新質生產力視角下浙江鈣鈦礦太陽能電池產業發展路徑研究

摘 要：新材料是新質生產力的重要構成，鈣鈦礦作為新一代太陽能電池材料，能夠大幅提高光電轉換效率，對推動太陽能電池產業發展至關重要。鈣鈦礦太陽能電池與傳統晶硅電池相比，具有光電轉換效率高、成本低、能耗低、應用場景豐富等突出優勢，是下一代光伏技術的“頭號種子”。文章立足于新質生產力的視角，在總結分析國內外鈣鈦礦太陽能電池技術創新和產業發展趨勢的基礎上，從研發能力、產業鏈、政策環境等方面，剖析制約浙江省鈣鈦礦太陽能電池技術創新和產業高質量發展的難點堵點，并提出相關對策建議，為浙江在新質生產力賽道上的競爭提供參考。

關鍵詞：新質生產力 鈣鈦礦太陽能電池 光伏技術 新材料 新能源

中圖分類號：F206文獻標識碼：A

文章編號：1004-4914（2024）12-154-03

新材料是新質生產力的重要構成，新材料產業是戰略性、基礎性產業，也是高技術競爭的關鍵領域。鈣鈦礦作為新一代太陽能電池材料，能夠大幅提高光電轉換效率，且原材料成本與消耗低，對推動太陽能電池產業發展至關重要。鈣鈦礦太陽能電池（Perovskite solar cells，PSCs）是第三代新型太陽能電池，與傳統晶硅電池相比，具有光電轉換效率高、成本低、能耗低、應用場景豐富等突出優勢，是下一代光伏技術的“頭號種子”，入選2022年度中國科學十大進展。從全球范圍來看，鈣鈦礦太陽能電池的研發主要集中在中國、美國、韓國、日本等國家和地區。然而，盡管整體發展態勢良好，但中國在鈣鈦礦太陽能電池的部分關鍵環節，如特定高分子材料和制造設備等方面仍存在對外依賴性。當前，國家已發布多項規劃支持鈣鈦礦太陽能電池研發和產業化，多個省市也紛紛啟動鈣鈦礦太陽能電池項目建設，產業發展進入重要窗口期。浙江省作為光伏產業大省，面臨階段性產能過剩、同質化競爭的困境，亟需提前“卡位”鈣鈦礦太陽能電池新賽道，搶抓產業“風口”，以技術突破搶占新一輪綠色能源發展高地，繼續在綠色發展、低碳發展上走在全國前列。鑒于此，本文在總結分析國內外鈣鈦礦太陽能電池技術創新和產業發展趨勢的基礎上，剖析浙江省鈣鈦礦太陽能電池產業存在的問題和面臨的挑戰，并提出相關對策建議，為浙江在新質生產力賽道上的競爭提供參考。

一、研究綜述

在“碳達峰”“碳中和”的國家戰略引領，以及全球能源轉型與綠色可持續性議題日益受到重視的背景下，鈣鈦礦太陽能電池備受關注。目前，國內外學術界對于鈣鈦礦太陽能電池的研究主要集中在以下幾個方面：一是關于鈣鈦礦太陽能電池的發展歷程、電池結構和工作原理等，如朱彧等[1]、楊英等[2]從鈣鈦礦晶格結構和器件結構入手，介紹了鈣鈦礦太陽能電池的發展歷程、電子傳輸層的作用機理和制備方法等。二是關于鈣鈦礦太陽能電池關鍵技術及其應用等，如蔣超凡等[3]從鈣鈦礦薄膜制備和透明電極開發的維度，總結半透明鈣鈦礦太陽能電池的關鍵技術，并對半透明鈣鈦礦太陽能電池在疊層光伏器件和溫室農業光伏中的應用展開分析與討論;Jaeki Jeong等[4]通過摻雜類鹵素陰離子HCOO—來抑制FAPbI3薄膜中的陰離子缺陷、提高結晶強度，成功獲得25.6%器件效率（認證電池效率達到25.2%），同時器件具有長期的運行穩定性（450小時）。三是對常見的幾種太陽能電池進行比較分析，如許慶巖等[5]、李波等[6]對硅基太陽能電池、薄膜太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池等太陽能電池的轉換效率、結構和穩定性等進行了比較研究。四是討論分析鈣鈦礦太陽能電池商業化所面臨的關鍵挑戰，并對未來鈣鈦礦太陽能電池的發展進行展望，如馬曉輝等[7]認為全無機鈣鈦礦因其良好的熱穩定性成為未來最有可能使鈣鈦礦太陽能電池實現商業化的主要材料，但如何穩定鈣鈦礦的晶相仍然是該領域面臨的主要挑戰;王愛麗等[8]認為疊層電池如與硅電池結合或者全鈣鈦礦疊層電池將是未來重要發展方向。

