鈣鈦礦電池行業(yè)調研與市場研究報告2024-2026

2024-2026鈣鈦礦電池行業(yè)調研與市場研究報告匯報時間：2024-08-02匯報人：楊雅博目錄定義或者分類特點產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展歷程政治環(huán)境商業(yè)模式政治環(huán)境目錄經(jīng)濟環(huán)境社會環(huán)境技術環(huán)境發(fā)展驅動因素行業(yè)壁壘行業(yè)風險行業(yè)現(xiàn)狀行業(yè)痛點問題及解決方案行業(yè)發(fā)展趨勢前景機遇與挑戰(zhàn)競爭格局定義分類特點01什么是鈣鈦礦電池鈣鈦礦的命名來自于俄羅斯礦物學家Perovski的名字，1839年，德國科學家GustavRose在俄國考察中在烏拉爾山脈發(fā)現(xiàn)元素組成為CaTiO礦物，為紀念俄國礦物學家LevAlekseyevichvonPerovski，GustavRose將該礦物命名為“Perovskite”。鈣鈦礦最初是單質鈦酸鈣（CaTiO）這種礦物，后來則將結構為ABX以及與之相似的晶體統(tǒng)稱為鈣鈦礦物質，所以鈣鈦礦太陽能電池中既沒有鈣也沒有鈦。在鈣鈦礦八面體結構中，A屬于較大的陽離子，B屬于較小的陽離子，X是陰離子，每個A離子都被B和X離子一起構成的八面體包圍。由于鈣鈦礦光吸收系數(shù)高、載流子遷移率大、合成辦法簡單等優(yōu)點，鈣鈦礦材料被認為是下一代最具前景的光電材料之一。定義產(chǎn)業(yè)鏈02鈣鈦礦原材料和制造設備上游鈣鈦礦電池制造商中游新能源汽車、光伏產(chǎn)業(yè)下游產(chǎn)業(yè)鏈010203發(fā)展歷程03政治環(huán)境04描述工信部、財政部、商務部等五部門聯(lián)合印發(fā):《加快電力裝備綠色低碳創(chuàng)新發(fā)展行動計劃》:發(fā)揮重大工程牽引帶動作用，鼓勵具備基礎和條件的地區(qū)，積極推進電力裝備重點領域技術和產(chǎn)品推廣應用。其中，太陽能裝備方面，推動TOPCon、HJT、IBC等晶體硅太陽能電池技術和鈣鈦礦、疊層電池組件技術產(chǎn)業(yè)化，開展新型高效低成本光伏電池技術研究和應用，開展智能光伏試點示范和行業(yè)應用?？萍疾?、發(fā)改委、工信部等九部門聯(lián)合印發(fā):《科技支撐碳達峰碳中和實施方案(2022—2030年)》:提出到2025年實現(xiàn)重點行業(yè)和領域低碳關鍵核心技術的重大突破；到2030年，進一步研究突破一批碳中和前沿和顛覆性技術。研發(fā)高效硅基光伏電池、高效穩(wěn)定鈣鈦礦電池等技術，研發(fā)碳纖維風機葉片、超大型海上風電機組整機設計制造與安裝試驗技術、抗臺風型海上漂浮式風電機組、漂浮式光伏系統(tǒng)。研發(fā)高可靠性、低成本太陽能熱發(fā)電與熱電聯(lián)產(chǎn)技術，突破高溫吸熱傳熱儲熱關鍵材料與裝備。研發(fā)具有高安全性的多用途小型模塊式反應堆和超高溫氣冷堆等技術。開展地熱發(fā)電、海洋能發(fā)電與生物質發(fā)電技術研發(fā)。發(fā)改委、國家能源局、財政部等九部門聯(lián)合印發(fā):《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》:加強前瞻性研究，加快可再生能源前沿性、顛覆性開發(fā)利用技術攻關。