光伏設備行業(yè)報告：鈣鈦礦電池，光伏發(fā)展新方向
報告出品/作者：華西機械團隊、毛冠錦
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鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）具有可調(diào)節(jié)的帶隙 ，高吸收系數(shù) 和長的載流子擴散長度等特性，是最有發(fā)展?jié)摿Φ谋∧す夥夹g。鈣鈦礦材料在太陽能電池領域取得了突破性的進展，通過改進鈣鈦礦材料配方、器件制造流程和高質(zhì)量的成膜方法，小面積單節(jié)鈣鈦礦太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率持續(xù)突破新高，鈣鈦礦領域的研究已進入規(guī)?；a(chǎn)的探索階段，代表企業(yè)有協(xié)鑫光電、纖納光電、極電光能等。但目前鈣鈦礦電池的制備仍存在穩(wěn)定性、鉛污染及大面積制備效率尚低等工藝難點。
鈣鈦礦材料占總成本比例小，設備投資額有望進一步降低。以協(xié)鑫光電100MW產(chǎn)業(yè)為例，其生產(chǎn)線組件成本小于1元/W，預計5-10GW級別量產(chǎn)線組件成本降至0.5-0.6元/W，遠低于晶硅生產(chǎn)成本1元/W。晶硅1GW的產(chǎn)能（包含硅料、硅片、電池、組件）投資額在10億元左右，而協(xié)鑫鈣鈦礦的第一條100MW的設備產(chǎn)線投資在1億元左右，1GW產(chǎn)能投資額規(guī)?；箢A計約為5億元。
鈣鈦礦光伏電池的制備中，鈣鈦礦吸光層、ETL、HTL是制備工藝中的核心環(huán)節(jié)。其中，鈣鈦礦吸光層的制備是最核心的環(huán)節(jié)。
一、鈣鈦礦電池：行業(yè)概述
鈣鈦礦電池：第三代太陽能電池
太陽能電池是指可以有效吸收太陽能，并將其轉(zhuǎn)化為電能的半導體部件。目前太陽能電池已發(fā)展至第三代。1）硅晶太陽能電池：以單晶硅、多晶硅為代表，是目前技術發(fā)展成熟且應用最廣泛的太陽能電池，但仍存在單晶硅太陽能電池原料要求高及多晶硅太陽能電池生產(chǎn)工藝復雜等問題；2）化學薄膜太陽能電池：主要以碲化鎘（CdTe）、砷化鎵（GaAs）、銅銦鎵硒（CIGS）為代表，相較晶硅電池所需材料少易于進入量產(chǎn)化階段，但仍存在部分金屬材料價格昂貴、材料純度要求高的問題；3）新型薄膜太陽能電池：主要有染料敏化太陽能電池（DSSCs）、鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）、量子點太陽能電池（QDSCs）等，具有效率提升速度快、成本低等優(yōu)勢，已受到產(chǎn)業(yè)界的廣泛關注。
鈣鈦礦：本指化學式為CaTiO3的礦物質(zhì)以及擁有為CaTiO3結(jié)構(gòu)的金屬氧化物。發(fā)展至今，鈣鈦礦已經(jīng)成為化學式為ABX3的物質(zhì)的術語，正八面體結(jié)構(gòu)，鈣鈦礦材料具備高光電系數(shù)、長載流子擴散長度、可人工合成等特點。鈣鈦礦太陽能電池是利用鈣鈦礦型的有機金屬鹵化物半導體作為吸光材料的太陽能電池。
鈣鈦礦電池：第三代太陽能電池
