【苹果π】是中科院创投推出的全新栏目。苹果，见证了人类发展的几个重要时刻：第一个苹果出现在伊甸园，代表着人类求知的本能，是科学的原动力；第二个苹果，参与了万有引力的发现过程，自此之后数学（或计算）进入自然科学的各个学科，各个学科由此而迭代更新；第三个苹果，见证了一个伟大的生命的凋零——图灵，把计算和机器联系到一起；第四个苹果，开启了一个计算无所不在、无时不在的时代；那么第五个苹果，在哪里呢？π，代表着无限可能，也代表着我们对未来科技与产业发展的无限畅想。
我们将从产业发展和资本驱动的视角对前沿技术变革、企业创新和产业生态进行系统性思考，探索未来科技发展的挑战与机会，为价值投资提供路线指引，为产业转型升级提供智力支持。
编者按
本文是【光伏产业研究系列】第二篇，作者从BIPV（光伏建筑一体化）市场发展的角度对钙钛矿与碲化镉电池产业提出了自己的思考与观点。所述内容多为个人思考，如有不妥之处，欢迎各位读者批评指正！
核心观点：
在碳中和的大背景下，加之各地不断出台的政策补贴与支持，BIPV产品有望在未来几年得到实质性的发展，并且其具备广阔的市场空间。
如今钙钛矿薄膜电池成为资本市场的新宠儿，正是因为BIPV市场对轻薄实用薄膜电池的需求所带来的期待。
在薄膜电池领域，钙钛矿最终进入市场，需要在科研上突破寿命和规模化等问题制约；而碲化镉则是需要打破美国的工艺垄断，在量产技术上取得提高。
BIPV市场目前还缺乏行业标准体系。这需要光伏产品厂商、建材厂商和建筑设计师，以及建筑设计规划机构等诸多关联方携手推动。
【以下为正文】
2022年11月18日，上海市发改委、上海市财政局印发《上海市可再生能源和新能源发展专项资金扶持办法》，对于光伏产业，其中明确提到：常规光伏项目，光伏电站奖励标准0.1元/千瓦时，执行居民用户电价的学校分布式光伏奖励标准0.12元/千瓦时，其他分布式光伏奖励标准0.05元/千瓦时；光伏建筑一体化项目奖励标准0.3元/千瓦时。
对于补贴逐渐退坡、已经实现平价上网的光伏行业来说，每度电三毛钱的补贴，着实不是个小数目。
笔者在此前关于光伏宏观概述的文章【从“欧洲断气”看光伏领域的产业发展与科技成果转化】中曾提及，我国光伏产业历经二十余年的跌宕起伏，已在多个产业环节当之无愧地成为了全球第一，同时也是仅有的具备完整晶硅光伏产业链，可以低成本、大规模制造的国家。
既然当下光伏发电已经进入无补贴“平价上网”时代，那么上海市政府又为何对光伏建筑一体化项目给出如此“大力度”的补贴呢？
01 什么是“光伏建筑一体化”？
随着光伏产业的大规模普及和发展，以及“双碳目标”引领下社会对建筑业碳减排的关注，BIPV作为绿色建筑领域的重要应用技术之一，逐渐成为建筑施工企业转型的发展方向。与相对直观的发电、工业和交通领域相比，建筑行业堪称隐形碳排放大户。根据中国建筑节能协会的数据显示，我国建筑全生命周期能耗总量占全国能源消费总量比重为46.5%，运行能耗占全社会总能耗的30%左右。
光伏建筑一体化分两大类，目前最为常见的形式属于光伏系统和建筑的“物理结合”，即将光伏设备附着在建筑上(BAPV,Building Attached Photovoltaic)。而BIPV的本质是将光伏发电技术与建筑材料进行融合，最终成为建筑物本身的一部分。例如2022年北京冬奥会的标志性建筑——国家速滑馆（又称“冰丝带”），就采用了BIPV光伏发电玻璃。
国家速滑馆（又称“冰丝带”）
BAPV和BIPV的区别在于，传统的BAPV技术存在诸多限制因素，例如不能充分地利用建筑面积、不可以随意加装、需要安装导轨、需要预留运维通道等。但实际上，以往的BIPV产品也没能实现与建筑材料真正的融合，光伏电池效率不高、生产成本居高不下、建筑材料缺乏认证等问题始终困扰着相关厂商。因此，BIPV概念从提出便内冷外热，市占率一直处于低位。
