新質(zhì)生產(chǎn)力視角下浙江鈣鈦礦太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑研究

摘 要：新材料是新質(zhì)生產(chǎn)力的重要構(gòu)成，鈣鈦礦作為新一代太陽(yáng)能電池材料，能夠大幅提高光電轉(zhuǎn)換效率，對(duì)推動(dòng)太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展至關(guān)重要。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池與傳統(tǒng)晶硅電池相比，具有光電轉(zhuǎn)換效率高、成本低、能耗低、應(yīng)用場(chǎng)景豐富等突出優(yōu)勢(shì)，是下一代光伏技術(shù)的“頭號(hào)種子”。文章立足于新質(zhì)生產(chǎn)力的視角，在總結(jié)分析國(guó)內(nèi)外鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，從研發(fā)能力、產(chǎn)業(yè)鏈、政策環(huán)境等方面，剖析制約浙江省鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的難點(diǎn)堵點(diǎn)，并提出相關(guān)對(duì)策建議，為浙江在新質(zhì)生產(chǎn)力賽道上的競(jìng)爭(zhēng)提供參考。

關(guān)鍵詞：新質(zhì)生產(chǎn)力 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池 光伏技術(shù) 新材料 新能源

中圖分類號(hào)：F206文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4914（2024）12-154-03

新材料是新質(zhì)生產(chǎn)力的重要構(gòu)成，新材料產(chǎn)業(yè)是戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，也是高技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵領(lǐng)域。鈣鈦礦作為新一代太陽(yáng)能電池材料，能夠大幅提高光電轉(zhuǎn)換效率，且原材料成本與消耗低，對(duì)推動(dòng)太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展至關(guān)重要。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（Perovskite solar cells，PSCs）是第三代新型太陽(yáng)能電池，與傳統(tǒng)晶硅電池相比，具有光電轉(zhuǎn)換效率高、成本低、能耗低、應(yīng)用場(chǎng)景豐富等突出優(yōu)勢(shì)，是下一代光伏技術(shù)的“頭號(hào)種子”，入選2022年度中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展。從全球范圍來(lái)看，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研發(fā)主要集中在中國(guó)、美國(guó)、韓國(guó)、日本等國(guó)家和地區(qū)。然而，盡管整體發(fā)展態(tài)勢(shì)良好，但中國(guó)在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的部分關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如特定高分子材料和制造設(shè)備等方面仍存在對(duì)外依賴性。當(dāng)前，國(guó)家已發(fā)布多項(xiàng)規(guī)劃支持鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，多個(gè)省市也紛紛啟動(dòng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池項(xiàng)目建設(shè)，產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入重要窗口期。浙江省作為光伏產(chǎn)業(yè)大省，面臨階段性產(chǎn)能過(guò)剩、同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)的困境，亟需提前“卡位”鈣鈦礦太陽(yáng)能電池新賽道，搶抓產(chǎn)業(yè)“風(fēng)口”，以技術(shù)突破搶占新一輪綠色能源發(fā)展高地，繼續(xù)在綠色發(fā)展、低碳發(fā)展上走在全國(guó)前列。鑒于此，本文在總結(jié)分析國(guó)內(nèi)外鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，剖析浙江省鈣鈦礦太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)存在的問(wèn)題和面臨的挑戰(zhàn)，并提出相關(guān)對(duì)策建議，為浙江在新質(zhì)生產(chǎn)力賽道上的競(jìng)爭(zhēng)提供參考。

一、研究綜述

在“碳達(dá)峰”“碳中和”的國(guó)家戰(zhàn)略引領(lǐng)，以及全球能源轉(zhuǎn)型與綠色可持續(xù)性議題日益受到重視的背景下，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池備受關(guān)注。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界對(duì)于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：一是關(guān)于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的發(fā)展歷程、電池結(jié)構(gòu)和工作原理等，如朱彧等[1]、楊英等[2]從鈣鈦礦晶格結(jié)構(gòu)和器件結(jié)構(gòu)入手，介紹了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的發(fā)展歷程、電子傳輸層的作用機(jī)理和制備方法等。二是關(guān)于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用等，如蔣超凡等[3]從鈣鈦礦薄膜制備和透明電極開(kāi)發(fā)的維度，總結(jié)半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在疊層光伏器件和溫室農(nóng)業(yè)光伏中的應(yīng)用展開(kāi)分析與討論;Jaeki Jeong等[4]通過(guò)摻雜類鹵素陰離子HCOO—來(lái)抑制FAPbI3薄膜中的陰離子缺陷、提高結(jié)晶強(qiáng)度，成功獲得25.6%器件效率（認(rèn)證電池效率達(dá)到25.2%），同時(shí)器件具有長(zhǎng)期的運(yùn)行穩(wěn)定性（450小時(shí)）。三是對(duì)常見(jiàn)的幾種太陽(yáng)能電池進(jìn)行比較分析，如許慶巖等[5]、李波等[6]對(duì)硅基太陽(yáng)能電池、薄膜太陽(yáng)能電池和鈣鈦礦太陽(yáng)能電池等太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率、結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性等進(jìn)行了比較研究。四是討論分析鈣鈦礦太陽(yáng)能電池商業(yè)化所面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，并對(duì)未來(lái)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的發(fā)展進(jìn)行展望，如馬曉輝等[7]認(rèn)為全無(wú)機(jī)鈣鈦礦因其良好的熱穩(wěn)定性成為未來(lái)最有可能使鈣鈦礦太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的主要材料，但如何穩(wěn)定鈣鈦礦的晶相仍然是該領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn);王愛(ài)麗等[8]認(rèn)為疊層電池如與硅電池結(jié)合或者全鈣鈦礦疊層電池將是未來(lái)重要發(fā)展方向。