鈣鈦礦太陽能電池基本原理：光生伏特效應。工作機制總體可以分為五個過程，即光子吸收過程（產(chǎn)生激子）、激子擴散過程、激子解離過程（分離為電子和空穴）、載流子傳輸過程和電荷收集過程。經(jīng)過五個過程后，自由電子通過電子傳輸層后被陰極層收集，自由空穴通過空穴傳輸層后被陽極收集，兩極形成電勢差，電池與外加負載構(gòu)成閉合回路，回路中形成電流。
常見高效鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)是透明導電氧化物（FTO或ITO），電子傳輸層（ETL）、鈣鈦礦吸光層、空穴傳輸層（HTL）、金屬電極（背電極）。根據(jù)電子傳輸層與空穴傳輸層位置不同，可分為正式結(jié)構(gòu)電池（n-i-p）與反式結(jié)構(gòu)電池（p-i-n）；根據(jù)電荷傳輸層的形貌結(jié)構(gòu)，可分為介孔結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)。
介孔結(jié)構(gòu)：采用TiO2作為介孔骨架，相較平面結(jié)構(gòu)散光效果好、接觸面積大、成膜均勻光滑。但由于制備工藝復雜、能耗高，或不利于大規(guī)模制備量產(chǎn)。
正式（常規(guī)）結(jié)構(gòu)：無介孔電子傳輸層，制備更簡單靈活，減少了500℃高溫煅燒TiO2的步驟，但相較介孔結(jié)構(gòu)效率略差。
反式（倒置）結(jié)構(gòu)：構(gòu)成為導電玻璃基地上先制備HTL、鈣鈦礦吸光層、ETL及金屬對電極，制備工藝簡單、成膜溫度低、成本低，是目前產(chǎn)業(yè)化進程中的主流結(jié)構(gòu)。
鈣鈦礦電池：第三代太陽能電池
鈣鈦礦太陽能電池還可分為單結(jié)電池和多結(jié)疊層電池。單結(jié)電池相較于多結(jié)疊層電池效率更低，主要為平面反式結(jié)構(gòu)，目前在市場上廣泛應用。多結(jié)疊層電池則主要通過疊層方式與HJT、IBC等電池組合，實現(xiàn)吸收光譜互補，可以突破傳統(tǒng)晶硅電池理論效率極限，提升光伏電池轉(zhuǎn)換效率。目前兩端疊層電池效率已經(jīng)突破28%。
鈣鈦礦晶硅疊層電池結(jié)構(gòu)有多種。2-T疊層電池又稱集成一體化結(jié)構(gòu)，是指在硅電池上生長鈣鈦礦電池，采用中間層連接兩個子電池；4-T疊層電池又稱為機械堆疊結(jié)構(gòu)，是指將帶隙較大的鈣鈦礦電池作為頂電池，將帶隙較小的晶硅電池作為底電池，通過簡單堆疊形成疊層電池，頂電池和底電池分別保留其正負極，構(gòu)成4個終端結(jié)構(gòu)。另外，還有光譜分離的四端疊層電池、反射結(jié)構(gòu)的四端疊層電池、三端疊層等。
鈣鈦礦電池優(yōu)勢顯著：極限效率和發(fā)電量高
鈣鈦礦電池光電轉(zhuǎn)化效率理論極限高于晶硅電池。根據(jù)權威測試機構(gòu)德國哈梅林太陽能研究所（ISFH）測算，普通單晶硅太陽能電池理論極限轉(zhuǎn)換效率為24.5%，HJT電池理論極限轉(zhuǎn)換效率為27.5%，TOPCon電池理論極限轉(zhuǎn)換效率為28.7%。而單層鈣鈦礦電池理論極限轉(zhuǎn)換效率高達31%，鈣鈦礦雙節(jié)鈣鈦礦效率極限高達35%，三節(jié)鈣鈦礦理論極限效率為45%。鈣鈦礦電池轉(zhuǎn)換效率極限高主要原因在于其禁帶寬度適宜、鈣鈦礦材料帶隙寬度可調(diào)以及無組件效率損失。
? 禁帶寬度適宜：過寬的帶隙寬度會使得被吸收的光子過少。例如MAPbI3-xBrx中，隨x的變化可實現(xiàn)帶隙 1.5~2.3eV連續(xù)可調(diào)。