如今，在碳中和的大背景下，加之各地不断出台的政策补贴与支持，BIPV产品有望在未来几年得到实质性的发展，并且其具备广阔的市场空间。根据国泰君安证券的分析报告显示，预计到2025年BIPV的市场空间可达到1023亿元人民币，新增装机容量约23.7GW，5年复合增速达到102%的高速增长。
目前摆在市场面前最为关键的问题是：BIPV的光伏产品能否满足“绿色建筑”的真正需求？具体来讲，一方面是在光伏端满足转化效率、生产成本的要求，另一方面是在建筑端满足作为建材的安全性能、使用寿命和美观度等要求。
02 突破口——薄膜光伏电池
薄膜光伏电池是晶硅光伏电池之后的第二代太阳能电池，起源于上世纪70年代。二者的底层原理相同，都是利用光电效应——即在光辐照下，光子进入物体后与电子作用，如果电子是自由的，则吸收光子能量的电子，克服物体表面垒势阻挡而逸出物体表面进而产生光电子。当科学家确定了其关键理论框架之后，便不断对太阳能的吸收层材料进行探索、研发。
1963年，碲化镉（CdTe）薄膜光伏电池的转换效率达到6%；1974年，铜铟镓硒（CIGS）薄膜光伏电池进入研究人员的视野；1976年，美国RCA实验室研制出PIN结构的非晶硅（α-Si）薄膜太阳能电池，光电转换效率为2.4%；1995年，美国加州大学俞刚博士发现了本体异质结结构有机太阳能电池，提高了激子解离效率，使得有机电池性能进一步提高，从而奠定了目前有机太阳能电池的主流结构。而在2009年，基于有机染料敏化电池的基础，诞生了如今备受资本关注的钙钛矿材料。
从产业角度来看，光伏电池通常分为三代。第一代电池是当前主流的硅基光伏电池，主要有单晶硅和多晶硅太阳能电池两大类。目前硅基光伏电池的产业链成熟，市场占有率可达90%~95%左右，单晶硅作为绝对发展趋势，已逐步成为光伏市场的主流产品。
中科院创投制图
第二代太阳能电池是薄膜电池，主要包括非晶硅、碲化镉、砷化镓和铜铟镓硒。
而在第三代电池的定义上，业内还存有一定分歧。一部分学术界研究者习惯将20世纪90年代之后兴起的一波太阳能电池，包括有机电池、染料敏化电池、量子点电池和钙钛矿电池等归类为第三代，但上述这些本质上均为薄膜电池，只是实现光电转化的化合物成分有区别。而产业界一些专家则认为第三代太阳能电池应集中体现在创新技术和工艺上，主要包括叠层和多带隙技术、热载流子电池等。
不论如何划分，光伏电池的关键始终是转换效率、生产成本和使用寿命。效率取决于光电转换，而光电转换首要就是吸收光，光伏电池的吸收光谱范围主要受电池材料性质、厚度和表面特性决定。其中，禁带宽度作为半导体的一个重要特征参量，在转换效率上极为关键。其大小主要决定于半导体的能带结构，即与晶体结构和原子的结合性质等有关。同时，其大小还反映了价电子被束缚的强弱程度，也就是产生本征激发所需要的最小能量。
但事无绝对，突破效率极限就好比拿到一张“万能球票”，既能够让球迷观看任意一场比赛，甚至还能在一场比赛中加入新的球队，提供一种全新的足球赛事观赛体验。
对于薄膜电池来说，这张“万能球票”就是“禁带宽度可调+叠层技术应用”。这也是钙钛矿的最大优势，其可以通过调整化合物配方，让其带隙接近理想值；或者可以扩展不同的带隙，针对不同波长的入射光设计钙钛矿的叠层电池。不过从科学严谨的角度讲，任意一种带隙可调的半导体材料，都可以说超过理论上限。
03 钙钛矿与碲化镉：月亮与六便士
薄膜电池在光伏发展历史中具有浓墨重彩的一笔，曾一度占据了光伏市场份额的30%，但由于遇到发展瓶颈，随后其总体份额持续滑落，到2020年时已降至5%左右。在薄膜电池中，硅基薄膜电池起初占据主导地位，而在美国First Solar开始大规模量产碲化镉后，后者的出货量及占比快速提升，成为达到30%市占率的绝对主力。
如今钙钛矿薄膜电池成为资本市场的新宠儿，正是因为BIPV市场对轻薄实用薄膜电池的需求所带来的期待。