重點開展超大型海上風電機組顏值、高海拔大功率風電機組關鍵技術研究，開展光伏發(fā)電戶外實證示范，掌握鈣鈦礦等新一代高效低成本光伏電池制備及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術，突破適用于可再生能源靈活制氫的電解水制氫設備關鍵技術，研發(fā)儲備鈉離子電池、液態(tài)金屬電池、固態(tài)鋰離子電池、金屬空氣電池、鋰硫電池等高能量密度儲能技術。部門:政策文件:主要內容#主要寫行業(yè)政策文件及其主要內容政治環(huán)境1政治環(huán)境工信部、財政部、商務部等五部門聯(lián)合印發(fā)《加快電力裝備綠色低碳創(chuàng)新發(fā)展行動計劃》:發(fā)揮重大工程牽引帶動作用，鼓勵具備基礎和條件的地區(qū)，積極推進電力裝備重點領域技術和產(chǎn)品推廣應用。其中，太陽能裝備方面，推動TOPCon、HJT、IBC等晶體硅太陽能電池技術和鈣鈦礦、疊層電池組件技術產(chǎn)業(yè)化，開展新型高效低成本光伏電池技術研究和應用，開展智能光伏試點示范和行業(yè)應用。科技部、發(fā)改委、工信部等九部門聯(lián)合印發(fā)《科技支撐碳達峰碳中和實施方案(2022—2030年)》:提出到2025年實現(xiàn)重點行業(yè)和領域低碳關鍵核心技術的重大突破；到2030年，進一步研究突破一批碳中和前沿和顛覆性技術。研發(fā)高效硅基光伏電池、高效穩(wěn)定鈣鈦礦電池等技術，研發(fā)碳纖維風機葉片、超大型海上風電機組整機設計制造與安裝試驗技術、抗臺風型海上漂浮式風電機組、漂浮式光伏系統(tǒng)。研發(fā)高可靠性、低成本太陽能熱發(fā)電與熱電聯(lián)產(chǎn)技術，突破高溫吸熱傳熱儲熱關鍵材料與裝備。研發(fā)具有高安全性的多用途小型模塊式反應堆和超高溫氣冷堆等技術。開展地熱發(fā)電、海洋能發(fā)電與生物質發(fā)電技術研發(fā)。發(fā)改委、國家能源局、財政部等九部門聯(lián)合印發(fā)商業(yè)模式05經(jīng)濟環(huán)境06我國為實現(xiàn)碳達峰、碳中和“3060”目標需要的投資規(guī)模在100萬億元以上，其中光伏產(chǎn)業(yè)占比頗高，而更高效率、更低成本的光伏電池——鈣鈦礦電池，將會是光伏發(fā)電大規(guī)模商業(yè)化應用的重要支撐。經(jīng)濟環(huán)境我國經(jīng)濟不斷發(fā)展，幾度趕超世界各國，一躍而上，成為GDP總量僅次于美國的唯一一個發(fā)展中國家。我國經(jīng)濟趕超我國人口基數(shù)大，改革開放后人才競爭激烈，大學生就業(yè)情況一直困擾著我國發(fā)展過程中。就業(yè)問題挑戰(zhàn)促進社會就業(yè)公平問題需持續(xù)關注并及時解決，個人需提前做好職業(yè)規(guī)劃與人生規(guī)劃重中之重。公平就業(yè)關注經(jīng)濟環(huán)境社會環(huán)境07總體發(fā)展穩(wěn)中向好我國總體發(fā)展穩(wěn)中向好，宏觀環(huán)境穩(wěn)定繁榮，對于青年人來說，也是機遇無限的時代。關注就業(yè)公平與提前規(guī)劃促進社會就業(yè)公平問題需持續(xù)關注并及時解決，對于個人來說提前做好職業(yè)規(guī)劃、人生規(guī)劃也是人生發(fā)展的重中之重。