押注下一代：日本欲用鈣鈦礦新材料發(fā)起挑戰(zhàn)，撬動光電產(chǎn)業(yè)鏈升級

    近日，據(jù)媒體報道日本計劃投資15億美元開發(fā)下一代超薄、輕便且可彎曲的鈣鈦礦太陽能電池。據(jù)悉其目標是以夏普關(guān)閉的10代液晶面板線設(shè)施為基礎(chǔ)，到2030年完成生產(chǎn)1吉瓦的鈣鈦礦電池工廠建設(shè)，總投資3100億日元（約合147.6億元人民幣），其中半數(shù)投資來自日本政府補貼。

    對此，業(yè)內(nèi)人士指出，這是全球光電材料產(chǎn)業(yè)一項重大“計劃”。其目標不僅是在太陽能電池市場爭奪未來話語權(quán)；更是很可能通過鈣鈦礦新材料技術(shù)，令日本光電產(chǎn)業(yè)“走出一條新路”�！�— 其暗含以鈣鈦礦為突破口，重振顯示、傳感器等關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)的深層意圖——利用新興材料的顛覆性創(chuàng)新，撬動整個光電產(chǎn)業(yè)鏈的轉(zhuǎn)型升級。

    奇妙和多用途的“鈣鈦礦”

    鈣鈦礦半導體材料是近10年光電行業(yè)研究的終點方向之一。中國科學院化學研究所團隊、中科院合肥物質(zhì)科學研究院團隊、中國科學技術(shù)大學、南京航空航天大學團隊、北京理工大學團隊、吉林大學物理學院凝聚態(tài)物理團隊、復旦大學信息科學與工程學院解鳳賢研究團隊、西安交通大學吳朝新教授團隊、深圳大學李貴君課題組、溫州理工學院智電學院團隊、大連化物所化學動力學研究室超快時間分辨光譜與動力學研究組……等等團隊在最近一年內(nèi)均取得了鈣鈦礦材料或者制備、應(yīng)用工程的新進展。

    拒不完全統(tǒng)計，近一年內(nèi)有明確技術(shù)進展的，聚焦鈣鈦礦新材料的，僅國內(nèi)大學實驗團隊就超過50家，且眾多成果達到業(yè)內(nèi)領(lǐng)先水平。上文列舉這么多的實驗團隊，目的就是為了說明鈣鈦礦研究的“熱烈”程度。那么為什么要對鈣鈦礦如此熱衷呢？

    從性質(zhì)角度看，鈣鈦礦是一種易于制備、光電效率出色、柔性透明的新型光電材料。其能夠?qū)㈦娂ぐl(fā)轉(zhuǎn)化為光、也能夠?qū)⒐饧ぐl(fā)轉(zhuǎn)化為電、或者將高頻光激發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)榈皖l光發(fā)射。通過鈣鈦礦層的介入，對半導體材料的改進，其能夠在光電轉(zhuǎn)化型應(yīng)用器件市場，提供更高的效率、更低的成本、透明和柔性等更差異化的產(chǎn)品形態(tài)。

    從應(yīng)用方向角度看，鈣鈦礦能夠成為太陽能發(fā)電的未來方向，是重要的新能源支柱性新材料方向；同時，鈣鈦礦也是LED發(fā)光材料的新前沿，是照明和顯示產(chǎn)業(yè)的未來可行技術(shù)路線。——這兩個行業(yè)都是我國的強勢產(chǎn)業(yè)，全球市場占比高達7-8成（光伏全球占比8成、顯示面板7成、LED 7成）。掌握和領(lǐng)先應(yīng)用鈣鈦礦新材料技術(shù)，對于保持我國這相關(guān)產(chǎn)業(yè)的持續(xù)競爭力，具有戰(zhàn)略級的決定性意義。