与晶硅电池相比，薄膜电池的优势之一在于产线非常集约。晶硅电池的产业链包括“多晶硅-硅片-电池片-组件”四大环节，除组件外的其他三个环节均需重资本投入，每GW的资本开支总和达十亿元人民币以上，并且生产流程较为复杂。而薄膜电池的功能层通常采用物理或化学气相沉积等方法直接沉积在玻璃等衬底材料上，生产自动化程度高，并且自身可以实现从原材料到组件的全环节生产。
在薄膜电池的发展历史中，非晶硅电池限于物理特性，无法实现高效率和高寿命，虽然生产工艺相对成熟，成本也较低，但基本已被市场淘汰。而砷化镓电池虽然拥有最接近理论极限的禁带宽度，吸光材料维度上具备薄膜光伏电池中最高的转换效率，并且耐高温，适合做高温聚光太阳能电池；但是其价格昂贵、封装等工艺要求高，基本只用于军事和太空两大方向，未来民用领域商业化可能性极低。
至于铜铟镓硒电池，则更耐人寻味，其产业化发展历程和现在资本市场盛行的“钙钛矿故事”颇为相似，行业中也诞生过一家光伏巨头——汉能集团。
从命名便可看出，铜铟镓硒是四种元素的组合，其可以通过调节In/Ga和Se/s的比例，将禁带宽度在1.0eV~2.4 eV之间调节。同时，可调节的带宽使其成为非常好的串联电池材料，如不同带宽的CIGS串联，或者高带宽CIGS与硅电池串联。但是铜铟镓硒电池商业化极其缓慢，而汉能集团如今也落得个破产的下场。究其原因，主要是以下三点：
一、多种元素匹配复杂，技术路线实现难度极大；
二、原材料稀有且价格昂贵（Ga和In均储量有限且在其他领域有更重要应用）；
三、核心设备未完全国产化，并且低估了规模扩大的难度。
当年，汉能集团为了研发铜铟镓硒电池投入极大的财力物力，但却始终没有走到大规模量产商业化那一步。
现在的钙钛矿电池，对比上述问题已有所改善，一方面是元素匹配从四种下降为ABX3体系；另一方面，钙钛矿的原材料极为低廉且来源广泛。但是，钙钛矿电池目前的效率纪录基本都是平方厘米级的小面积测试结果，因此仍然面临规模扩大的难度，此外还要面对材料本身特性带来的寿命问题，如果作为建材，必须将数十年的使用时间要求、风吹雨淋等恶劣环境的考验等都考虑在内。
从市场应用来看，迄今为止规模商业化最成功的薄膜光伏电池只有碲化镉电池。虽然现在薄膜电池的市场占有率仅占整个光伏市场的5%左右，但在这5%中，碲化镉薄膜电池便占据了超过九成的市场份额，而且基本被美国的First Solar所垄断。该公司是2021年全球组件出货量Top10中唯一一家薄膜组件厂。其能垄断市场的关键，在于碲化镉吸光层的沉积设备，该环节的工艺决定了最终组件的性能。
总而言之，在薄膜电池领域中，钙钛矿和碲化镉就好像是月亮与六便士，一个代表着未来发展前景，另一个代表着现实已有应用。钙钛矿最终进入市场，需要在科研上突破寿命和规模化等问题制约；而碲化镉则是需要打破美国的工艺垄断，在量产技术上取得提高。
04 展望：携手共赢才是发展BIPV市场的关键
今年8月，First Solar作为美国最大的太阳能板制造商，宣布将投资12亿美元建设新工厂从而扩建现有产能。其CEO对外表示，美国2022通胀削减法案的通过，坚定了公司在本土扩产的信心，此次扩产是实现太阳能技术自给自足的重要一步，反过来又支持了美国能源安全的雄心。
过去，光伏薄膜电池因为成本高、效率低、没有完整的标准化体系，发展难以提速。对于建筑行业来说，更是提高造价，并给建筑设计师带来困扰的“奢侈品”。但随着如今光伏组件整体成本的下降，加上资本的关注与入场，光伏薄膜电池乃至BIPV产业都迎来了全新发展机遇。我们期待不论是钙钛矿方向，还是碲化镉方向，都可以在科研、产业乃至建筑行业的携手努力下，走上商业化发展的高速路。
杨大可
高级投资经理，专注于新能源、新材料产业
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