就業(yè)問題與人才競爭我國人口基數(shù)大，就業(yè)問題一直是發(fā)展過程中面臨的挑戰(zhàn)，人才競爭激烈，大學生畢業(yè)后就業(yè)情況、失業(yè)人士困擾國家發(fā)展。政治體系與法治化進程自改革開放以來，政治體系日趨完善，法治化進程也逐步趨近完美，市場經(jīng)濟體系也在不斷蓬勃發(fā)展。中國當前的環(huán)境下描述了當前技術發(fā)展的日新月異，包括人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等前沿技術的涌現(xiàn)。技術環(huán)境需求增長、消費升級、技術創(chuàng)新等是行業(yè)發(fā)展的主要驅動因素，推動了行業(yè)的進步。發(fā)展驅動因素行業(yè)壁壘包括資金、技術、人才、品牌、渠道等方面的優(yōu)勢，提高了新進入者的難度。行業(yè)壁壘我國經(jīng)濟不斷發(fā)展技術環(huán)境08技術驅動技術環(huán)境的發(fā)展為行業(yè)帶來了新的機遇，是行業(yè)發(fā)展的重要驅動力。創(chuàng)新動力技術環(huán)境的不斷創(chuàng)新和進步，為行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展提供了有力支持。人才需求技術環(huán)境的發(fā)展促進了人才的需求和流動，為行業(yè)的人才隊伍建設提供了機遇。團隊建設技術環(huán)境的發(fā)展要求企業(yè)加強團隊建設，提高員工的技能和素質，以適應快速變化的市場需求。合作與交流技術環(huán)境的發(fā)展促進了企業(yè)間的合作與交流，推動了行業(yè)的整體發(fā)展。技術環(huán)境0102030405發(fā)展驅動因素09發(fā)展驅動因素自2019年至今，鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)發(fā)展支持政策持續(xù)出臺?！丁笆奈濉蹦茉搭I域科技創(chuàng)新規(guī)劃》指出支持高效鈣鈦礦電池制備與產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術，具體方向為研制基于溶液法與物理法的鈣鈦礦電池量產(chǎn)工藝制程設備，開發(fā)高可靠性組件級聯(lián)與封裝技術，研發(fā)大面積、高效率、高穩(wěn)定性、環(huán)境友好型的鈣鈦礦電池；開展晶體硅/鈣鈦礦、鈣鈦礦/鈣鈦礦等高效疊層電池制備及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術研究。2022年6月，由華能清能院主持編制的中電聯(lián)《鈣鈦礦光伏組件》標準送審稿順利通過專家組審查。專家組一致認為《鈣鈦礦光伏組件》標準技術框架結構合理、內容全面、可操作性強，與有關標準相協(xié)調，總體達到國際先進水平。這是我國首個鈣鈦礦光伏組件的通用技術標準。產(chǎn)業(yè)支持政策持續(xù)出臺,為鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)發(fā)展護航2020年9月，我國提出“碳達峰”、“碳中和”的愿景目標，其中發(fā)展綠色建筑成為實現(xiàn)減碳目標的重要手段，BIPV也將迎來持續(xù)增長。目前，我國及各省市十四五規(guī)劃綱要多提及BIPV相關內容，為其帶來發(fā)展新機遇。