二、國(guó)內(nèi)外鈣鈦礦太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

（一）光電轉(zhuǎn)換效率不斷突破，比較優(yōu)勢(shì)充分顯現(xiàn)

追求高轉(zhuǎn)化效率是光伏電池發(fā)展的動(dòng)力所在。在功率大型化發(fā)展趨勢(shì)，以及硅基材料成本與資源約束的雙重壓力下，傳統(tǒng)晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率提升空間變得尤為有限，目前，晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率（26.8%）已經(jīng)逼近理論極限效率（29.4%），因此，尋求新型光伏材料和技術(shù)路線成為突破現(xiàn)有瓶頸制約、實(shí)現(xiàn)更高的能源轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵所在。歷經(jīng)10余年的發(fā)展，單結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)從3.8%提升至26.7%[9]，其理論轉(zhuǎn)換效率可達(dá)31%，而疊層鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的理論轉(zhuǎn)換效率更是達(dá)到45%，具有極強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿?。此外，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池具備顯著的成本優(yōu)勢(shì)，單位產(chǎn)能投資僅相當(dāng)于傳統(tǒng)晶硅電池的1/2。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)鏈垂直一體，涉及生產(chǎn)設(shè)備少，生產(chǎn)效率高，單位能耗僅為傳統(tǒng)晶硅電池的1/10，對(duì)于推進(jìn)光伏行業(yè)降本增效具有重要意義。

（二）中國(guó)處于領(lǐng)跑地位，但部分關(guān)鍵領(lǐng)域仍受制于人

從專利申請(qǐng)看，近5年全球鈣鈦礦太陽(yáng)能電池相關(guān)專利申請(qǐng)量為7984件，中國(guó)專利占比達(dá)71.26%，位居全球第1位。全球?qū)＠暾?qǐng)人排名前20的機(jī)構(gòu)中，中國(guó)機(jī)構(gòu)有15家，占75%。但在高價(jià)值專利數(shù)量方面，中國(guó)仍落后于美、日、韓（表1）。從實(shí)際制備看，中國(guó)在部分高分子材料和關(guān)鍵設(shè)備方面還依賴進(jìn)口，如用于封裝的光伏級(jí)EVA樹(shù)脂進(jìn)口依賴度達(dá)到40%，聚烯烴彈性體POE粒子幾乎全部依賴進(jìn)口，大面積的真空鍍膜設(shè)備仍需從歐洲、美國(guó)進(jìn)口。

（三）產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程不斷提速，但仍面臨兩大難題

當(dāng)前，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展主要集中在中國(guó)，部分龍頭企業(yè)如協(xié)鑫光電、纖納光電、極電光能等已具備百兆瓦級(jí)別的生產(chǎn)能力，寧德時(shí)代、比亞迪等電池領(lǐng)域巨擘也紛紛入局。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2023年中國(guó)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池組件產(chǎn)能約為1.25GW，2030年將突破140GW，在全球范圍內(nèi)處于領(lǐng)先地位。但整體上看，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池尚處于商業(yè)化初期階段，目前多為小試中試產(chǎn)線，大規(guī)模制備面臨兩大難題。一方面，鈣鈦礦材料受環(huán)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(wèn)題，如何提高實(shí)際工況下電池的穩(wěn)定性需要進(jìn)一步研究。另一方面，目前報(bào)道的高效率鈣鈦礦太陽(yáng)能電池都是在環(huán)境可控的手套箱中制備的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模器件（有效面積小于1cm2）[10]，產(chǎn)業(yè)化條件下大面積批量制備存在工藝和技術(shù)障礙。

