押注下一代：日本欲用钙钛矿新材料发起挑战，撬动光电产业链升级

    近日，据媒体报道日本计划投资15亿美元开发下一代超薄、轻便且可弯曲的钙钛矿太阳能电池。据悉其目标是以夏普关闭的10代液晶面板线设施为基础，到2030年完成生产1吉瓦的钙钛矿电池工厂建设，总投资3100亿日元（约合147.6亿元人民币），其中半数投资来自日本政府补贴。

    对此，业内人士指出，这是全球光电材料产业一项重大“计划”。其目标不仅是在太阳能电池市场争夺未来话语权；更是很可能通过钙钛矿新材料技术，令日本光电产业“走出一条新路”。—— 其暗含以钙钛矿为突破口，重振显示、传感器等关联产业的深层意图——利用新兴材料的颠覆性创新，撬动整个光电产业链的转型升级。

    奇妙和多用途的“钙钛矿”

    钙钛矿半导体材料是近10年光电行业研究的终点方向之一。中国科学院化学研究所团队、中科院合肥物质科学研究院团队、中国科学技术大学、南京航空航天大学团队、北京理工大学团队、吉林大学物理学院凝聚态物理团队、复旦大学信息科学与工程学院解凤贤研究团队、西安交通大学吴朝新教授团队、深圳大学李贵君课题组、温州理工学院智电学院团队、大连化物所化学动力学研究室超快时间分辨光谱与动力学研究组……等等团队在最近一年内均取得了钙钛矿材料或者制备、应用工程的新进展。

    拒不完全统计，近一年内有明确技术进展的，聚焦钙钛矿新材料的，仅国内大学实验团队就超过50家，且众多成果达到业内领先水平。上文列举这么多的实验团队，目的就是为了说明钙钛矿研究的“热烈”程度。那么为什么要对钙钛矿如此热衷呢？

    从性质角度看，钙钛矿是一种易于制备、光电效率出色、柔性透明的新型光电材料。其能够将电激发转化为光、也能够将光激发转化为电、或者将高频光激发转变为低频光发射。通过钙钛矿层的介入，对半导体材料的改进，其能够在光电转化型应用器件市场，提供更高的效率、更低的成本、透明和柔性等更差异化的产品形态。

    从应用方向角度看，钙钛矿能够成为太阳能发电的未来方向，是重要的新能源支柱性新材料方向；同时，钙钛矿也是LED发光材料的新前沿，是照明和显示产业的未来可行技术路线。——这两个行业都是我国的强势产业，全球市场占比高达7-8成（光伏全球占比8成、显示面板7成、LED 7成）。掌握和领先应用钙钛矿新材料技术，对于保持我国这相关产业的持续竞争力，具有战略级的决定性意义。

    同时，钙钛矿在光电相互转化中的出色性能，还让其成为了良好的光信号或者电信号探针材料，在科研仪器研发制造、医疗设备开发中价值突出。钙钛矿即能发射无线电波，也能接受无线电波，当然也会是一种潜在的“有源相控阵”雷达材料，在环境感知和国防安全方面具有潜在战略价值。钙钛矿的光捕捉、电转化能力，还让其成为机器视觉、夜视等领域的重要技术选择之一。雷达和机器视觉应用，对于机器人、智能驾驶、自动化等产业，是不可或缺的重要传感器，具有重大核心器件自主战略意义。

    钙钛矿如此有潜在科技和产业价值，必然成为全球竞争的焦点之一。钙钛矿技术的突破，既能巩固现有产业地位，更可能催生柔性光伏建材、全息显示、智能传感等新赛道——这正是日本等竞争对手试图"换道超车"的关键所在。

    钙钛矿进入发展进入准应用阶段

    “过去10年钙钛矿的研究重点是材料配方的改进、改性技术和基础加工工艺；未来10年钙钛矿必然逐渐进入工程应用的新阶段、大规模工业化实践将成为新的热点”。

    光伏产业上，如上文提到的日本1吉瓦的钙钛矿电池工厂计划；再例如昆山协鑫光电全球首套钙钛矿高通量系统投入使用，年初协鑫光电2平方米钙钛矿单结组件与叠层组件的光电转化效率双双打破世界纪录，预计年底协鑫光电全球首条GW级钙钛矿光伏组件将正式量产。

