鈣鈦礦——光伏電池的“明日之星”
                      發布時間:2022-11-08 來源:中國無機鹽工業協會     分享到:

                      1

                      鈣鈦礦電池效率更高成本更低,商業化趨勢初見端倪


                      1.1、政策助推多元化發展,股權激勵再迎發行高峰

                      鈣鈦礦電池屬于第三代太陽能電池,包括純鈣鈦礦電池和鈣鈦礦疊層電池兩種類型。太陽能電池經歷了三段發展時期,第一段屬于晶硅電池,晶硅電池先后經歷了多晶和單晶之爭、N型和P型之爭,單晶相比多晶效率更高,初始階段成本相應也更高,2015年單晶組件市占率不超過20%,2019年已經達到62%,完成對多晶的超越。同時,根據CPIA數據,2021年perc電池市占率達91%,遠大于效率更高的N型,未來隨著N型不斷降本,有望成為市場主流;第二代薄膜電池的發展較為波折,20世紀80年代和2000年至2010年間,薄膜電池均是當時市場主流,但20世紀90年代和2010年后晶硅電池分別憑借效率優勢和成本優勢快速搶占市場,2021年全球市場中薄膜電池市占率僅為3.8%。目前主流的薄膜電池包括碲化鎘(CdTe)、銅銦鎵硒(CIGS)和砷化鎵(GaAs);第三代新型薄膜電池中既包括鈣鈦礦太陽能電池,也包括量子點太陽能電池和染料敏化太陽能電池,其中鈣鈦礦太陽能電池又可分為純鈣鈦礦電池和鈣鈦礦疊層電池,鈣鈦礦電池可分別和晶硅電池或薄膜電池進行疊層,理論上最大的疊層數量是4層。      

                      1.png

                      廣義“鈣鈦礦”是指與CaTiO3結構類似的ABX3型化合物,目前用于太陽能電池發電層的鈣鈦礦材料一般為有機-無機雜化鈣鈦礦材料。鈣鈦礦材料電池命名取自俄羅斯地質學家Perovski的名字,狹義的鈣鈦礦特指CaTiO3,廣義的鈣鈦礦泛指與CaTiO3結構類似的ABX3型化合物,A代表有機分子(一般為CH3NH3等),B代表金屬離子(一般為鉛或錫),X代表鹵素離子(一般為氟、氯、溴、碘、砹),A、B、X分別對應圖2中藍色、灰色、紫色部分,BX6構成八面體。用于太陽能電池發電層的鈣鈦礦材料一般為有機-無機雜化鈣鈦礦材料,該類型的結構是1987年由Weber首次提出。

                      2.png



                      純鈣鈦礦電池中n-i-p型電池結構較為普遍,鈣鈦礦疊層電池中HJT-鈣鈦礦疊層電池較為合適。純鈣鈦礦電池可分為n-i-p和p-i-n兩種器件結構,其中n-i-p結構是指電子傳輸層-鈣鈦礦層-空穴傳輸層的器件結構,p-i-n結構是指空穴傳輸層-鈣鈦礦層-電子傳輸層的器件結構,其中n-i-p器件結構較為常見。鈣鈦礦疊層電池方面,鈣鈦礦可以選擇和晶硅電池疊層,也可以選擇和薄膜電池疊層,其中由于HJT電池結構天然適合與鈣鈦礦電池進行疊層,因此HJT-鈣鈦礦疊層電池是較為普遍的產業選擇,HJT-鈣鈦礦疊層電池的頂電池一般為鈣鈦礦電池,底電池一般為HJT電池,由鈣鈦礦電池負責吸收短波長的太陽光(紫外+藍綠可見光),HJT電池負責吸收長波長的太陽光(紅外光),可以很好的提高太陽能電池的性能。


                       3.png

                      TCO、HTL、ETL層的可選材料相對較多。在鈣鈦礦電池結構中,玻璃一般采用超白浮法玻璃;空穴傳輸層的作用是只允許空穴通過,不允許電子通過,電子傳輸層則是只允許電子通過,不允許空穴通過,使得空穴和電子分離進而產生電動勢,材料上HTL層和ETL層的選擇相對較多,各個材料之間存在一定差異,ETL層可以選用TiO2 、SrTiO3、ZnO、SnO2、ZrO2等,HTL層可以選用NiO、CuS、Cu2S、CuO 、MoO3、WO3;


                      TCO薄膜需滿足多項條件,一般選用ITO。透明導電層膜TCO的主要作用是鍍在玻璃上使其具有導電性,成為太陽能電池的頂電極,或是在疊層電池中作為晶硅電池和鈣鈦礦電池的過渡層,以減少表面載流子的復合。TCO薄膜一般需要同時滿足透光性、導電性和穩定性,受光面TCO膜需要是較低的載流子濃度防止紅外吸收,且需與接觸的硅薄膜的功函數匹配,形成良好的歐姆接觸。TCO一般通過摻雜來獲得一定的導電性,一般可選擇ITO(銦摻雜氧化錫,90%In2O3+10% SnO2)、IWO(銦摻雜氧化鎢)、AZO(鋁摻雜氧化鋅)、IZO(銦摻雜氧化鋅)等材料,上述材料也可以構成復合膜層而提升器件性能,一般使用較多的ITO。ITO具有良好的光電性能,但ITO由于含有稀有金屬銦,價格也相對較貴;


                      純鈣鈦礦電池中膠膜封裝一般選用POE膠膜而不能用EVA膠膜。由于鈣鈦礦材料比較敏感,因此鈣鈦礦電池在封裝的要求相比晶硅電池更高,一般采用POE膠膜而不能采用EVA膠膜,主要原因有兩點,一是EVA膠膜的水汽透過率較高,晶硅可以容忍的水汽透過率鈣鈦礦不能容忍,二是EVA膠膜降解分解會產生醋酸,對鈣鈦礦材料造成腐蝕,降低電池性能。POE膠膜相比EVA膠膜的封裝效果和穩定性更好,但POE膠膜目前同樣存在兩點問題,一是POE粒子目前仍嚴重依賴于進口,二是層壓工藝上存在打滑等問題。整體來看,盡管各膜層可供選擇的材料相對較多,但各檔次最優材料或最適合量產材料的確定對于產業化規模降本來說也同樣重要。


                       4.png


                      鈣鈦礦電池的發電原理本質上依舊是擴散,鈣鈦礦材料的吸收系數、載流子復合率、載流子遷移率等性能指標均較為優異。光照下鈣鈦礦材料吸收光子能量,其價帶內的束縛電子穿過禁帶到達導帶,在價帶中留下空穴,產生電子-空穴對,這些載流子或成為激子或成為自由載流子,其中,未復合的電子從鈣鈦礦層傳輸到電子傳輸層,進而被導電基底收集,未復合的空穴從鈣鈦礦層傳輸到空穴傳輸層,進而被金屬電極收集。在接通外電路情況下,電子和空穴在擴散作用下分別向特定方向移動進而形成電流。鈣鈦礦材料具有較高的吸收系數,雙極載流子傳輸性質,較低的載流子復合率和較高的載流子遷移率,所以載流子的擴散距離和壽命較長。例如,CH3NH3PbI3的載流子擴散長度至少為100nm,有的鈣鈦礦材料甚至可以達到1μm,使得鈣鈦礦電池具有優異的電學性能。