特別是提到“到2030年，實現(xiàn)應裝盡裝”，BIPV正在從提倡，走向全面強制推廣，國內市場空間或將迎爆發(fā)式增長。雙碳背景下BIPV市場空間有望持續(xù)增長當前我國多家實驗室及商業(yè)公司在鈣鈦礦太陽能電池技術上刷新著世界紀錄，總體上，我國鈣鈦礦太陽能光伏電池技術與國外先進水平基本持平。今年2月份，華東師范大學教授方俊鋒團隊與中科院寧波材料技術與工程研究所副研究員李曉冬合作，創(chuàng)造了新的反型鈣鈦礦電池效率世界紀錄，轉化效率首次實現(xiàn)大于24%；4月份，經(jīng)中國計量科學研究院檢測認證，極電光能研發(fā)團隊在300cm2的大尺寸鈣鈦礦光伏組件上，創(chuàng)造了12%轉換效率新的世界紀錄。技術進步華能、三峽等集團積極參與鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)布局，華能集團2025年建成工程示范電站。中國華能是較早從事鈣鈦礦技術研發(fā)的能源企業(yè)，通過數(shù)年艱苦攻關，掌握了從實驗室電池、微型模組到中試組件的全流程制備技術。由新能源公司和清能院共同開發(fā)的三代線級別中試組件在轉換效率、組件尺寸等關鍵技術指標均達到國際領先水平。華能集團于2015年已實現(xiàn)18%效率，2021年實現(xiàn)3500cm2級世界最大單體鈣鈦礦電池效率15%，2023年完成平米級量產(chǎn)組件，2024年完成100MW級能源裝備，2025年實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)落地與工程示范。中國長江三峽集團下屬三峽資本以戰(zhàn)略投資者身份注資纖納光電，2021年，中國長江三峽集團科學技術研究院與纖納光電聯(lián)合開發(fā)的鈣鈦礦-晶硅四端子疊層組件（鈣鈦礦組件和PERC晶硅組件疊加），經(jīng)泰爾實驗室（嘉興）測試認證，在面積約為20cm2的組件上獲得了263%的光電轉換效率。央企參與布局，2025年建成工程示范電站行業(yè)壁壘10行業(yè)風險11行業(yè)現(xiàn)狀12市場情況描述行業(yè)現(xiàn)狀鈣鈦礦電池極限轉換效率優(yōu)勢突出。對于晶硅太陽能電池來說，其理論極限轉換效率為24%，普通單晶硅電池在理想狀態(tài)下轉換效率極限為25%，HJT電池理論極限轉換效率為25%，TOPCon電池理論極限轉換效率為27%。但相比之下，鈣鈦礦單層電池理論效率極限可達31%，晶硅/鈣鈦礦雙節(jié)疊層效率可達35%，三節(jié)層電池理論極限則可躍升至45%，且如果在鈣鈦礦中摻雜新型材料，其轉換效率最高可達50%。鈣鈦礦轉換效率更高的原因是作為吸收層的鈣鈦礦禁帶寬度為5eV左右，吸收波長范圍更窄，但吸收系數(shù)很大。行業(yè)現(xiàn)狀01市場份額變化鈣鈦礦電池的弱光性能優(yōu)勢突出。理論研究表明，光伏電池在弱光下的發(fā)電效率與能帶間隙有關，在接近2eV帶隙時，光伏電池在弱光下的發(fā)電效率高達52%，而鈣鈦礦材料帶隙可調、光吸收系數(shù)較高，且對雜質不敏感，其在弱光下仍具有突出的光電轉換效率，據(jù)了解，鈣鈦礦光伏電池在200Lux的弱光下仍可輸出25%以上的光電轉換效率。相比而言，晶硅的帶隙約為1eV，離2eV相差甚遠，弱光下發(fā)電效率極低。鈣鈦礦優(yōu)異的弱光性能，意味著其有望將室內照明的弱光和室外的弱光利用起來進行發(fā)電，這也是鈣鈦礦光伏與傳統(tǒng)硅基光伏一個顯著區(qū)別。