    发光和显示产业上，1月29日，华星光电获得了一项名为“钙钛矿发光二极管器件及显示面板”的专利（授权公告号CN114744134B），预示着TCL华星作为全球第二大显示面板企业，在新材料、新显示方面的积极布局；2024年中香港理工大学研发出三维FAPbI3钙钛矿LED系统，具有高效、亮度极高且非常稳定特性，外部量子效率高达23.2%，亮度与使用寿命均刷新纪录；同期浙大实现116万尼特超亮钙钛矿LED的研究成果刊登于《自然》杂志；

    近期，中国科学院理化技术研究所、吉林大学、中国科学技术大学组成的联合研究团队开发了一种用于连续晶态钙钛矿薄膜远程外延生长的新方法，实现像素小于5μm的超高分辨率Micro LED的无缝集成，其拥有16.1%的EQE电致发光效率、400000nit的亮度，4μm的超高分辨率。

    整体上，在太阳能电池产业，钙钛矿材料的应用进展要快于照明和显示产业。但是，无论是太阳能电池还是照明、显示产业，钙钛矿材料技术都已经从理论技术研究为主，向产品的工程化发展新阶段跃进。

    解决瓶颈+规模优势，我国钙钛矿产业应先发先至

    钙钛矿材料和技术的工程化应用，我国产业主要拥有两个优势，面临两个挑战：

    优势方面，我国钙钛矿研究热潮汹涌，相应人才储备和既有知识、技能等能力领先，具有极高的进一步产品化市场化开发的潜能。同时，我国在钙钛矿产业需要的稀土等矿产材料领域比较丰富，没有显著瓶颈原材料限制。

    我国相关产业发展钙钛矿技术的另一个优势是，钙钛矿新兴光电材料和技术的应用，依然需要建立在传统产业链技术之上。例如，液晶或者OLED薄膜化技术，对钙钛矿薄膜工艺，在通用设备、材料上的借鉴与支持。这对于我国LED、面板显示、太阳能产业而言，是一个“站在巨人肩膀上”的好消息。

    在竞争和挑战方面，我国钙钛矿产业化的挑战，主要来自技术和竞争者两个方面。技术上，钙钛矿还需进一步提升外量子效率，特别是在寿命上需要较大的进步。例如，显示产业替代OLED材料，钙钛矿至少需要30%以上的外量子效率，1.5-2万小时以上的寿命。

    同时，从其它国别业主者角度看，钙钛矿的引入，带来了“弯道超车”的机会，是发光器件、显示和太阳能电池，以及新型雷达与机器视觉产业实现“逆袭”的，中短期内最可行的方向。这方面国际市场的研究和投入并不逊色于我国科研机构和企业。如上文提到，日本政府就规划以巨额补贴推动薄膜钙钛矿太阳能电池产业的崛起。三星集团也在近年加大了钙钛矿技术研究，有信息指出，其准备大规模进入钙钛矿薄膜光伏产业。

    从全球专利分布看，有媒体统计数据显示，截止2024年终，钙钛矿在全球已有73290个专利，而中国企业申请了5928个专利，占比不到十分之一。其中日本村田制作所的钙钛矿有效专利为457个，位列钙钛矿企业专利榜首位。

    不过，近年来我国相关专利量呈现大幅增长态势。近三年钙钛矿有效专利申请量年增45%，且聚焦：叠层电池结构（全球占比32%）、溶液法制程优化（占28%）、稳定性提升技术（占25%）等工程化应用领域。

    钙钛矿是竞争者“弯道超车”的机会，也是光电产业的领先者“进一步巩固优势”的机遇。业内人士指出，钙钛矿材料的应用，离不开既有的显示、LED和太阳能电池产业链的庞大生态。这就决定了我国产业可以充分利用这些资产优势，和人员储备，迅速切入规模量产赛道。

    例如，极电光能从2018年开始做钙钛矿技术研发，目前申请受理的专利达400多项，其中发明专利就有近300项。随着钙钛矿应用的日渐成熟，我国产业如何进一步聚力，在这一弯道上实现“持续领先”，将考验从LED、太阳能到显示面板等三大产业。

    总之，钙钛矿的光电时代大门已经开启。作为光电产业重大的材料和技术创新，对其怎么重视都不为过。这场关乎万亿级市场的材料革命，既是技术创新的较量，更是产业生态、行业政策和产业组织能力的博弈。特别是在国外竞争者加大政策性补贴力度，力图弯道超车的背景下，在这场钙钛矿的"光电新大陆战争"中我国产业界亟需“更进一步”。