都采用一些新的工艺、设计方案。

经过几年的发展，跑在前面的企业已经开始试水吉瓦级别的量产。

头部初创公司GW级产线进展及现有部分认证情况

“吉瓦级量产意味着钙钛矿光伏不再是小面积、绣花式的实验品，也不再是中试线上验证性的试产品，而是真正要去接受客户检验的成熟产品。这标志着钙钛矿光伏产业化、商业化进入了一个全面深入的阶段。”极电光能副总裁姜伟龙说。

钙钛矿产线 来源：极电光能

极电光能的吉瓦级量产线已部分投产。姜伟龙表示，极电光能在2022年底投产的150MW中试线上不仅做了钙钛矿的工艺验证，也对规模化、连续化生产做了验证，在中试线良率超95%的基础上，目前吉瓦级量产线现已进入24小时连续稳定运行的良好状态。

此外，协鑫光电、纤纳光电、仁烁光能的吉瓦级产线也在紧密筹备中。

低谷中等待拐点

如今，百兆瓦级中试线已有近十条投产，多条吉瓦级产线箭在弦上。但钙钛矿跨越大规模量产门槛的时机，似乎不太妙。更有业内人士担忧，这是企业在资本压力及融资需求下的仓促之举。

2023年下半年，晶硅光伏产能过剩，价格持续下跌，二级市场也跌跌不休。资本市场的寒气传导到钙钛矿，投资人开始追问：什么时候量产？什么时候市场化销售？什么时候盈利？

到了2024年，尽管钙钛矿融资的消息仍在持续释放，但除了协鑫光电C轮融资5亿元，几乎没有一个项目融资超过1亿元。而在最火热的2022年，有项目的天使轮都能报到5亿元。

在颠覆晶硅的理想叙事中，成本低廉是钙钛矿关键的竞争优势之一。首先是原材料成本低，钙钛矿材料由化工合成，价格便宜，纯度要求低且用量少。在组件成本结构中，钙钛矿材料仅占约3%。其次，晶硅光伏要分成硅料、硅片、电池片、组件四个环节生产，而钙钛矿只需要在一个厂房内就可以完成从原材料到组件的全部生产流程。综合各方测算，实现大规模量产后，钙钛矿组件的单瓦成本仅0.5元-0.6元。

当晶硅组件价格一度达到2元/W，这个理论价格无疑极具吸引力，也让钙钛矿被寄予厚望。但2023年下半年至今，晶硅光伏组件价格一路下跌至0.6元/W，这几乎击溃了钙钛矿的成长逻辑。

而且，由于目前钙钛矿规模较小，成本优势尚未实现。据《财经》综合了解，钙钛矿电池单瓦成本仍在1.3元/W以上。在近期华能光伏先导工程的项目招标中，协鑫光电的中标价格为2.046元/W。不过，头部企业预计，吉瓦产线实现量产满产后，预期单瓦成本可降至1元以内，有企业表示可降至0.6元至0.8元。

据中信证券统计，2023年全球钙钛矿组件出货量仅接近10MW，且基本集中于国内，多以示范性或实验性项目的形式落地。其中，纤纳光电市场份额占比过半。据董事长姚冀众介绍，纤纳光电目前不仅出货给股东之一的三峡集团，也与华电、国电投、中广核等非股东客户共同建设了多个钙钛矿光伏电站示范项目。

来源：纤纳光电

“2023年上半年以前产品还是比较好卖的，但后面被迫只能出货一些示范性的项目。2025年如果整体能卖出100MW，我都觉得咱们行业已经起飞了。”姚冀众指出，大家虽然都在上产能，但能生产出来一片，和按照生产节拍持续生产，以及生产能交付给客户的产品，这三者是完全不同的概念。

“晶硅价格这么低，当下这个阶段，我更愿意踩刹车，稍微慢一点。”姚冀众感慨，当前钙钛矿初创企业既要跑得快，又不能跑得太快；既要做研发、申专利，又不能过度投入以至于成本过高；既要有产能，又不能上太多的产能。“感觉像在鸡蛋上跳舞，时时刻刻都要平衡。”

正泰新能前沿技术研发总监李子佳博士告诉《财经》，钙钛矿目前仍面临几大挑战：其一，产品稳定性有待提升并获得市场认可；其二，材料、工艺与设备的深度融合仍在持续进行；其三，初期投资高，产业链不成熟，仍需通过规模化生产促进降本并完善产业生态；其四，钙钛矿相关标准欠缺，统一的测试方法与行业标准尚未完善，一定程度上会影响产品认证与市场推广。

多位受访者均表示，稳定性是目前钙钛矿要克服的核心问题，这不仅要在技术层面解决，也关乎市场认知。

稳定性意味着使用寿命。对于下游客户来说，组件能用多久，使用期间效率怎样衰减，直接影响着投资回报测算。晶硅光伏电池技术已十分成熟，可以承诺25年以上，甚至是40年的使用寿命。而钙钛矿材料易受水、氧、紫外光和热应力影响，进而导致相分离、离子迁移和效率衰减，第一片钙钛矿电池诞生后，仅过去几分钟，效率就全部衰减。一位钙钛矿领域的研究专家告诉《财经》，要警惕钙钛矿效率在某一时刻断崖式衰减的可能。