                      5.png


                      鈣鈦礦電池的能量損失主要來自于光損失和電損失,對于鈣鈦礦/晶硅疊層電池還存在電流失配導致的能量損失。光損失:鈣鈦礦疊層電池的光損失包括不能被吸收的太陽光損失、上表面的反射損失、透明電極或中間層寄生吸收損失。晶體硅的禁帶寬度為1.12eV,純鈣鈦礦的禁帶寬度為1.55eV,鈣鈦礦-晶硅鈣鈦礦疊層電池中鈣鈦礦的禁帶寬度為1.73eV,太陽光中能量低于禁帶寬度的長波段光子不足以提供足夠的能量產生光生載流子,疊層電池的反射損失主要發生在頂電極和底電極的表面,晶硅的折射率約為3.8,空氣的折射率略大于1,鈣鈦礦層的折射率的一般在2.34-2.38,可通過減反處理降低反射損失。圖7中白色部分即是不同波長的反射損失,其他部分是各層的吸收情況。疊層電池的寄生吸收損失主要原因為疊層電池中鈣鈦礦層和硅層吸收光產生光電流,但電子傳輸層、空穴傳輸層、透明電極的光吸收不會產生光電流,從而導致寄生吸收損失,通過削減膜層厚度可以降低吸收損失;電損失:是由電子傳輸層、空穴傳輸層、透明電極等各層的表面電阻引起,降低膜層厚度一方面可以降低寄生吸收損失,但另一方面也會增加表面電阻,因此優化薄膜厚度使得光損失和電損失之間達到平衡是提高疊層電池性能的重要方式之一;電流失配導致的能量損失:疊層電池的光電流遵循短板效應,即取決于子電池中最小的光電流,因此使得頂電池和底電池的電流匹配也是提高疊層電池性能的重要途徑,需要通過不斷的計算和模擬以獲得最理想的匹配結果。

                      6.png



                      1.2、鈣鈦礦電池具有更高實驗效率和更低生產成本,穩定性尚待提升

                      鈣鈦礦電池的優勢:鈣鈦礦材料吸光性更好且帶隙可調,相較于晶硅電池擁有更高理論轉換效率和更低生產成本兩點核心優勢。


                      鈣鈦礦電池優勢1:晶硅電池理論極限效率為29.4%,鈣鈦礦疊層電池實驗室效率已達到31.3%。


                      單節晶硅電池理論轉換效率上限是29.4%,實驗室效率極限約28%,工程極限效率是27.1%。半導體材料本身決定著光伏電池轉換效率的上限,而半導體材料的禁帶寬度決定了其開路電壓和短路電流,一般來說,禁帶寬度越大,開路電壓越大,而短路電流越小。晶體硅的帶隙寬度為1.1 eV,對應單結晶硅電池理論效率極限是29.4%,實驗室極限效率約28%,現實條件可實現的工程極限效率是27.1%。


                      2021年Perc電池量產平均效率23.1%,天合光能210 perc電池量產最高效率24.5%,理論轉換效率上限24.5%。根據CPIA數據,2021年perc電池平均轉換效率為23.1%,市場占比91.2%,同期2021年異質結電池平均轉換效率達 24.2%,n型電池平均轉換效率超過24%,市場占比僅為3%;天合光能2022年7月宣布其自主研發的210mm高效p型PERC電池最高效率達到24.5%,已經達到perc電池的理論效率極限,也是天合光能第24次刷新和創造世界紀錄;


                      截至2022年8月,TOPCon電池量產平均效率已達到24.8%,實驗室效率已達到25.7%,理論轉換效率上限是28.7%。目前晶科能源2022年上半年一期16GW的topcon產能已滿產,量產轉換效率已達24.8%,同時,截至2022年5月份中來股份1.5GW topcon 2.0電池項目產線已完成爬坡,量產轉換效率為24%-24.5%;實驗室效率上,2022年4月晶科能源自主研發的182 n型高效單晶硅電池(topcon)轉化效率經中國計量科學院第三方測試認證,全面積電池轉化效率達到25.7%,而topcon電池的理論轉換效率上限是28.7%;


                      截至2022年8月,HJT電池量產平均效率為24.73%,量產最高效率為25.1%,組件效率接近23%,實驗室最高效率為26.5%,理論轉換效率上限是27.5%。華晟二期主要生產210微晶異質結半片和高功率組件,通過導入單面微晶工藝、120μm超薄異質結專用硅片、低銀耗超高精度多主柵技術和銀包銅漿料,以GW級規模生產帶動電池效率和成本進入了新階段。目前華晟210mm尺寸微晶異質結電池片批次平均效率達到24.73%,生產線冠軍電池片效率達25.1%,210-132版型冠軍組件功率達710W,組件全面轉換效率22.9%;實驗室效率方面,HJT電池實驗室最高效率是隆基2022年6月研發的M6全尺寸電池,其光電轉換效率達26.50%,同時邁為和sundrive 2022年9月聯合開發出的超高效率微晶異質結電池,效率達到26.41%;HJT電池理論轉化效率上限為27.5%。


                      第二代薄膜電池中碲化鎘組件量產平均效率為15.3%,銅銦鎵硒組件量產平均效率為16.5%,碲化鎘組件實驗室效率為21.5%,碲化鎘組件理論轉換效率上限為32%-33%。薄膜組件由于使用材料較少和能耗較低,整體生產成本較低,且制造工藝簡單,可大面積連續生產,同時其弱光效應較好,在光伏建筑一體化和可穿戴設備上具有較好應用前景。目前薄膜電池組件主要問題在于量產效率偏低,根據智研咨詢數據,截至2021年銅銦鎵硒組件量產平均效率為16.5%,碲化鎘組件量產平均效率15.3%,實驗室轉換效率為21.5%,由美國First Solar完成,最高理論轉換效率約32%-33%。第二代薄膜電池中砷化鎵電池的實驗室效率明顯更高,2021年7月 德國弗勞恩霍夫太陽能系統研究所(Fraunhofer ISE)在858納米的激光下,使用砷化鎵電池創下了68.9%的轉換效率記錄。


                      2022年協鑫光電的純鈣鈦礦1m*2m組件量產效率目標為16%,單節純鈣鈦礦電池實驗室效率為25.6%,單節理論效率上限是33%,雙節和三節分別為43%和50%;鈣鈦礦-晶硅疊層電池實驗室效率為31.3%由于可作為發光層的半導體材料選擇是影響電池效率上限的主要因素,而鈣鈦礦材料由于帶隙可調,可非常接近于最優帶隙,因此理論上鈣鈦礦電池的轉換效率可遠超晶硅電池。協鑫光電2022年純鈣鈦礦1m*2m組件量產效率目標為16%,2023年量產效率目標為18%,當前單結鈣鈦礦(PSCs)電池實驗室最高轉換效率達25.6%,由中科院游經碧團隊研制。全鈣鈦礦單層電池的理論轉化效率極限為33%,全鈣鈦礦雙結疊層轉換效率可達43%,全鈣鈦礦三結疊層轉換效率可達50%左右,遠遠大于晶硅電池的29.4%。鈣鈦礦-晶硅疊層電池方面,2022年7月洛桑聯邦理工學院(EPFL)和瑞士電子與微技術中心(CSEM)共同創造了鈣鈦礦-硅疊層光伏電池新的世界紀錄,達到31.3%。Bruno Ehrler等指出鈣鈦礦/硅疊層電池中鈣鈦礦的最佳帶隙為1.73eV,在光照AM 1.5G、溫度25℃時,2-T鈣鈦礦/硅疊層電池的理論轉換效率上限為45.1%,4-T鈣鈦礦/硅疊層電池的理論轉換效率上限是45.3%。

                      7.png


                      優勢2:更少材料用量、更低材料價格、更低生產能耗、更高組件功率、更長工作時間,導致鈣鈦礦電池相比晶硅電池具有明顯成本優勢。晶硅電池組件的最低生產成本為1元/W左右,純鈣鈦礦電池在擴大生產規模后理論上可以降至0.5元/W甚至更低,且生產速度更快。根據協鑫光電披露的信息,鈣鈦礦組件的所有工藝流程都可以在一個工廠里面進行,從原材料到組件只要45分鐘。鈣鈦礦電池的成本節約主要體現在以下幾方面:


                      一是更少材料用量帶來的成本下降:材料用量方面,鈣鈦礦材料用量與晶硅電池中的硅使用量明顯更小。0.3μm厚的鈣鈦礦層便可以完成對太陽光的飽和吸收,根據協鑫光電數據,按晶硅電池中的硅片厚度180μm,60片組件計算,原本需要消耗1kg的硅料,鈣鈦礦材料只需要2g;根據Oxford PV公司,35 kg 鈣鈦礦的發電量與7 t 硅(通常用于160 μm 厚的晶片)的發電量相同,規模化生產后鈣鈦礦材料成本相比晶硅預計將大幅降低;