鈣鈦礦材料能帶間隙可調節(jié)，較為靈活。晶硅太陽能電池只有單一的帶隙，因此其性能的優(yōu)化空間和應用場景都十分受限。而鈣鈦礦材料可以通過調節(jié)組分，使能帶間隙在4-3eV之間調節(jié)，進而衍生出更多的應用。如:將鈣鈦礦間隙調整至2eV左右，可有效利用弱光進行發(fā)電；而將鈣鈦礦薄膜做成不同顏色或者半透明狀態(tài)，則可用在質輕的柔性基底實現(xiàn)建筑光伏一體化，即BIPV或BAPV；也可以通過調節(jié)間隙將鈣鈦礦制作成疊層電池，從而使不同波長的光能轉化為電能，進一步提高光電轉換效率。行業(yè)現(xiàn)狀02市場情況鈣鈦礦太陽能電池的制程耗時明顯減少，一體化工廠大幅降低生產(chǎn)成本。晶硅電池需要至少在四個不同的工廠分別加工硅料、硅片、電池、組件，單位制程至少需要3天以上，同時還需要大量的人力、運輸成本等。根據(jù)協(xié)鑫納米的數(shù)據(jù)，鈣鈦礦太陽能電池的生產(chǎn)流程較為簡單，僅需45分鐘就可將玻璃、膠膜、靶材、化工原料等在一個工廠內加工成組件，極大地縮短了制程耗時，簡化了流程，價值高度集中。n鈣鈦礦電池產(chǎn)能投資額僅為晶硅產(chǎn)能投資額的一半，成本進一步降低。協(xié)鑫光電總經(jīng)理進一步指出，晶硅1GW的產(chǎn)能（包含硅料、硅片、電池、組件）投資額在16億元左右，而協(xié)鑫納米鈣鈦礦的第一條100MW的設備產(chǎn)線投資在1億元左右，1GW產(chǎn)能投資額僅為5億元，是晶硅產(chǎn)能投資的一半，且未來在形成規(guī)模量產(chǎn)后，產(chǎn)能投資額將進一步降低。n從原材料角度分析，鈣鈦礦原材料對雜質不敏感且容易獲得，用量也大幅減少。晶硅類太陽能電池對硅料純度要求需達99999%，而鈣鈦礦材料對雜質不敏感，95%純度以上的鈣鈦礦即可滿足生產(chǎn)使用需求，且原材料為基礎化工材料，不含稀有元素，容易獲得，因此，鈣鈦礦電池不存在原材料瓶頸。行業(yè)現(xiàn)狀鈣鈦礦理論極限效率高于晶硅電池，可達30%以上鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）單結理論極限效率超30%，疊層模式下可達40%以上，相比晶硅電池效率提升空間大，主要因為人工設計后的鈣鈦礦材料帶隙可以達到或接近s-q理論下吸光層最優(yōu)帶隙（3-5ev）。異質結/鈣鈦礦疊層電池理論極限效率可突破40%，高于單結晶體硅太陽能電池理論極限效率243%。根據(jù)EcoMat研究表明鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池的理論效率極限為46%，遠高于單結晶硅電池極限243%。如果摻雜新型材料，鈣鈦礦電池的轉換效率最高能達到的50%，是目前晶硅電池的2倍左右。鈣鈦礦材料通過人工設計帶隙可以達到s-q理論下吸光層最優(yōu)帶隙，導致最高光電轉化率可超過30%。通過調整鹵素A、B和X含量實現(xiàn)鈣鈦礦帶隙與能帶結構的移動。A位:陽離子半徑越小，對應的鈣鈦礦帶隙越大，例如，Cs、MA和FA離子半徑依次增大，對應得到的CsPbI3、MAPbI3和FAPbI3鈣鈦礦的帶隙依次減小，分別為73eV、57eV和48eV。B位:通常采用Sn替代Pb作為B位，Sn含量的逐增，鈣鈦礦材料帶隙減小，例如CsPbI3的帶隙為73eV，F(xiàn)APbI3的帶隙為48eV，F(xiàn)ASnI3的帶隙為40eV，CsSnI3的帶隙為30eV。