? 帶隙寬度可調(diào)：通過調(diào)整A、B和X含量可以獲得不同組分鈣鈦礦材料，對應鈣鈦礦材料的帶隙及能級分布也各不相同，通過對鈣鈦礦進行組分調(diào)控，可實現(xiàn)帶隙連續(xù)調(diào)控，這也決定了鈣鈦礦可以廣泛應用在發(fā)光、光伏和光探等領域。根據(jù)上海交大物理與天文學院官微顯示，數(shù)值計算表明使用帶隙為1.72eV的鈣鈦礦與1.12eV的晶硅結(jié)合，理論疊層效率高達43%。
鈣鈦礦電池優(yōu)勢顯著：極限效率和發(fā)電量高
鈣鈦礦電池發(fā)電量高：主要原因在于其抗衰減性強、具有低溫度系數(shù)、吸收系數(shù)高且弱光效應好。
? 抗衰減性強：鈣鈦礦電池無PID效應與LID效應。PID效應又稱電勢誘導衰減，電池片與其接地金屬邊框間高電壓作用下出現(xiàn)離子遷移，大量電荷聚集于電池片表面使其表面鈍化，最終導致組件效率下降。LID效應是指光致衰減效應，一般發(fā)生于P型摻硼硅片制作的電池片中。但PID、LID效應不會顯著影響鈣鈦礦的發(fā)電量。協(xié)鑫光電表示，目前大多數(shù)先進實驗室已經(jīng)可以實現(xiàn)鈣鈦礦組件連續(xù)工作至少1000小時不衰減，協(xié)鑫光電100MW產(chǎn)線下線產(chǎn)品的使用壽命預計將超過25年。
? 具有低溫度系數(shù)：相較晶硅低兩個數(shù)量級，高溫條件下效率受影響較低。晶硅組件的溫度系數(shù)是-0.3左右，即溫度每上升1度，功率會下降0.3%。而鈣鈦礦的溫度系數(shù)為-0.001，接近于0，因此實際發(fā)電效率就會顯著高于晶硅。
? 吸收系數(shù)高：光吸收系數(shù)是指在單位濃度及單位厚度時的吸光度。鈣鈦礦層厚度為百納米，晶硅電池光吸收系數(shù)僅103cm-1，而鈣鈦礦吸收系數(shù)達105cm-1，光系數(shù)高，弱光效應強，陰天及室內(nèi)等弱光條件下轉(zhuǎn)換效率更高。
鈣鈦礦電池優(yōu)勢顯著：成本低
鈣鈦礦電池相較于晶硅電池投資成本、生產(chǎn)成本均較低。鈣鈦礦太陽能電池的制程耗時明顯減少，一體化工廠大幅降低生產(chǎn)成本。晶硅電池需要至少在四個不同的工廠分別加工硅料、硅片、電池、組件，單位制程至少需要3天以上，同時還需要大量的人力、運輸成本等。根據(jù)協(xié)鑫納米的數(shù)據(jù)，鈣鈦礦太陽能電池的生產(chǎn)流程較為簡單，僅需45分鐘就可將玻璃、膠膜、靶材、化工原料等在一個工廠內(nèi)加工成組件，極大地縮短了制程耗時，簡化了流程，價值高度集中，成熟期后單GW投資成本將降至5億元。鈣鈦礦材料占總成本比例小，以協(xié)鑫光電100MW產(chǎn)業(yè)為例，其生產(chǎn)線組件成本小于1元/W，預計5-10GW級別量產(chǎn)線組件成本降至0.5-0.6元/W，遠低于晶硅生產(chǎn)成本1元/W。
鈣鈦礦電池產(chǎn)能投資額僅為晶硅產(chǎn)能投資額的一半，成本進一步降低。根據(jù)協(xié)鑫光電，晶硅1GW的產(chǎn)能（包含硅料、硅片、電池、組件）投資額在10億元左右，而協(xié)鑫鈣鈦礦的第一條100MW的設備產(chǎn)線投資在1億元左右，1GW產(chǎn)能投資額規(guī)?；箢A計約為5億元。
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