    同時，鈣鈦礦在光電相互轉(zhuǎn)化中的出色性能，還讓其成為了良好的光信號或者電信號探針材料，在科研儀器研發(fā)制造、醫(yī)療設(shè)備開發(fā)中價值突出。鈣鈦礦即能發(fā)射無線電波，也能接受無線電波，當然也會是一種潛在的“有源相控陣”雷達材料，在環(huán)境感知和國防安全方面具有潛在戰(zhàn)略價值。鈣鈦礦的光捕捉、電轉(zhuǎn)化能力，還讓其成為機器視覺、夜視等領(lǐng)域的重要技術(shù)選擇之一。雷達和機器視覺應(yīng)用，對于機器人、智能駕駛、自動化等產(chǎn)業(yè)，是不可或缺的重要傳感器，具有重大核心器件自主戰(zhàn)略意義。

    鈣鈦礦如此有潛在科技和產(chǎn)業(yè)價值，必然成為全球競爭的焦點之一。鈣鈦礦技術(shù)的突破，既能鞏固現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)地位，更可能催生柔性光伏建材、全息顯示、智能傳感等新賽道——這正是日本等競爭對手試圖"換道超車"的關(guān)鍵所在。

    鈣鈦礦進入發(fā)展進入準應(yīng)用階段

    “過去10年鈣鈦礦的研究重點是材料配方的改進、改性技術(shù)和基礎(chǔ)加工工藝；未來10年鈣鈦礦必然逐漸進入工程應(yīng)用的新階段、大規(guī)模工業(yè)化實踐將成為新的熱點”。

    光伏產(chǎn)業(yè)上，如上文提到的日本1吉瓦的鈣鈦礦電池工廠計劃；再例如昆山協(xié)鑫光電全球首套鈣鈦礦高通量系統(tǒng)投入使用，年初協(xié)鑫光電2平方米鈣鈦礦單結(jié)組件與疊層組件的光電轉(zhuǎn)化效率雙雙打破世界紀錄，預(yù)計年底協(xié)鑫光電全球首條GW級鈣鈦礦光伏組件將正式量產(chǎn)。

    發(fā)光和顯示產(chǎn)業(yè)上，1月29日，華星光電獲得了一項名為“鈣鈦礦發(fā)光二極管器件及顯示面板”的專利（授權(quán)公告號CN114744134B），預(yù)示著TCL華星作為全球第二大顯示面板企業(yè)，在新材料、新顯示方面的積極布局；2024年中香港理工大學研發(fā)出三維FAPbI3鈣鈦礦LED系統(tǒng)，具有高效、亮度極高且非常穩(wěn)定特性，外部量子效率高達23.2%，亮度與使用壽命均刷新紀錄；同期浙大實現(xiàn)116萬尼特超亮鈣鈦礦LED的研究成果刊登于《自然》雜志；

    近期，中國科學院理化技術(shù)研究所、吉林大學、中國科學技術(shù)大學組成的聯(lián)合研究團隊開發(fā)了一種用于連續(xù)晶態(tài)鈣鈦礦薄膜遠程外延生長的新方法，實現(xiàn)像素小于5μm的超高分辨率Micro LED的無縫集成，其擁有16.1%的EQE電致發(fā)光效率、400000nit的亮度，4μm的超高分辨率。

    整體上，在太陽能電池產(chǎn)業(yè)，鈣鈦礦材料的應(yīng)用進展要快于照明和顯示產(chǎn)業(yè)。但是，無論是太陽能電池還是照明、顯示產(chǎn)業(yè)，鈣鈦礦材料技術(shù)都已經(jīng)從理論技術(shù)研究為主，向產(chǎn)品的工程化發(fā)展新階段躍進。

    解決瓶頸+規(guī)模優(yōu)勢，我國鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)應(yīng)先發(fā)先至

    鈣鈦礦材料和技術(shù)的工程化應(yīng)用，我國產(chǎn)業(yè)主要擁有兩個優(yōu)勢，面臨兩個挑戰(zhàn)：

    優(yōu)勢方面，我國鈣鈦礦研究熱潮洶涌，相應(yīng)人才儲備和既有知識、技能等能力領(lǐng)先，具有極高的進一步產(chǎn)品化市場化開發(fā)的潛能。同時，我國在鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)需要的稀土等礦產(chǎn)材料領(lǐng)域比較豐富，沒有顯著瓶頸原材料限制。