姜伟龙表示，近年来钙钛矿从材料到工艺都发生了很大变化，产业化选用稳定性更好的材料，并通过添加剂和钝化层大幅提升钙钛矿膜层的稳定性。从光伏技术经验来看，光伏组件如果稳定性不好，通常在户外运行第一年就会表现出来，很少出现前期非常稳定、后面断崖式衰减的情况。极电的平米级钙钛矿组件实证电站最长已运行18个月，未出现明显衰减。

水和氧气可以通过优化封装来隔绝，而光、热、电等因素的影响，则需要靠调整钙钛矿材料配方，以及生产工艺去解决，这比封装更难，也更为重要。“稳效协同是一个挺煎熬的过程，今天出来一个高效率的配方，为了稳定性做调整后，效率可能就掉下去，又得再想办法提升效率。”纤纳光电CTO（首席技术官）颜步一形容，钙钛矿产业化研发就是不断跌落再攀爬的过程。

当前没有针对钙钛矿产品的标准，业内主要参考晶硅光伏的IEC61215、IEC61730两套标准进行安全与可靠性测试，这也是光伏组件进入市场的通行证。但要真正说服客户，还得有至少一年以上，甚至三年、五年的第三方实证数据。

目前头部厂家均进行了相关认证，2024年以来，各家也开始陆续积累第三方实证数据。姚冀众告诉《财经》，纤纳目前为止是零客诉，也没有更换过组件。其内部最早投入使用的电站已运行约四年，首年衰减约1.5%，后续每年大约是0.5%至0.6%，基本上是早年PERC的水平。

在稳定性验证的等待期内，钙钛矿电池的产业生态也仍需伴随着规模化逐步完善。

设备是初期投资的大头。据《财经》了解，当前钙钛矿设备不存在卡脖子的环节，大多数设备均来源于国内厂商。但一些重要设备，比如涂布机，国内产品目前在效果上不及海外，仍在持续提升中。目前钙钛矿单吉瓦产线的设备投资预计在6亿-7亿元，行业规模扩大后，可降至3亿-4亿元。

辅材也有待降本。姜伟龙提到，以成本占比较高的FTO导电玻璃为例，它是在浮法玻璃的基础上镀了一层透明导电膜，技术难度并不大。但由于国内钙钛矿规模较小，需求不足，目前FTO导电玻璃的采购价格大约是60元/平方米，而美国的First Solar从日本采购仅需34元/平方米。

这是因为，一条FTO玻璃产线可以提供3吉瓦以上的钙钛矿产能，而国内钙钛矿实际产能还没到1吉瓦，分摊成本较高。随着国内量产线持续推进，厂家做FTO导电玻璃的意愿会逐渐提高，成本也会逐渐下降。

业内人士提醒，尽管量产总体上来看是水到渠成，但目前仍有很多问题没有解决，行业发展还是要循序渐进、脚踏实地，也希望外界谨慎看待效率、量产、交付等方面的信息，避免拔苗助长式的期待。

范斌表示，第一条500MW产线跑通后，市场需求可能仍是平缓上升，但两三年内，客户认可钙钛矿产品后，就会呈现指数曲线式的急剧上升。“我们现在能做的就是做好产品，等待拐点到来。”

怎样挑战晶硅

弯道超车的新机会

在晶硅光伏领域，中国与中国的龙头企业已经难以超越。晶硅无疑是当前太阳能发电最稳健、经济的选项，但钙钛矿材料的存在，意味着太阳能发电长期来看不一定要完全依赖晶硅。“下一代太阳能电池”钙钛矿，给海外及跨界企业开辟了新的机会。

英国的牛津光伏在两端叠层领域较为领先，是大尺寸两端叠层的纪录保持者，达到28.6%。2021年，牛津光伏建立了世界首条百兆瓦钙钛矿-晶硅叠层产线，其住宅尺寸的60片组件于2024年实现了26.9%的效率，72片组件实现24.5%效率。不过，该公司并未公布产品寿命方面的信息。4月9日，牛津光伏宣布与天合光能签署独家专利许可协议，用于在中国制造销售钙钛矿产品，并有额外再许可权。

日本聚焦柔性薄膜钙钛矿电池的开发。据日本经济产业省（METI）资源能源厅，钙钛矿电池具备轻量、柔软等特征，可以在屋顶、楼面等场景使用，缓解日本用地紧张的制约。日本政府在绿色创新基金下设立了“下一代太阳能电池开发”项目，计划投入648亿日元预算（约合人民币33亿元）以支持开发钙钛矿技术，推动2030年前实现社会应用。

据METI，钙钛矿太阳能电池的主要材料是碘，日本产量全球第二，约占26%，仅次于智利的65%。METI提出的目标是，要在2030年前建立钙钛矿电池吉瓦级量产，争取屋顶度电成本在2025年达到20日元，2030年达到14日元（分别约合人民币0.7元、0.5元）。