X位:Br離子摻雜使鈣鈦礦帶隙增加。根據(jù)Shockley-Queisser理論，單結太陽能電池吸光材料的禁帶寬度在34eV時，其理論光電轉換效率可達最高的37%，通常認為吸光層材料的最優(yōu)帶隙為3-5eV，越接近于此效率越高。人工設計的鈣鈦礦材料，帶隙可以非常接近于最優(yōu)帶隙，目前最常用的鈣鈦礦材料MAPbI3和FAPbI3的禁帶寬度位于5-6eV，其理論最大光電轉化效率均處于30%以上，因此鈣鈦礦是一種十分理想的新型光電材料。01鈣鈦礦電池效率提升速度快是因為材料可設計性強鈣鈦礦電池實驗效率從2009年的8%提升至目前的27%，電池效率提升速度遠快于晶硅電池的核心原因是鈣鈦礦電池材料可設計性強。鈣鈦礦電池效率提升速度非?？?，2009年誕生時效率為8%，SangⅡSeok結合兩步法旋涂成膜，2017年將效率提高到21%，2018年，JunHongNoh等通過一種無溶劑固相反應的方法將效率提升到235%，2022年，蔚山先進能源技術研究開發(fā)中心和洛桑聯(lián)邦理工學院將膠體QD-SnO2牢固地連接到c-TiO2表面，形成了連續(xù)、薄和共形的SnO2層，基于雙層電子傳輸層將PSCs效率提升到了27%。鈣鈦礦光伏技術與晶硅技術的根本性差異在于鈣鈦礦材料的設計性。晶硅電池效率在1989年達到28%，之后近四十年沒有很大的突破。鈣鈦礦電池從2009年至2022年，效率增長都較為迅速且持續(xù)，這是因為，光伏應用中的鈣鈦礦材料選擇比較靈活，是人工設計的晶體材料，可以通過人工設計不斷尋找性能更好、成本更低的材料，不斷改進設計從而提升電池性能。而晶硅材料只能提純、結構不能改變。所以，鈣鈦礦技術與晶硅技術的競爭，是成千上萬種鈣鈦礦材料和一種晶硅材料的競爭。而且鈣鈦礦太陽能電池的理論上限為33%，比晶硅的23%高了將近4個百分點，目前仍具有較大的上升空間。02行業(yè)痛點13穩(wěn)定性是制約鈣鈦礦電池發(fā)展的主要問題之一從三角模型可以看出，鈣鈦礦電池在效率和成本上都領先晶硅電池發(fā)展，但鈣鈦礦的穩(wěn)定性差，即壽命短，現(xiàn)階段鈣鈦礦太陽能電池的T80壽命約為4,000小時，而晶硅電池則有25年以上的壽命，二者差距較大，壽命短使得鈣鈦礦電池難以進一步發(fā)展。鈣鈦礦電池不穩(wěn)定的原因主要包括吸濕性、熱不穩(wěn)定性、離子遷移、紫外線、器件測試過程中的光照等。鈣鈦礦電池面臨著大面積制備較難的困境盡管鈣鈦礦電池在實驗室中獲得了較高的光電轉換效率，但實際生產(chǎn)工藝中難以達到實驗中的標準，因此會受到更多因素的影響，且實驗室中制備的鈣鈦礦電池器件面積都比較小，市場應用則需要面積更大的器件。而大面積器件薄膜的覆蓋率、均勻性難以把控，且電阻也會增加，進而增加電池的串聯(lián)電阻，導致性能下降。環(huán)保問題阻礙鈣鈦礦電池發(fā)展的另一個因素鈣鈦礦電池的毒性主要來自內部的鉛元素，鉛元素一旦泄露會產(chǎn)生嚴重的環(huán)境污染問題，因此國際上很多國家和地區(qū)都將鉛元素列為禁止使用的材料。研究人員嘗試過使用錫來替代鉛，但電池的性能也下降了。但相較于晶硅行業(yè)用鉛量（不能超過0.1%）來說，鈣鈦礦電池用鉛量實際更低，不足0.01%。030201行業(yè)痛點問題及解決方案14行業(yè)發(fā)展趨勢前景15發(fā)展趨勢前景描述隨著鈣鈦礦電池效率、壽命提升，度電成本有望持續(xù)下降:隨著行業(yè)發(fā)展日益成熟，未來F