                      二是更低材料價格帶來的成本下降:鈣鈦礦材料基本為基礎化工元素,不像晶硅電池需要用到稀有金屬銦或貴金屬銀,鈣鈦礦的儲量也十分豐富,不會存在供應瓶頸,且鈣鈦礦前驅液的制備過程中涉及工藝均較為簡單;


                      三是更低生產能耗帶來的成本下降:鈣鈦礦相比晶硅在生產過程中的能量消耗更少,晶硅在前端硅料和拉棒生產環節都需要1400度左右的高溫,電池片生產需要800-900度左右的高溫,鈣鈦礦由于怕高溫,生產中最高溫度一般不超過120度;


                      四是更高組件效率帶來的成本下降:N型電池片效率一般為25%左右,N型晶硅電池組件效率一般在22%左右,中間會有約2%-3%的封裝效率損失,而鈣鈦礦生產出來就是組件,如果鈣鈦礦組件可大規模量產且效率能夠達到23%,則相比晶硅電池將具有一定效率優勢,如果鈣鈦礦組件效率能夠做到25%左右,則相比晶硅電池將會具有全面優勢;


                      五是更長的工作時間,鈣鈦礦組件更長的工作時間主要源于對雜質的高容忍度和更好的弱光表現:一是鈣鈦礦材料的基態是單線態,激發態是三線態,對雜質容忍度較高,材料純度只需90%,自然雜質的擴散不易導致鈣鈦礦組件的衰減,而晶硅的基態和激發態都是單線態,需要具備6N級以上純度,晶硅的功率衰減也主要源自于雜質向硅片的擴散;在弱光條件下表現更好,據纖納光電創始人姚冀眾介紹,纖納光電測試發現,鈣鈦礦電池在早晚弱光環境下的發電時間比PERC電池多1個小時左右,這讓鈣鈦礦電池一年可以多發電3%至5%。

                       8.png
                      鈣鈦礦電池單GW生產成本僅為晶硅電池的一半,鈣鈦礦組件的成本構成中以玻璃、電極材料和封裝材料為主。由于鈣鈦礦電池廠本身就相當于組件廠,同時也省去了晶硅電池前端的硅料提純、硅片切割等環節,整體生產成本上相較晶硅電池可大幅降低。根據協鑫光電數據,晶硅電池生產中硅料廠的單GW投資成本約3.45億元,硅片廠的單GW投資成本為4億元,電池片廠和組件廠的單GW投資成本分別為1.5億元和0.65億元,合計為9.6億元/GW,而鈣鈦礦廠的單GW投資成本為5億元,約為同級別晶硅電池生產成本的一半。對于100MW級別的鈣鈦礦電池,組件成本略小于1元/W,對于1GW級別量產的鈣鈦礦組件,成本可降至0.7元/W,對于5-10GW級別量產的鈣鈦礦組件,成本可降至0.5-0.6元/W。以100MW級別的鈣鈦礦組件為例,其成本構成主要以玻璃、電極材料和封裝材料為主,玻璃及封裝材料、電極材料、固定資產折舊、能源動力、人工成本、鈣鈦礦材料的成本占比依次分別為34%、31%、16%、13%、3%和3%,當產能規模放大后材料類成本占比會有所上升,整體成本結構將依然以玻璃和電極材料為主。
                      9.png
                      10.png

                      鈣鈦礦電池在材料上的劣勢:鈣鈦礦材料本身較為敏感和脆弱,水氧、溫度、光照、金屬原子擴散等均會影響鈣鈦礦材料的穩定性。鈣鈦礦材料作為一種半有機物,本身較為敏感和脆弱,其不穩定性主要受四方面因素影響。一是水氧影響:傳統的鈣鈦礦材料ABX3本身具有很強的吸濕性,能夠吸收其周圍環境中存在的水分子,當空氣濕度達到一定程度后,過多的水分子便會使得鈣鈦礦材料分解,降低器件性能。以CH3NH3PbI3為例,當空氣中的水分子透過空穴傳輸層到達鈣鈦礦層后,CH3NH3PbI3便會首先分解為CH3NH3I和PbI2,分解生成的CH3NH3I又會進一步分解成CH3NH2和HI,此時HI會有兩種反應,一種分解為H2和I2,二是會與O2反應生產H2O和I2,盡管上述反應均為可逆的,但在較為潮濕環境下以正向反應為主,隨著水氧逐步增多,且HI易溶于水使溶液呈酸性,鈣鈦礦材料會逐步分解;二是溫度影響:持續受熱或高溫不僅會降低鈣鈦礦電池的穩定性,還會破壞鈣鈦礦吸光層材料的晶體結構,最終導致器件性能和壽命的不可逆下降;三是光照影響:光照條件下不同傳輸層材料的選擇對鈣鈦礦材料的穩定性也有影響,傳統的鈣鈦礦電池大多采用TiO2作為電子傳輸層的材料,但TiO2實際為一種光催化材料,在光照下會與光吸收材料發生反應,將界面上的I-氧化成I2,使鈣鈦礦材料分解成甲胺和HI,使得電池性能下降;四是金屬原子擴散影響:電極一般采用銀、鋁等材料,金屬原子可通過擴散作用進入鈣鈦礦層,引起鈣鈦礦材料的分解,同時鈣鈦礦材料中的鹵素原子也會通過擴散作用進入金屬電極,腐蝕電極材料,進而造成器件性能的下降。

                      11.png


                      針對以上存在的不穩定性方面的問題,可從三方面去解決:一是提升器件內部穩定性,二是后鈍化處理,三是更先進的封裝工藝,鈣鈦礦電池封裝需要滿足無腐蝕性成分或分解產物、高體積電阻率、低水氣透過率、CTE、柔韌性與薄膜匹配高且環境應力穩定的粘接力、組件層壓效率高等要求。首先是提升器件內部穩定,即通過提升各功能層材料的穩定性及結構優化,從而提高器件穩定性;器件內部穩定性的提升,主要包括以下幾個方面:提升鈣鈦礦材料的穩定性(成分或結構改變)、優化傳輸層(ETL:摻雜的ZnO替代TiO2等、HTL:Spiro-OMeTAD等)和電極材料(碳電極等)的穩定性、在鈣鈦礦層與空穴傳輸層或電子傳輸層之間加入緩沖層,以降低相鄰層之間的影響;其次是通過后處理鈍化的方式來提升器件穩定性,將鈣鈦礦層的表面做鈍化處理一方面可提升器件效率,另一方面也可以提升穩定性;

                      12.png


                      最后是采用更為先進的封裝工藝,p型電池、n型電池、鈣鈦礦電池的封裝要求逐級提高,鈣鈦礦電池封裝需要使用POE或TPO膠膜而不能使用EVA膠膜。晶硅電池中n型電池的封裝要求相比p型電池更高,而鈣鈦礦電池的封裝要求相比n型晶硅電池更為嚴格。EVA無論成本、生產效率、可靠性以及特殊需要都可滿足perc的封裝要求,抗PID型EVA可更好滿足相關設計要求。鈣鈦礦電池和n型電池封裝需要滿足無腐蝕性成分或分解產物、高體積電阻率、低水蒸氣透過率、CTE、柔韌性與薄膜匹配高且環境應力穩定的粘接力、組件層壓效率高的要求,EVA膠膜由于會降解產生醋酸不能使用,POE(聚乙烯彈性體)膠膜較為合適。POE是由乙烯與α-烯烴無規共聚得到的彈性體,其中α-烯烴是核心原材料。POE膠膜具有更低的玻璃化轉變溫度、更低的水汽透過率、更好的電氣絕緣性能、更好的化學穩定性四大優勢,且不依賴配方就可實現。此外,通過使用TPO(熱塑性聚烯烴)膠膜、含有吸潮劑的邊緣密封膠、增加惰性氣體保護等方式也可提高鈣鈦礦電池組件的穩定性。