三、浙江省鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化存在的主要問(wèn)題

（一）具備一定產(chǎn)學(xué)研基礎(chǔ)，但缺乏領(lǐng)軍型科研力量

近5年，浙江省鈣鈦礦太陽(yáng)能電池領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)總量為509件（其中發(fā)明專利441件），發(fā)表論文934篇，分居全國(guó)第4、第6位，落后于江蘇、廣東、北京等省市（表2）。從專利申請(qǐng)人看，纖納光電、愛(ài)旭太陽(yáng)能、浙江大學(xué)、中科院寧波材料所等具備較強(qiáng)的研發(fā)實(shí)力，在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池材料制備、組件設(shè)計(jì)等方面處于國(guó)際領(lǐng)先地位。產(chǎn)學(xué)研合作較為緊密，有41件專利是企業(yè)與高校院所共同申請(qǐng)。但浙江省高價(jià)值專利僅有108件，占比21%，低于江蘇（33%）、廣東（27%）。全國(guó)專利申請(qǐng)前10名的機(jī)構(gòu)中，浙江省僅有纖納光電1家，缺乏全國(guó)性領(lǐng)軍企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)。

（二）產(chǎn)業(yè)配套優(yōu)勢(shì)顯著，但產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)有待補(bǔ)齊

浙江省是全國(guó)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(yè)120余家，覆蓋硅錠、電池片、組件、漿料、光伏發(fā)電系統(tǒng)等各環(huán)節(jié)，具備強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)配套能力。在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，浙江省產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程相對(duì)領(lǐng)先，纖納光電研發(fā)制造的鈣鈦礦商用α組件已實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)和應(yīng)用，其位于內(nèi)蒙古的全球首個(gè)商業(yè)化運(yùn)行的兆瓦級(jí)鈣鈦礦地面光伏項(xiàng)目成功并網(wǎng)。但從產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)看，浙江省鈣鈦礦太陽(yáng)能電池企業(yè)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(shè)備企業(yè)缺乏，產(chǎn)業(yè)鏈垂直整合能力不及江蘇、廣東，產(chǎn)業(yè)對(duì)外依存度相對(duì)較高。從價(jià)值鏈來(lái)看，占據(jù)40%成本的核心輔材——TCO玻璃仍然存在“卡脖子”技術(shù)瓶頸，省內(nèi)缺乏相關(guān)研發(fā)機(jī)構(gòu)和企業(yè)布局，處于產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈中低端。

（三）積極加強(qiáng)戰(zhàn)略布局，但政策支持力度有待提升

近年來(lái)，國(guó)家和各地方政府高度重視鈣鈦礦太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展。國(guó)家層面，先后發(fā)布《加快電力裝備綠色低碳創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃》《關(guān)于組織開(kāi)展可再生能源發(fā)展試點(diǎn)示范的通知》等多項(xiàng)政策性文件，支持鈣鈦礦及疊層太陽(yáng)能電池等新型、先進(jìn)、高效光伏電池技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用，并積極推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化落地。地方層面，江蘇、廣東、上海、河北、山西、山東等多個(gè)省市也紛紛出臺(tái)專項(xiàng)政策給予重點(diǎn)支持，如山東出臺(tái)《關(guān)于支持鈣鈦礦太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的若干措施》，從關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、示范應(yīng)用和場(chǎng)景拓展、產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)等方面，全方位推動(dòng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展（表2）。浙江省在《浙江省推動(dòng)新能源制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展實(shí)施意見(jiàn)（2023—2025年）》中，將鈣鈦礦太陽(yáng)能電池作為重點(diǎn)發(fā)展方向，但與江蘇、山東等省市相比，專項(xiàng)政策體系尚不完善，缺乏實(shí)質(zhì)性支持措施，企業(yè)政策訴求強(qiáng)烈，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池初創(chuàng)型企業(yè)普遍對(duì)科研項(xiàng)目支持、新產(chǎn)品的推廣應(yīng)用等政策需求較大。

四、加快推進(jìn)浙江省鈣鈦礦太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的對(duì)策建議

（一）加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)和統(tǒng)籌布局

建立鈣鈦礦電池發(fā)展統(tǒng)籌推進(jìn)機(jī)制，推動(dòng)各部門政策協(xié)調(diào)和工作協(xié)同。加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)和政策供給，研究制定鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃，加速推動(dòng)浙江省鈣鈦礦電池商業(yè)化進(jìn)程。聚焦集群培育，持續(xù)優(yōu)化鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)布局，重點(diǎn)支持杭州、寧波、衢州做優(yōu)做強(qiáng)鈣鈦礦電池及組件產(chǎn)業(yè)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(gè)智能光伏產(chǎn)業(yè)核心區(qū)布局發(fā)展鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)，提升鈣鈦礦電池、智能光伏組件等產(chǎn)品規(guī)?；慨a(chǎn)能力。