日本代表企业积水化学，目前已经可以连续生产30厘米宽的钙钛矿卷对卷电池，寿命十年，转化效率15%，未来将实现1米宽的量产。2024年底，积水化学与日本开发银行共同成立子公司，计划2027年启动柔性钙钛矿百兆瓦产线，2030年前扩大至1吉瓦，其吉瓦级项目预计将获得1572.5亿日元补贴（约合人民币80亿元）。

据《财经》了解，2024年底，日本开始限制柔性薄膜太阳能电池相关辅材的出口。一位受访者表示，这对柔性钙钛矿的生产有一定影响，但日本这一举措限制国内企业进口相关材料，反而让国内原料厂商看到了市场的确定性，愿意进入这一领域，“国内的降本优势会更明确”。

美国目前有包括Swift Solar在内的多家钙钛矿初创企业，美国能源部（DOE）太阳能技术办公室（SETO）给钙钛矿初创企业提供资助计划。有受访者提示，国内企业要高度重视First Solar，其在薄膜电池领域全球领先，而钙钛矿与薄膜电池在设备和工艺上有部分相似之处，其专利保护可能会形成干扰。“但中国的产业化进度更为领先，即使某些专利形成干扰，中国企业专利对其干扰更多，即使交叉授权，我们也是有优势的。”

一些业内人士认为，即使在钙钛矿这个新兴领域，海外企业也无法再超越中国。依托国内完备的供应链体系，中国的钙钛矿电池在产业化方面远远领先海外。中国的设备虽然有几个零部件做不到海外那样精密，但组装和整机能力更强。“如果美国的公司想要开发钙钛矿，也需要从中国买设备。”一位受访者说。

中国在科研方面也并不落后。钙钛矿领域易出成果，也吸引了不少研究人才，全球6000多个课题组，有一半在中国。几乎与国际同时起步，再依托庞大的研究人才团队，国内钙钛矿的研发水平迅速对齐海外。近两年，国内课题组发的一些论文已经不亚于国外顶尖水平。

新赛道还吸引了一些光伏领域之外的龙头企业。多位受访者告诉《财经》，晶硅光伏的生产经验对钙钛矿而言几乎没有可以借鉴的地方，从研发的角度来看，晶硅龙头和初创企业是站在同一起跑线。“钙钛矿是一种敏感而复杂的材料，需要导入很多工艺去适应它的特性，工艺的深度和广度都远超晶硅。”范斌说。

反而是京东方、TCL华星这类面板企业，在工艺上与钙钛矿有相似之处。同样是半导体技术，面板生产的苛刻程度要比钙钛矿更高，而钙钛矿又比晶硅更复杂。业内人士表示，京东方对工艺更熟悉，因此一上手就做了中试线。

2024年7月，京东方公示其中试线项目，总投资8.71亿元，研发产能91.25万片每年（发电量合计约500MW），10月产出首批样品。最新数据显示，其1.2米×2.4米的钙钛矿薄膜太阳能电池效率达到17.52%。

不过，多位业内人士指出，决定钙钛矿生产的不只是工艺，而是材料、工艺、设备三方面的融合贯通，因此京东方也并没有太大的优势。许兰库提到，做钙钛矿首先要对材料有深刻的理解，从材料出发，对工艺和设备进行改造，沿着这个思路才能迅速推进产业化。

锂电龙头宁德时代也在关注钙钛矿领域。宁德时代曾参股协鑫光电，并从2022年开始搭建百兆瓦中试线，但目前并未公布具体进展。据山西2024年11月发布的消息，大同市正与宁德时代等企业合作，推动1.52MW钙钛矿示范区落地。

钙钛矿当前处于百花齐放的状态，在这条仍大有可为的长赛道上，选手正不断涌入。

一个不可避免的问题是，这种技术在产业化后是否会迅速扩散，导致所有玩家的起跑线几乎被拉平，从而使领跑者失去先发优势？晶硅技术中，以TOPCon为典型，由于设备商集成了制造know-how，可以提供交钥匙的整线服务，在缺乏知识产权保护的情况下，技术迅速扩散，导致产能大量同质化建设。

不少受访者认为，钙钛矿未来也免不了面临类似的技术扩散，但钙钛矿的壁垒相对更高，不是购买设备就可以迅速切入，即便未来设备成熟，在配方等方面依然存在壁垒。

据《财经》了解，当前有一些厂家已经在卖整线，或是提供保效率的技术服务。不过，钙钛矿当前的材料配方仍在不停迭代，需要持续调整工艺去适应新的材料，设备也会随之变动。

“钙钛矿的技术发展可以说是日新月异，从材料配方，到各膜层制备、界面工程等等，每一个环节都还有很多突破点。极电针对各膜层及工艺路线设置的研发小组每个月都会有新的技术突破。”姜伟龙说。

无论是研发还是生产，钙钛矿还有很多要解决的具体目标，以及确定的进步空间。“与晶硅相比，至少我们是不迷茫的。”姚冀众认为，如果技术扩散最终无法避免，那么领头企业的核心竞争力在于，要比别人跑得更快。

“钙钛矿距离效率天花板还很远，走在前面的人更能看清楚下一步该做什么。”范斌说。