                       13.png

                      經部分公司測試,鈣鈦礦電池組件可穩定使用超過25年,實際穩定性如何尚待驗證。單晶硅一般采用鋼化玻璃以及防水樹脂進行封裝,使用壽命一般可達15年,最高可達25年,而鈣鈦礦電池的不穩定性可以通過封裝技術和加工工藝的提升來一定程度的解決。瑞典制造初創公司 Evolar 宣布其鈣鈦礦電池技術通過了行業標準的加速可靠性測試,結果表明可能會在該領域保持穩定超過 25 年。不過鈣鈦礦組件在實際商業化應用的場景中具體使用壽命如何,可能還需更多時間去進一步驗證。


                      鈣鈦礦電池組件中的實際鉛含量小于晶硅電池,無需過度擔心。鈣鈦礦材料ABX3中的B位一般為鉛離子,鉛元素的毒性會造成環境污染,影響人體健康,不過從產業實際對比來看,該問題無需過度擔心。一方面,如果把鈣鈦礦組件和晶硅組件對比來看,晶硅組件在焊帶的選擇上一般是采用含鉛的焊帶,焊接是銅箔涂鉛,一塊晶硅組件的鉛含量約為18-20g,相同功率的鈣鈦礦組件實際鉛含量一般不超過2g。從鉛含量來看鈣鈦礦電池相比晶硅更小,如果能解決封裝問題,則對環境的影響可以進一步減小;另一方面,目前國內高校和產業界也已經開始逐步研發不含鉛的鈣鈦礦材料,較多研究采用Sn2+作為鈣鈦礦太陽能電池中Pb2+的替代離子,還有無機非鉛的類鈣鈦礦衍生材料也開始得到越來越多關注,如Cs2SnI6鈣鈦礦太陽能電池,以及在地面上添加吸附劑等方式。總體來看目前仍存在較多方式可以大幅提升鈣鈦礦材料本身的環境友好程度。

                      14.png




                      1.3、 產品、設備、政策三端逐步發力,鈣鈦礦電池商業化初見端倪

                      產品端:纖納光電組件α出貨、極電光能正式簽單、協鑫大尺寸組件下線,鈣鈦礦電池從技術討論逐步走向商業化嘗試。2022年5月20日,纖納光電鈣鈦礦組件α全球首發,該組件采用纖納獨立開發的溶液打印技術,具有功率高、穩定性好、溫度系數低、熱斑效應小、不易隱裂等特性,可進行12年產品材料與工藝質保,25年線性功率輸出質保;2022年7月28日,纖納光電在浙江衢州舉行了首批α組件的發貨儀式,此次發貨數量為5000片,用于省內工商業分布式鈣鈦礦電站;2022年4月18日,極電光能與大冶市人民政府、智能科技在湖北大冶舉行“大冶新能源項目簽約暨長冶新能源揭牌儀式”,大冶新能源項目裝機規模達2.8GW,總投資金額約120億元;協鑫光電生產的尺寸為1m×2m的全球最大尺寸鈣鈦礦組件已經下線,投建的全球首條100MW量產線已在昆山完成廠房和主要硬件建設,計劃2022年投入量產。2022年以來,可以明顯看到鈣鈦礦電池產業由之前的技術可行性探討開始逐步走向商業化的嘗試,首批嘗試商業化的項目有助于頭部企業盡早形成可真正商業化的成熟產品,也將極大程度的促進國內鈣鈦礦產業的后續發展進程。

                      15.png


                      設備端:晟成光伏鈣鈦礦電池蒸鍍設備已量產交付,捷佳偉創中標某領先公司的鈣鈦礦電池量產線鍍膜設備訂單。2021年初,京山輕機子公司晟成光伏投資10億新建智能裝備制造中心,用于新增高端光伏組件設備生產線以及建立制備異質結和鈣鈦礦疊層電池核心設備研發機構,2021年5月,晟成光伏與業內鈣鈦礦電池領先企業開展鈣鈦礦疊層電池技術開發戰略合作。經過長時間研發及實驗數據驗證,2022年6月,晟成光伏鈣鈦礦電池團簇型多腔式蒸鍍設備已量產,并成功應用于多個客戶端。2022年7月10日,捷佳偉創宣布公司“立式反應式等離子體鍍膜設備” (RPD)通過廠內驗收,將發運給客戶投入生產;2022年7月29日,捷佳偉創順利出貨了GW級HIT電池產線設備,并再次中標某領先公司的鈣鈦礦電池量產線鍍膜設備訂單。該RPD鍍膜設備是捷佳偉創面向鈣鈦礦電池持續研發的系列核心裝備之一,具有多項的自主知識產權和極高的技術壁壘,為鈣鈦礦電池產業化的實現提供了更可靠的裝備保證。RPD設備是純鈣鈦礦電池生產過程中的核心設備,鍍膜設備的快速成熟將在極大程度推進鈣鈦礦電池的產業化進程。

                      16.png


                      政策端:2022年開始中美兩國均明確表示支持鈣鈦礦產業發展,政策助力下產業有望加速成熟。2022年4月2日,國家能源局、科學技術部聯合印發《“十四五”能源領域科技創新規劃》,在太陽能發電及利用技術方面,研究新型光伏系統及關鍵部件技術、高效鈣鈦礦電池制備與產業化生產技術、高效低成本光伏電池技術、光伏組件回收處理與再利用技術、太陽能熱發電與綜合利用技術5項光伏技術;2022年6月1日,國家發改委、國家能源局等九部門發布《“十四五”可再生能源發展規劃》,規劃中強調“要掌握鈣鈦礦等新一代高效低成本光伏電池制備及產業化生產技術”;2022年8月18日,科技部、國家發展改革委、工業和信息化部等9部門印發《科技支撐碳達峰碳中和實施方案(2022—2030年)》,實施方案統籌提出支撐2030年前實現碳達峰目標的科技創新行動和保障舉措,并為2060年前實現碳中和目標做好技術研發儲備,并提出“研發高效硅基光伏電池、高效穩定鈣鈦礦電池等技術”。2022年7月,美國能源部 (DOE) 太陽能技術辦公室 (SETO) 宣布了 2022 財年光伏研究與開發 (PVRD) 的資助機會,將為降低成本和供應鏈漏洞、進一步開發耐用的項目提供 2900萬美元的資金和可回收太陽能技術,并將鈣鈦礦光伏(PV)技術推向商業化。可以看到自2022年開始,中美兩國對鈣鈦礦產業發展的重視程度均在逐步增加,政策端的成熟有望加速鈣鈦礦產業成熟。


                      17.png

                      2

                      純鈣鈦礦電池:可顛覆晶硅的潛在路線,產品化商業化尚需時日


                      2.1、 純鈣鈦礦電池制造環節包括10步,鍍膜設備價值量占比較高

                      純鈣鈦礦電池的制造環節包括10步:主受光面TCO和ETL沉積、P1激光劃線、鈣鈦礦層涂覆、HTL層沉積、P2激光劃線、背面TCO沉積、P3激光劃線、P4激光清洗、層壓封裝、測試,其中鍍膜設備價值量占比較高。

                       18.png



                      2.2、量產難點在于設備端和工藝端尚未成熟,商業化難點在于實際應用場景中的長時間穩定性數據驗證

                      設備端:鈣鈦礦層之后的鍍膜均勻性問題是量產的核心難點,RPD和蒸鍍設備也有待成熟。由于鈣鈦礦材料較為敏感,當前制約鈣鈦礦電池量產的核心難點在于鈣鈦礦層制備完之后,怎樣做到在保護鈣鈦礦層的前提下去實現鈣鈦礦層之上的均勻鍍膜。由于鈣鈦礦材料在水氧、高溫等環境下都會分解,因此磁控濺射PVD或電鍍均不能使用,只能使用蒸鍍或RPD的方式來進行鍍膜,但都會存在鍍膜不均勻的問題,導致不同位置發電功率存在差異。同時,由于純鈦鈣鈦電池是串聯結構,電流會取電路中的最小值,即具有短板效應,因此鍍膜不均勻會導致各個子電池電流不一致,純鈣鈦礦電池只會取其中的最小電流,導致電池或組件的整體效率降低。此外,RPD還存在材料利用率低,維護成本高,設備稼動率不高,專利授權等方面的問題。