二、國內外鈣鈦礦太陽能電池產業發展趨勢

（一）光電轉換效率不斷突破，比較優勢充分顯現

追求高轉化效率是光伏電池發展的動力所在。在功率大型化發展趨勢，以及硅基材料成本與資源約束的雙重壓力下，傳統晶硅太陽能電池的光電轉換效率提升空間變得尤為有限，目前，晶硅太陽能電池的光電轉換效率（26.8%）已經逼近理論極限效率（29.4%），因此，尋求新型光伏材料和技術路線成為突破現有瓶頸制約、實現更高的能源轉化效率的關鍵所在。歷經10余年的發展，單結鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率已經從3.8%提升至26.7%[9]，其理論轉換效率可達31%，而疊層鈣鈦礦太陽能電池的理論轉換效率更是達到45%，具有極強的發展潛力。此外，鈣鈦礦太陽能電池具備顯著的成本優勢，單位產能投資僅相當于傳統晶硅電池的1/2。鈣鈦礦太陽能電池產業鏈垂直一體，涉及生產設備少，生產效率高，單位能耗僅為傳統晶硅電池的1/10，對于推進光伏行業降本增效具有重要意義。

（二）中國處于領跑地位，但部分關鍵領域仍受制于人

從專利申請看，近5年全球鈣鈦礦太陽能電池相關專利申請量為7984件，中國專利占比達71.26%，位居全球第1位。全球專利申請人排名前20的機構中，中國機構有15家，占75%。但在高價值專利數量方面，中國仍落后于美、日、韓（表1）。從實際制備看，中國在部分高分子材料和關鍵設備方面還依賴進口，如用于封裝的光伏級EVA樹脂進口依賴度達到40%，聚烯烴彈性體POE粒子幾乎全部依賴進口，大面積的真空鍍膜設備仍需從歐洲、美國進口。

（三）產業化進程不斷提速，但仍面臨兩大難題

當前，鈣鈦礦太陽能電池產業化發展主要集中在中國，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別的生產能力，寧德時代、比亞迪等電池領域巨擘也紛紛入局。據統計，2023年中國鈣鈦礦太陽能電池組件產能約為1.25GW，2030年將突破140GW，在全球范圍內處于領先地位。但整體上看，鈣鈦礦太陽能電池尚處于商業化初期階段，目前多為小試中試產線，大規模制備面臨兩大難題。一方面，鈣鈦礦材料受環境因素影響較大，存在不耐高溫、易水解氧化、光照下離子遷移等問題，如何提高實際工況下電池的穩定性需要進一步研究。另一方面，目前報道的高效率鈣鈦礦太陽能電池都是在環境可控的手套箱中制備的實驗室規模器件（有效面積小于1cm2）[10]，產業化條件下大面積批量制備存在工藝和技術障礙。

三、浙江省鈣鈦礦太陽能電池技術創新和產業化存在的主要問題

（一）具備一定產學研基礎，但缺乏領軍型科研力量

近5年，浙江省鈣鈦礦太陽能電池領域專利申請總量為509件（其中發明專利441件），發表論文934篇，分居全國第4、第6位，落后于江蘇、廣東、北京等省市（表2）。從專利申請人看，纖納光電、愛旭太陽能、浙江大學、中科院寧波材料所等具備較強的研發實力，在鈣鈦礦太陽能電池材料制備、組件設計等方面處于國際領先地位。產學研合作較為緊密，有41件專利是企業與高校院所共同申請。但浙江省高價值專利僅有108件，占比21%，低于江蘇（33%）、廣東（27%）。全國專利申請前10名的機構中，浙江省僅有纖納光電1家，缺乏全國性領軍企業和研發機構。

（二）產業配套優勢顯著，但產業鏈關鍵環節有待補齊

浙江省是全國第二大光伏組件制造省份，擁有寧波、嘉興、衢州、義烏4大光伏制造基地，擁有光伏輔材企業120余家，覆蓋硅錠、電池片、組件、漿料、光伏發電系統等各環節，具備強大的產業配套能力。在鈣鈦礦太陽能電池領域，浙江省產業化進程相對領先，纖納光電研發制造的鈣鈦礦商用α組件已實現批量化生產和應用，其位于內蒙古的全球首個商業化運行的兆瓦級鈣鈦礦地面光伏項目成功并網。但從產業鏈來看，浙江省鈣鈦礦太陽能電池企業主要集中在中游，上游原材料及蒸鍍、涂布、激光劃線等核心設備企業缺乏，產業鏈垂直整合能力不及江蘇、廣東，產業對外依存度相對較高。從價值鏈來看，占據40%成本的核心輔材——TCO玻璃仍然存在“卡脖子”技術瓶頸，省內缺乏相關研發機構和企業布局，處于產業價值鏈中低端。