（二）強(qiáng)化關(guān)鍵核心技術(shù)協(xié)同攻關(guān)

聚焦鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)化面臨的大面積制備、穩(wěn)定性等難題，開(kāi)展核心技術(shù)攻關(guān)。重點(diǎn)支持浙江大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)、中科院寧波材料所等開(kāi)展鈣鈦礦電池穩(wěn)定性衰減機(jī)理與老化測(cè)試模型等基礎(chǔ)研究，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供理論支撐。支持纖納光電牽頭，聯(lián)合合特光電、眾能光電、巨化等產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)以及高校院所，組建創(chuàng)新聯(lián)合體等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，開(kāi)展產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)，推動(dòng)大面積、高質(zhì)量、長(zhǎng)效穩(wěn)定的鈣鈦礦薄膜制備，加快推動(dòng)浙江省鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

（三）打造一批細(xì)分行業(yè)“領(lǐng)跑者”

聚焦鈣鈦礦電池及材料骨干企業(yè)和高成長(zhǎng)性企業(yè)，分類制定企業(yè)培育計(jì)劃，引導(dǎo)資源、技術(shù)、人才、資金等要素向重點(diǎn)企業(yè)聚集，打造一批細(xì)分行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)。支持纖納光電、眾能光電、合特光電等企業(yè)申報(bào)國(guó)家科技重大專項(xiàng)、參與重大科技攻關(guān)，進(jìn)一步提升行業(yè)影響力。發(fā)揮浙江省產(chǎn)業(yè)配套優(yōu)勢(shì)，加大科技招商力度，聚焦產(chǎn)業(yè)鏈延鏈補(bǔ)鏈強(qiáng)鏈，大力招引一批核心設(shè)備企業(yè)、TCO玻璃企業(yè)落戶，進(jìn)一步推動(dòng)鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)鏈垂直一體化布局，提升產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈。發(fā)揮龍頭企業(yè)引領(lǐng)作用，聯(lián)合高校院所組建鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化聯(lián)盟，加快推動(dòng)鈣鈦礦電池關(guān)鍵技術(shù)、核心設(shè)備、先進(jìn)工藝等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)研制，搶占行業(yè)話語(yǔ)權(quán)。

（四）拓展多元化應(yīng)用場(chǎng)景

基于鈣鈦礦電池具備輕薄、可見(jiàn)光吸收能力強(qiáng)、弱光響應(yīng)好、可在柔性基材上制備等特征，積極拓展室內(nèi)光伏、光伏建筑一體化、移動(dòng)充電、車載光伏、航天航空等多種應(yīng)用場(chǎng)景，優(yōu)先推進(jìn)一批鈣鈦礦電池示范試點(diǎn)項(xiàng)目。加快鈣鈦礦、高效儲(chǔ)能和超充、算力等技術(shù)整合，推動(dòng)“鈣鈦礦光伏+儲(chǔ)能+充電樁”光儲(chǔ)充一體化應(yīng)用，為浙江省加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng)提供支撐。以應(yīng)用場(chǎng)景為牽引，組織實(shí)施科技示范工程，支持在具備條件的地面電站、建筑園區(qū)等典型場(chǎng)景開(kāi)展鈣鈦礦電池示范應(yīng)用。

（五）加強(qiáng)資金投入和推廣支持

鈣鈦礦電池尚處于產(chǎn)業(yè)化初期，需要長(zhǎng)期穩(wěn)定的資金支持。充分發(fā)揮財(cái)政資金引導(dǎo)作用，構(gòu)建“科研項(xiàng)目+產(chǎn)業(yè)基金”的多元化長(zhǎng)效投入模式，建議省級(jí)層面針對(duì)鈣鈦礦電池設(shè)立“投早、投小、投硬”的種子基金、天使基金，支持省內(nèi)潛力高、成長(zhǎng)性好的優(yōu)質(zhì)鈣鈦礦電池項(xiàng)目和初創(chuàng)企業(yè)發(fā)展，探索“以投代股”“撥投結(jié)合”支持模式，引導(dǎo)社會(huì)資本加大投入。加大推廣支持力度，優(yōu)先支持首次投向市場(chǎng)、具有較大帶動(dòng)作用的鈣鈦礦電池產(chǎn)品納入政府采購(gòu)首臺(tái)（套）產(chǎn)品目錄，積極推薦鈣鈦礦電池申報(bào)國(guó)家能源領(lǐng)域首臺(tái)（套）重大技術(shù)裝備。

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