                      工藝端:當前鈣鈦礦電池的生產工藝路線尚不統一,材料或設備上無法統一供應鏈而形成規模效應。工藝上,盡管鈣鈦礦組件的制造設備約70%可以在LCD面板行業中找到,但當前各家從事純鈣鈦礦電池生產或鈣鈦礦疊層電池生產的企業之間,從材料的配方(鈣鈦礦層,緩沖層材料體系、添加劑和鈍化材料),到設備的選擇,到工藝流程的控制等環節都不盡相同,短時間內還無法統一供應鏈而形成規模效應,工藝路線的確定對于規模化降本來說至關重要。


                      應用場景端:純鈣鈦礦電池的蓬勃發展需要建立在對晶硅電池的性價比超越和穩定性驗證上,進而在大電站實現規模化商業應用,BIPV并不應是關注重點。由于理論上純鈣鈦礦電池的效率相比晶硅電池更優,且成本上相比晶硅電池更低,因此,我們認為純鈣鈦礦電池在大電站的規模化商業應用場景才是真正的理想出路。由于BIPV的市場空間相對大電站較小,定位于BIPV市場的純鈦礦礦路線不一定在規模化降本上相比晶硅電池有優勢,疊加穩定性尚待驗證下,盡管柔性鈣鈦礦電池組件天然適合BIPV應用,但從產業實際發展來看BIPV的市場不一定真正適合鈣鈦礦電池的真正崛起。大電站場景下純鈣鈦礦電池需要解決的問題是長時間的穩定驗證,目前晶硅電池穩定使用壽命可達到25年,而鈣鈦礦材料在水氧、高溫等環境下穩定下較差,實際使用壽命依然有待更多數據進行驗證。據極電光能聯合創始人邵君介紹,目前業內普遍對鈣鈦礦電池能否沿用晶硅的IEC測試有疑問,鈣鈦礦行業亟需建立標準體系。總之,盡早找到合適下游應用場景,依靠較長時間的穩定性驗證數據以提高客戶端對新技術的接受度,對于純鈦礦電池路線也同等重要。


                      2.3、產業進展:一級市場異彩紛呈,二級市場寧德率先發力


                      2.3.1、一級市場:協鑫光電、纖納光電、極電光能、仁爍光能、大正微納、無限光能、萬度光能,多家企業齊頭并進各有亮點


                      協鑫光電(B輪):國內純鈣鈦礦電池領軍企業,率先實現大面積組件量產


                      團隊以范斌博士為核心帶頭人,已完成B輪融資。昆山協鑫光電材料有限公司的技術團隊是以瑞士EPFL博士范斌為帶頭人,是國內較早從事鈣鈦礦組件生產線開發的團隊。2017年,公司被全球最大的光伏集團協鑫收購,后續道達爾能源、寧德時代等公司陸續成為公司股東。2021年3月完成新一輪過億融資,凱輝能源基金領投,2022年5月12日,完成數億元人民幣B輪融資,由騰訊創投領投,資金將用于進一步完善公司100MW鈣鈦礦生產線和工藝。


                      擁有100MW產線,年內組件效率目標為16%,2025年計劃建設5-10GW產線。2019年,協鑫光電的45cm x 65cm 的鈣鈦礦光伏組件經全球權威光伏組件商業認證機構 TüV 認證,效率達15.31%;2020年開始建設100MW產線,2022年5月公司1m x 2m鈣鈦礦光伏組件正式下線,100MW產線也已經在昆山完成廠房和主要硬件建設,計劃2022年完成工藝開發并投入量產,2022年組件效率目標為16%,2023年預計達到18% ,2024年公司計劃建設1GW產線,組件效率達到20%,2025年計劃建設5-10GW產線,組件效率達到22%。


                      纖納光電(C輪):七次刷新鈣鈦礦小組件效率世界紀錄,鈣鈦礦組件α全球首發


                      姚冀眾博士和顏步一博士聯合創立,七次刷新鈣鈦礦小組件轉換效率世界紀錄。2015年,姚冀眾從英國倫敦帝國理工學院博士畢業后回國,和同學顏步一在杭州未來科技城共同創立了纖納光電,從事鈣鈦礦電池的研發生產。2021年1月,公司宣布完成C輪融資,共計3.6億元,由三峽資本領投,京能集團、衢州金控、三峽招銀等資方跟投。公司目前七次刷新鈣鈦礦小組件轉換效率世界紀錄,2022年9月23日,公司鈣鈦礦太陽能小組件在穩態連續輸出下的效率提升至21.8%,@19.35cm2,該成果經日本權威機構JET(日本電氣安全與環境科技研究所)測試認證,同時公司已獲得全球首個鈣鈦礦加嚴穩定性測試認證。


                      擁有100MW產線,實現鈣鈦礦α組件全球首發。公司在浙江衢州建有國內首個鈣鈦礦產業基地,2018年,公司20MW基地中試線產能投產,投資額5050萬;2020年,杭州纖納光電宣布,衢州纖納新能源科技有限公司5GW生產基地落成典禮暨鈣鈦礦生產線投產儀式舉行,總投資額54.6億元;2022年初,公司100MW鈣鈦礦規模化產線建成投產;2022年2月開建了全球首個鈣鈦礦集中式光伏地面電站,電站裝機規模為12MW;2022年5月20日,纖納光電鈣鈦礦α組件全球首發,該組件采用纖納獨立開發的溶液打印技術,具有功率高、穩定性好、溫度系數低、熱斑效應小、不易隱裂等特性,可進行12年產品材料與工藝質保,25年線性功率輸出質保;2022年7月28日,纖納光電在浙江衢州舉行了首批α組件的發貨儀式,此次發貨數量為5000片,用于省內工商業分布式鈣鈦礦電站。α組件每40秒就能制造出一片α組件,實現了高效、穩定、節能的連續性生產。據姚冀眾介紹,5000片α組件的順利出貨,標志著纖納自主研發的鈣鈦礦產品進入實質性商業化階段。

                      19.png

                      極電光能(pre-A):最早開建GW級產線,規劃產能達6GW


                      核心成員包括M.K.Nazeeruddin教授、鄭策和邵君等,300cm2鈣鈦礦組件效率18.2%。極電光能是長城控股投資的一家專攻鈣鈦礦光伏、光電及前驅體材料的產業化技術開發和應用的企業, 團隊由極電光能首席科學家、全球鈣鈦礦領域頂級專家、國際知名院士M.K.Nazeeruddin教授領銜。2018年,全球第一批研究鈣鈦礦太陽電池的技術專家鄭策和邵君兩位骨干成員加入,長城鈣鈦礦團隊正式形成。在大尺寸鈣鈦礦光伏組件上(300cm2),2022年公司

                      創造了18.2%轉換新的世界紀錄。

                      使用的是可實現大面積制備、高效率和高穩定性的“極創+”整體解決方案,這也是繼2021年公司在63.98cm2組件上取得20.5%認證效率之后的又一重大突破。


                      150MW鈣鈦礦電池試制產線即將投產,規劃產能已達到6GW。產能方面,公司2022年已在無錫建有4500平方米研發創新中心以及全球規模最大的150MW鈣鈦礦光伏組件試制線,該產線即將投產,達產后年產值可達3億元。2022年8月,公司計劃在錫山經濟技術開發區設立極電光能鈣鈦礦創新產業基地,項目總投資額30億元,計劃建設全球首條GW級鈣鈦礦光伏組件及BIPV產品生產線、100噸鈣鈦礦量子點生產線、全球創新中心及總部大樓。根據北極星太陽能光伏網,極電光能將在2023年的年初投入超過50億建設6GW的產能,第一期將在2023年建設1GW,2024年、2025年再分別追加2GW和3GW的產能。