    我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展鈣鈦礦技術(shù)的另一個優(yōu)勢是，鈣鈦礦新興光電材料和技術(shù)的應(yīng)用，依然需要建立在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)之上。例如，液晶或者OLED薄膜化技術(shù)，對鈣鈦礦薄膜工藝，在通用設(shè)備、材料上的借鑒與支持。這對于我國LED、面板顯示、太陽能產(chǎn)業(yè)而言，是一個“站在巨人肩膀上”的好消息。

    在競爭和挑戰(zhàn)方面，我國鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化的挑戰(zhàn)，主要來自技術(shù)和競爭者兩個方面。技術(shù)上，鈣鈦礦還需進一步提升外量子效率，特別是在壽命上需要較大的進步。例如，顯示產(chǎn)業(yè)替代OLED材料，鈣鈦礦至少需要30%以上的外量子效率，1.5-2萬小時以上的壽命。

    同時，從其它國別業(yè)主者角度看，鈣鈦礦的引入，帶來了“彎道超車”的機會，是發(fā)光器件、顯示和太陽能電池，以及新型雷達與機器視覺產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)“逆襲”的，中短期內(nèi)最可行的方向。這方面國際市場的研究和投入并不遜色于我國科研機構(gòu)和企業(yè)。如上文提到，日本政府就規(guī)劃以巨額補貼推動薄膜鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)業(yè)的崛起。三星集團也在近年加大了鈣鈦礦技術(shù)研究，有信息指出，其準備大規(guī)模進入鈣鈦礦薄膜光伏產(chǎn)業(yè)。

    從全球?qū)＠�分布看，有媒體統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截止2024年終，鈣鈦礦在全球已有73290個專利，而中國企業(yè)申請了5928個專利，占比不到十分之一。其中日本村田制作所的鈣鈦礦有效專利為457個，位列鈣鈦礦企業(yè)專利榜首位。

    不過，近年來我國相關(guān)專利量呈現(xiàn)大幅增長態(tài)勢。近三年鈣鈦礦有效專利申請量年增45%，且聚焦：疊層電池結(jié)構(gòu)（全球占比32%）、溶液法制程優(yōu)化（占28%）、穩(wěn)定性提升技術(shù)（占25%）等工程化應(yīng)用領(lǐng)域。

    鈣鈦礦是競爭者“彎道超車”的機會，也是光電產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)先者“進一步鞏固優(yōu)勢”的機遇。業(yè)內(nèi)人士指出，鈣鈦礦材料的應(yīng)用，離不開既有的顯示、LED和太陽能電池產(chǎn)業(yè)鏈的龐大生態(tài)。這就決定了我國產(chǎn)業(yè)可以充分利用這些資產(chǎn)優(yōu)勢，和人員儲備，迅速切入規(guī)模量產(chǎn)賽道。

    例如，極電光能從2018年開始做鈣鈦礦技術(shù)研發(fā)，目前申請受理的專利達400多項，其中發(fā)明專利就有近300項。隨著鈣鈦礦應(yīng)用的日漸成熟，我國產(chǎn)業(yè)如何進一步聚力，在這一彎道上實現(xiàn)“持續(xù)領(lǐng)先”，將考驗從LED、太陽能到顯示面板等三大產(chǎn)業(yè)。

    總之，鈣鈦礦的光電時代大門已經(jīng)開啟。作為光電產(chǎn)業(yè)重大的材料和技術(shù)創(chuàng)新，對其怎么重視都不為過。這場關(guān)乎萬億級市場的材料革命，既是技術(shù)創(chuàng)新的較量，更是產(chǎn)業(yè)生態(tài)、行業(yè)政策和產(chǎn)業(yè)組織能力的博弈。特別是在國外競爭者加大政策性補貼力度，力圖彎道超車的背景下，在這場鈣鈦礦的"光電新大陸戰(zhàn)爭"中我國產(chǎn)業(yè)界亟需“更進一步”。