（三）積極加強戰略布局，但政策支持力度有待提升

近年來，國家和各地方政府高度重視鈣鈦礦太陽能電池產業發展。國家層面，先后發布《加快電力裝備綠色低碳創新發展行動計劃》《關于組織開展可再生能源發展試點示范的通知》等多項政策性文件，支持鈣鈦礦及疊層太陽能電池等新型、先進、高效光伏電池技術研發和應用，并積極推動產業化落地。地方層面，江蘇、廣東、上海、河北、山西、山東等多個省市也紛紛出臺專項政策給予重點支持，如山東出臺《關于支持鈣鈦礦太陽能電池產業發展的若干措施》，從關鍵技術研發、示范應用和場景拓展、產業體系建設等方面，全方位推動鈣鈦礦太陽能電池產業發展（表2）。浙江省在《浙江省推動新能源制造業高質量發展實施意見（2023—2025年）》中，將鈣鈦礦太陽能電池作為重點發展方向，但與江蘇、山東等省市相比，專項政策體系尚不完善，缺乏實質性支持措施，企業政策訴求強烈，鈣鈦礦太陽能電池初創型企業普遍對科研項目支持、新產品的推廣應用等政策需求較大。

四、加快推進浙江省鈣鈦礦太陽能電池產業發展的對策建議

（一）加強頂層設計和統籌布局

建立鈣鈦礦電池發展統籌推進機制，推動各部門政策協調和工作協同。加強頂層設計和政策供給，研究制定鈣鈦礦電池產業發展專項規劃，加速推動浙江省鈣鈦礦電池商業化進程。聚焦集群培育，持續優化鈣鈦礦電池產業布局，重點支持杭州、寧波、衢州做優做強鈣鈦礦電池及組件產業集群，支持嘉興、金華等地加快大型光電基地和光伏裝備制造一體化布局。支持海寧、秀洲、義烏3個智能光伏產業核心區布局發展鈣鈦礦電池產業，提升鈣鈦礦電池、智能光伏組件等產品規模化量產能力。

（二）強化關鍵核心技術協同攻關

聚焦鈣鈦礦電池產業化面臨的大面積制備、穩定性等難題，開展核心技術攻關。重點支持浙江大學、浙江工業大學、中科院寧波材料所等開展鈣鈦礦電池穩定性衰減機理與老化測試模型等基礎研究，為產業發展提供理論支撐。支持纖納光電牽頭，聯合合特光電、眾能光電、巨化等產業鏈上下游企業以及高校院所，組建創新聯合體等關鍵環節，開展產學研聯合攻關，推動大面積、高質量、長效穩定的鈣鈦礦薄膜制備，加快推動浙江省鈣鈦礦電池產業化進程。

（三）打造一批細分行業“領跑者”

聚焦鈣鈦礦電池及材料骨干企業和高成長性企業，分類制定企業培育計劃，引導資源、技術、人才、資金等要素向重點企業聚集，打造一批細分行業領軍企業。支持纖納光電、眾能光電、合特光電等企業申報國家科技重大專項、參與重大科技攻關，進一步提升行業影響力。發揮浙江省產業配套優勢，加大科技招商力度，聚焦產業鏈延鏈補鏈強鏈，大力招引一批核心設備企業、TCO玻璃企業落戶，進一步推動鈣鈦礦產業鏈垂直一體化布局，提升產業價值鏈。發揮龍頭企業引領作用，聯合高校院所組建鈣鈦礦電池產業標準化聯盟，加快推動鈣鈦礦電池關鍵技術、核心設備、先進工藝等行業標準研制，搶占行業話語權。

（四）拓展多元化應用場景

基于鈣鈦礦電池具備輕薄、可見光吸收能力強、弱光響應好、可在柔性基材上制備等特征，積極拓展室內光伏、光伏建筑一體化、移動充電、車載光伏、航天航空等多種應用場景，優先推進一批鈣鈦礦電池示范試點項目。加快鈣鈦礦、高效儲能和超充、算力等技術整合，推動“鈣鈦礦光伏+儲能+充電樁”光儲充一體化應用，為浙江省加快構建新型電力系統提供支撐。以應用場景為牽引，組織實施科技示范工程，支持在具備條件的地面電站、建筑園區等典型場景開展鈣鈦礦電池示范應用。

（五）加強資金投入和推廣支持

鈣鈦礦電池尚處于產業化初期，需要長期穩定的資金支持。充分發揮財政資金引導作用，構建“科研項目+產業基金”的多元化長效投入模式，建議省級層面針對鈣鈦礦電池設立“投早、投小、投硬”的種子基金、天使基金，支持省內潛力高、成長性好的優質鈣鈦礦電池項目和初創企業發展，探索“以投代股”“撥投結合”支持模式，引導社會資本加大投入。加大推廣支持力度，優先支持首次投向市場、具有較大帶動作用的鈣鈦礦電池產品納入政府采購首臺（套）產品目錄，積極推薦鈣鈦礦電池申報國家能源領域首臺（套）重大技術裝備。

參考文獻：

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[9] 劉小容.中國科大團隊刷新世界紀錄 研發的鈣鈦礦電池穩態效率達26.7%[N].合肥日報，2024-7-9（A03）

[10] Idi' goras J，Aparicio F J，Contreras-Bernal L，et al. Enhancing moisture and water resistance in perovskite solar cells by encapsulation with ultrathin plasma polymers[J].ACS Applied Materials & Interfaces，2018，10（14）：11587-11594.