                      與湖北大治全鈣鈦礦疊層電池領軍企業,多次打破世界紀錄簽約新能源項目,項目裝機規模2.8GW。2022年4月18日,極電光能與大冶市人民政府、智能科技在湖北大冶舉行“大冶新能源項目簽約暨長冶新能源揭牌儀式”。大冶新能源項目裝機規模達2.8GW,總投資金額約120億元。


                      仁爍光能(pre-A):全鈣鈦礦疊層電池領軍企業,多次打破世界紀錄


                      南京大學譚仁海教授領銜,150MW量產線落地中。仁爍光能2021年成立,公司創始人為南京大學譚海仁教授,公司成立伊始即獲得5000萬天使投資,由前協鑫集團擁有豐富產業化經驗的核心高管團隊參與領投,并負責公司科研成果產業化落地。2022年8月26日,公司完成數億元Pre-A輪融資,由三行資本領投,中科創星、蘇高新創投、金浦智能、險峰長青、云啟資本、中財產業基金等知名機構跟投,本次募集資金主要用于150MW鈣鈦礦組件量產線落地。


                      全鈣鈦礦疊層電池轉換效率世界紀錄保持者,規劃5年建設數條GW級別鈣鈦礦組件產線。2022年6月,仁爍光能宣布小面積全鈣鈦礦疊層電池穩態認證效率高達28%,該技術已實現超越單晶硅電池的實驗室最高效率26.7%,大面積疊層電池認證效率為24.2%,此外,公司通過可產業化制備技術實現了認證效率21.7%的全鈣鈦礦疊層電池組件。公司10MW鈣鈦礦疊層研發線已經建設成功,據公司聯合創始人沈承勇介紹,仁爍光能預計未來五年內,將建設數條GW級別的鈣鈦礦電池組件生產線,批量生產效率高、成本低、性能優的鈣鈦礦電池組件,并深度綁定電動汽車、BIPV及消費電子,致力于在該領域實現市場占有率行業領先的地位。


                      全鈣鈦礦疊層電池理論效率更高,難點在于上下兩層鈣鈦礦電池的互聯和寬窄帶隙的鈣鈦礦材料研究。譚仁海表示,鈣鈦礦可以和晶硅或其它吸收紅外光的材料進行疊層。這當中,鈣鈦礦和鈣鈦礦進行疊層的效率最高的,理論效率可達到43%以上,可實現效率在35%左右,并且將來鈣鈦礦疊層的成本降幅也更有優勢。譚海仁介紹,開發全鈣鈦礦疊層電池面臨著和單層鈣鈦礦電池類似的挑戰。此外,特殊的挑戰在于上下兩層鈣鈦礦的互聯問題,以及寬帶隙和窄帶隙鈣鈦礦材料本身的研究。

                      全鈣鈦礦疊層電池理論效率更高,難點在于上下兩層鈣鈦礦電池的互聯和寬窄帶隙的鈣鈦礦材料研究。譚仁海表示,鈣鈦礦可以和晶硅或其它吸收紅外光的材料進行疊層。這當中,鈣鈦礦和鈣鈦礦進行疊層的效率最高的,理論效率可達到43%以上,可實現效率在35%左右,并且將來鈣鈦礦疊層的成本降幅也更有優勢。譚海仁介紹,開發全鈣鈦礦疊層電池面臨著和單層鈣鈦礦電池類似的挑戰。此外,特殊的挑戰在于上下兩層鈣鈦礦的互聯問題,以及寬帶隙和窄帶隙鈣鈦礦材料本身的研究。


                      大正微納:柔性鈣鈦礦薄膜太陽能電池組件以及相關設備領軍企業


                      組件方面具備10MW產線,大尺寸組件樣品預計2022年完成,設備方面狹縫涂覆設備性能指標領先。公司前身為“領旺(上海)光伏科技有限公司”,于2016年在上海成立,為國內第一梯隊鈣鈦礦創業公司。2019年5月公司至鎮江市高新區,成立大正微納。2017年8月;突破大面積電池工藝,第一塊大面積柔性組件誕生,100*100mm;2017年12月,柔性鈣鈦礦電池達到18.5%,當時世界最高記錄;中試量產準備。相繼在電池穩定性、工藝連續性、設備自動化,封裝完善等有重大突破;目前具備10MW產線,2021年4月,MW級柔性鈣鈦礦薄膜中試產線搭建完畢;2022年4月,啟動100MW柔性鈣鈦礦量產融資及產業化技術準備,大尺寸樣品600*1200mm制作中。公司柔性鈣鈦礦組件已獲得國內一線手機廠的測試訂單,且與國家能源集團簽訂試點項目并和鎮江諫壁電廠簽訂合作協議。設備方面,公司狹縫涂覆設備性能指標領先:實驗室級別 100*100mm,350*350mm,量產600*1200mm,研發型狹縫涂覆設備,刀頭寬度范圍:Max 350mm,膜厚均勻性:±3%。


                      度光能:全絲網印刷工藝生產,規劃產能10GW


                      公司集成了國際上第一個萬瓦級鈣鈦礦示范型實驗電站。萬度光能自成立以來在極短時間內實現了全球最大面積3600cm2鈣鈦礦組件,并集成了110㎡國際上第一個萬瓦級鈣鈦礦示范型實驗電站,在器件成本控制、大面積及穩定性方面達到國際領先水平,取得一批具有自主知識產權的原創性研究成果,開發了可印刷鈣鈦礦太陽能電池技術,成功實現高效、穩定和低成本的太陽能電池。


                      全絲網印刷工藝生產,成功后產能將擴大至10GW。公司投資60億元用于可印刷介觀鈣鈦礦太陽能電池生產基地項目,投建了全絲網印刷工藝生產的 200MW 介觀鈣鈦礦組件產線,正式簽約落戶湖北省鄂州市葛店經濟技術開發區。公司的核心目標是在廉價條件下獲得高效穩定的太陽能電池技術,為實現平價光伏發電提供新的途徑。該項目占地面積約110畝,擬分兩期建設,第一期建設一條200MW級可印刷介觀鈣鈦礦太陽能電池大試線落地,成功后擴充至10GW產能,滿足光伏市場對廉價太陽能電池的需求。


                      無限光能(天使輪)


                      承接清華大學科研成果,2022年三季度完成試驗線建設,計劃2024年建成100MW商業化量產線。無限光能承接了清華大學太陽能轉化與存儲實驗室的科研成果,聯合薄膜太陽能電池、OLED、半導體設備等相關領域的技術專家,組成公司核心產業化團隊,致力于開發高效率、長壽命、低能耗、低成本、多應用場景的鈣鈦礦光伏技術。2022年6月,無限光能獲數千萬元天使輪融資,耀途資本、光躍投資、碧桂園創投等領投。融資資金將用于大尺寸鈣鈦礦太陽能電池模組試驗線的建設、擴充研發及量產技術團隊,預計將在三季度完成試驗線建設,年內實現大尺寸電池模組批量下線。下一步,公司將啟動10 MW級中試線建設,進一步優化工藝參數,建立標準化操作流程,培養工藝技術人員,為實現2024年建成100MW級商業化量產線奠定堅實基礎。


                      2.3.2 二級市場:寧德搭建中試線,西子節能入股眾能光電


                      寧德時代

                      2022年5月5日,公司表示鈣鈦礦光伏電池研發進展順利,目標尺寸1.2mx0.6,正在搭建中試線。


                      西子節能

                      參股公司眾能光電為國內鈣鈦礦組件和設備領先企業,在建鈣鈦礦組件產能200MW。公司參股10%的杭州眾能光電科技有限公司在國內專業從事鈣鈦礦太陽能光伏組件以及相關裝備的研發和產業化,公司核心研發團隊由海外院士,國家萬人,杰青等業內領先專家組成,擁有近20項發明和實用新型專利,主要從事薄膜光電器件和相關裝備的研發和生產。公司擁有業內領先的鈣鈦礦太陽能電池生產線的供貨業績,64cm2和3000cm2的組件效率分別達到20%和17%,處在國際先進水平,在建鈣鈦礦太陽能光伏組件生產線產能達到200MW/年。截至2021年末,鈣鈦礦激光劃線刻蝕設備出貨50臺套,鈣鈦礦PVD設備出貨量30臺套,具有國內首個準MW級整體生產線供貨業績。

                       20.png


                      3

                      鈣鈦礦疊層電池:主流企業布局彰顯信心,HJT-鈣鈦礦疊層發展路徑愈發確定


                      3.1、鈣鈦礦與Topcon疊層需做較多改造,理論上與HJT疊層更為合適

                      異質結電池和鈣鈦礦電池做疊層更為理想,可發揮異質結電池填充因子高和開壓高的優勢,topcon電池和鈣鈦礦電池做疊層需改動環節相對較多,且會減少topcon電池電流高的優勢。一般來說,相比topcon電池,異質結電池與鈣鈦礦電池進行疊層更為理想。一是異質結電池結構相比topcon電池本身更適合疊層:因為鈣鈦礦電池與異質結電池進行疊層,異質結電池表面本身就是TCO,異質結電池的產線無需做更改,而topcon電池與鈣鈦礦電池進行疊層,topcon正面的氮化硅和氧化鋁由于是絕緣體不能導電,需要先把氧化鋁和氮化硅去掉,或加入進一步摻雜和鈍化工藝;二是topcon電池與鈣鈦礦電池進行疊層的話自身基于電流高的效率優勢會被浪費:從實際量產效率來看,topcon和異質結相差不大,但效率的構成參數不同,異質結電池電壓高,電流低,topcon 電池開壓不高,但電流比較高,主要原因為異質結表面 TCO的透光性不如topcon表面的氮化硅。如果做疊層電池,異質結受光面 TCO 依然是 TCO, topcon 表面也需要變成 TCO ,那么topcon電池本身電流高的優勢就沒有了,理論上鈣鈦礦-topcon疊層電池的效率相比HJT-鈣鈦礦疊層電池更低。不過鈣鈦礦-topcon疊層電池依然值得關注,2022年6月,澳大利亞國立大學Klaus Weber,北京大學周歡萍以及晶科能源Peiting Zheng等人使用topcon晶硅電池作為底部電池,以及鈣鈦礦薄膜作為頂部電池,制備了單片鈣鈦礦/topcon疊層器件。該器件的效率為27.6%,相關工作發表于《Advanced Energy Materials》。

                      21.png


                      3.2、鈣鈦礦/HJT疊層電池為串聯結構,可輸出超高電壓提高轉換效率

                      鈣鈦礦與異質結具有良好的疊層電池匹配度,可形成較單結 PSCs 效率更高的疊層電池。異質結是指將P型半導體與N型半導體制作在同一塊硅基片上,在交界面形成的空間電荷區(PN結),具有單向導電性。具有本征非晶層的硅異質結電池片中同時存在晶體和非晶體級別的硅,非晶硅能更好地實現鈍化效果,提高開路電壓和轉換效率。疊層電池根據禁帶寬度從小到大,可依次將不同材料按從底向頂順序而組成。疊層電池上面是鈣鈦礦電池,底下是異質結電池,鈣鈦礦吸收中短波長的光,中長波的光透過鈣鈦礦由異質結吸收,通過光學和疊層的設計來輸出超高電壓。在轉化率貢獻上,異質結可以貢獻25%-26%的轉化率,而鈣鈦礦疊層則是增加其3%-5%增量效益。值得注意的是,由于鈣鈦礦電池與硅異質結電池均為P-N結構,如果將二者直接串聯,接觸界面會形成反PN結,導致電壓相互抵消而不導電,需要增加過渡層,隧穿結或過渡層也是P-N結構,過渡層需要同時滿足可導電、透光性好、有一定厚度幾個條件,來聯接兩個子電池。

                       22.png



                      3.3、微晶、鈣鈦礦疊層是HJT電池提效主要手段,關注HJT降本進展

                      鈣鈦礦-異質結疊層電池是基于晶硅產業進行發展,相比于純鈣鈦礦電池路線有望率先實現量產。對于許多有硅技術積累的公司來說,晶硅疊加鈣鈦礦是一個既能利用原有產線和技術積累、又能降本增效的路線,且不像純鈣鈦礦電池一樣需要完全重塑產業鏈,相比于純鈣鈦礦電池可能更有希望率先實現量產。


                      HJT電池主要增效路徑:雙面微晶工藝和HJT-鈣鈦礦疊層。目前對于異質結電池來說,將轉換效率進一步提高的路徑主要有兩種,一是微晶工藝,通過PECVD制作的微晶n層較非晶n層主要是FF具有優勢,效率絕對值高0.2%以上,且電流相對較低,后續優化方向為微晶硅氧n層,同時組件端CTM對比,微晶n層工藝比非晶n層效率絕對值高接近1%;二是HJT-鈣鈦礦疊層電池,HJT-鈣鈦礦疊層電池實驗轉換效率目前已達到31.3%,超過晶硅電池的實驗室效率。纖納光電創始人姚冀眾表示疊層電池中約有2/3的轉換效率來自鈣鈦礦,1/3來自晶硅層,鈣鈦礦-異質結疊層電池的量產目標效率28%。


                      HJT電池主要降本路徑:硅片減薄、少銀化和少銦化。異質結電池目前硅片薄片化、TCO降本(少銦或無銦)、銀漿降本(銀包銅或銅電鍍,新型種子層開發)。硅片減薄方面,硅片成本是電池片成本構成中的主要環節,通過使用更薄厚度的硅片可以較大幅度降低硅片成本;銀包銅方面,假定銀漿價格為7000元/kg,當HJT銀漿單W消耗由27mg降至17mg時,則會帶來單W成本 0.07元的下降。由于鈣鈦礦-異質結疊層電池是基于異質結之上進行發展,因此HJT電池的具體降本增效進展對于疊層電池的影響也相對較大。


                      3.4、鈣鈦礦-異質結疊層電池發展路線逐漸清晰,主流企業均已有技術儲備


                      3.4.1、已有中試線:華晟新能源、牛津光伏。


                      華晟新能源—異質結領軍企業,明確鈣鈦礦-異質結疊層電池發展路徑


                      已完成HJT-鈣鈦礦中試線,實現M6大面積疊層均勻制備,計劃2025年實現G12異質結鈣鈦礦晶硅疊層電池效率30%。2022年9月2日,安徽華晟新能源科技有限公司CEO周丹在上海作主題報告《HJT的量產現狀與展望》。周丹表示,作為業內首家同步布局單面微晶、雙面微晶、HBC、銅電鍍、HJT/鈣鈦礦疊層電池研發的企業,華晟擁有清晰的疊層電池工藝路線及發展規劃,目標在2025年,實現G12異質結鈣鈦礦晶硅疊層電池效率30%,G12-132組件功率840W+。公司已完成HJT-鈣鈦礦中試線,實現M6大面積疊層均勻制備,在相關知識產權布局上也已初見成果。


                      現有HJT電池、組件產能各2.7GW,“十四五”期間規劃產能達20GW。華晟新能源現已擁有高效HJT電池、組件產能各2.7GW,另有在建產能7.5GW,規劃“十四五”期間實現總產能20GW;2022年1月25日,總投資57億元的華晟新能源5GW異質結電池及組件項目落戶無錫市錫山經濟技術開發區。2022年4月29日,華晟三期4.8GW雙面微晶異質結智能工廠項目第一階段2.4GW高效異質結工廠土建招標已正式掛網,于5月26日開工。4.8GW項目將在2023年Q1-Q3分兩期完成全部設備搬入和調試投產;2022年5月,華晟新能源與大理州政府、華能瀾滄江水電股份有限公司正式簽署合作協議,將在大理經濟技術開發區落地5GW雙面微晶高效異質結電池與組件項目,項目首期規劃建設2.5GW高效電池與組件產能。


                      牛津光伏—金風科技入股,已有100MW鈣鈦礦疊層電池產線


                      2020年實驗室效率接近30%,已有100MW鈣鈦礦疊層電池產線。牛津光伏成立于2010年,是鈣鈦礦-硅串聯太陽能電池的制造商。2019年3月,金風科技與牛津光伏聯合宣布,金風科技以戰略投資者身份領投牛津光伏D輪融資,投資金額2100萬英鎊。2020年12月牛津光伏宣布,其鈣鈦礦/硅串聯結構的效率再創新高,已接近30%的里程碑,達到29.52%。2021年7月,牛津光伏Oxford PV宣布,其已經完成了位于德國勃蘭登堡的100MW鈣鈦礦疊層電池生產線的安裝,有望在2022年初開始鈣鈦礦電池的商業生產。


                      3.4.2、已有實驗線:晶科能源、通威股份


                      晶科能源—建立大面積鈣鈦礦電池及組件研發線,Topcon/鈣鈦礦疊層太陽能電池效率達27.6%。


                      已建立大面積鈣鈦礦電池及組件研發線,Topcon/鈣鈦礦疊層太陽能電池效率達27.6%。晶科能源表示,正推動鈣鈦礦電池技術從實驗室研究到未來產品量產工藝方案的開發,已建立大面積鈣鈦礦電池及組件研發線,與國內外知名高校建立了產學研合作。2022年6月,澳大利亞國立大學Klaus Weber,北京大學周歡萍以及晶科能源Peiting Zheng等人使用Topcon結構的晶硅電池作為底部電池,以及鈣鈦礦薄膜作為頂部電池,制備了單片鈣鈦礦/Topcon疊層器件,該器件的效率為27.6%。2022年10月17日,晶科能源再次創造了182尺寸大面積 N 型單晶鈍化接觸(TOPCon)電池轉化效率26.1%的世界紀錄,且電池量產平均效率超過24.8%,Topcon電池及組件的各項指標正在穩步提升。


                      通威股份—鈣鈦礦實驗室已經建立完成,首塊鈣鈦礦電池有望年內下線


                      鈣鈦礦實驗室已經建立完成,首塊鈣鈦礦電池有望年內下線。根據公司2022年中報,通威股份已全面開始了對鈣鈦礦/硅疊層電池的研究與開發,目前公司HJT電池最高實驗室效率已達25.67%。公司董事長謝毅表示,鈣鈦礦實驗室已經建成,預計2022年首塊鈣鈦礦電池將下線。


                      3.4.3、中試線規劃建設中:寶馨科技、杭蕭鋼構、曜能光電


                      寶鑫科技—異質結新進入者,同步布局鈣鈦礦-異質結疊層


                      新布局2GW異質結電池項目,并與蘇州大學教授彭軍、楊新波簽訂合作協議,計劃2年內完成100MW鈣鈦礦或HJT-鈣鈦礦疊層電池產線。寶馨科技此前在安徽懷遠總投資16.8億元布局HJT項目,一期建設2GW的N型高效太陽能電池片及高效光伏組件。2022年8月31日,寶馨科技擬與蘇州大學特聘教授和博士生導師彭軍、楊新波簽訂《項目合作框架協議》并建立項目公司,其中,寶馨科技擬對項目公司增資6000 萬元,項目公司將在增資后6個月內完成“鈣鈦礦電池和HJT-鈣鈦礦疊層電池研發實驗室”的規劃建設與研發團隊建設,開展鈣鈦礦電池和HJT-鈣鈦礦疊層電池實驗級產品開發、量產生產工藝開發等研發工作,并在未來 2 年內完成“100MW 級鈣鈦礦電池或HJT-鈣鈦礦疊層電池產線”的工藝規劃、技術路徑設計和產線的整體建設。


                      與張春福教授、朱衛東副教授、大禹實業成立合資公司,繼續加碼HJT-鈣鈦礦疊層電池研究,5年內完成鈣鈦礦異質結電池疊層量產的目標。2022年9月20日公司宣布擬與張春福教授、朱衛東副教授、安徽大禹實業集團有限公司就“HJT-鈣鈦礦疊層、鈣鈦礦電池”產業化技術開發及產品推廣達成合作意向,擬簽署《項目投資合作協議》及成立合資公司。合資公司負責開展鈣鈦礦-異質結疊層電池技術的研發、開展鈣鈦礦-異質結疊層電池產業化技術研究以及商業化解決方案推廣,并將相應技術應用于公司異質結電池項目,預計后年進入中試階段,5年內完成鈣鈦礦異質結疊層電池量產的目標。


                      杭蕭鋼構—2022年底投產首條100MW晶硅薄膜+鈣鈦礦疊層電池中試線


                      計劃2022年底投產首條100MW晶硅薄膜+鈣鈦礦疊層電池中試線,目標轉化效率為28%以上。2022年7月6日,杭蕭鋼構在互動平臺上表示,子公司合特光電計劃2022年底投產首條100MW晶硅薄膜+鈣鈦礦疊層電池中試線,目標轉化效率為28%以上。根據持股計劃中約定的“業績考核”要求,合特光電要在不晚于2023年5月10日實現高轉化效率鈣鈦礦/晶硅薄膜疊層電池100兆瓦中試線投產,且電池轉化效率達到28%以上。電池的生產設備是根據公司自主設計的生產工藝,向相關設備供應商進行定制采購,生產的高效電池可直接應用于合特的BIPV系列建材產品。


                      曜能光電(A輪)—2022年下半年開始建設中試車間,預計2023年建成


                      2022年7月到北京中關村通州園就“中試線場地”選址考察,預計2023年底建成投入使用。北京曜能科技有限公司成立于2017年,是全球最早進行鈣鈦礦太陽能電池產業化研發的團隊之一,公司團隊成員自2013年起在美國開始進行鈣鈦礦太陽能電池技術研發。2021年8月,高瓴氣候變化投資團隊參與了曜能科技數千萬A輪融資。曜能科技的鈣鈦礦/晶硅疊層光伏技術,能夠與晶硅技術深度結合,突破傳統單結太陽能電池的產業化光電轉換效率極限,進一步降低光伏發電成本。公司計劃2022年下半年開始建設中試車間,7月公司項目組到中關村通州園就“中試線場地”選址進行考察,預計2023年底投入使用。


                      3.4.4、研究階段:隆基綠能、晶澳科技、天合光能、東方日升、中來股份、愛康科技、聆達股份


                      隆基綠能:公布鈣鈦礦-異質結疊層電池專利,該疊層電池包括底電池、空穴傳輸層、鈣鈦礦吸收層和透明導電層。


                      晶澳科技:研發中心積極研究和儲備 IBC 電池、鈣鈦礦及疊層電池技術,保持核心競爭力;


                      天合光能:根據公司2021年年報,天合光能正在開展鈣鈦礦/晶硅兩端疊層太陽池的設計、制備研究,進展或階段性成果包括參與國家重點研究技術,聚焦高效N型Topcon/鈣鈦礦疊層電池及高效HJT/鈣鈦礦疊層電池的研究,完成鈣鈦礦調研報告、完成穩定性測試系統搭建,擬達到目標:鈣鈦礦/晶體硅兩端疊層太陽電池效率大于29%;


                      東方日升:公司有一支團隊主攻鈣鈦礦技術的研究,主要研究方向是疊層電池,目前研究成果處于保密階段。2022年投建鈣鈦礦及疊層電池實驗線;


                      中來股份:2021年年報顯示,公司為了開發新一代的高效疊層電池技術,提前布局下一代產品,提升公司競爭力,中來投入研發鈣鈦礦/Topcon疊層電池關鍵技術,以達到正面效率大于26%的目標。2022年8月,中來股份表示,公司的鈣鈦礦疊層電池正在研發中,現階段重點在研發匹配鈣鈦礦的底層電池;


                      愛康科技:涉足鈣鈦礦材料與HJT疊層電池技術的研發;


                      聆達股份:2022年6月21日,聆達股份在互動平臺表示,目前公司鈣鈦礦電池技術仍處于研究論證與規劃階段。

                      (開源證券)



                      你知道你的Internet Explorer是過時了嗎?

                      為了得到我們網站最好的體驗效果,我們建議您升級到最新版本的Internet Explorer或選擇另一個web瀏覽器.一個列表最流行的web瀏覽器在下面可以找到.

                      国彩网