fto数字货币(光伏设备行业报告：钙钛矿电池，光伏发展新方向)

日期：2023年04月21日 13:41 浏览量：1

报告出品/作者：华西机械团队、毛冠锦

以下为报告原文节选

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钙钛矿太阳能电池（PSCs）具有可调节的带隙，高吸收系数和长的载流子扩散长度等特性，是最有发展潜力的薄膜光伏技术。钙钛矿材料在太阳能电池领域取得了突破性的进展，通过改进钙钛矿材料配方、器件制造流程和高质量的成膜方法，小面积单节钙钛矿太阳能电池光电转换效率持续突破新高，钙钛矿领域的研究已进入规模化生产的探索阶段，代表企业有协鑫光电、纤纳光电、极电光能等。但目前钙钛矿电池的制备仍存在稳定性、铅污染及大面积制备效率尚低等工艺难点。

钙钛矿材料占总成本比例小，设备投资额有望进一步降低。以协鑫光电100MW产业为例，其生产线组件成本小于1元/W，预计5-10GW级别量产线组件成本降至0.5-0.6元/W，远低于晶硅生产成本1元/W。晶硅1GW的产能（包含硅料、硅片、电池、组件）投资额在10亿元左右，而协鑫钙钛矿的第一条100MW的设备产线投资在1亿元左右，1GW产能投资额规模化之后预计约为5亿元。

钙钛矿光伏电池的制备中，钙钛矿吸光层、ETL、HTL是制备工艺中的核心环节。其中，钙钛矿吸光层的制备是最核心的环节。

一、钙钛矿电池：行业概述

钙钛矿电池：第三代太阳能电池

太阳能电池是指可以有效吸收太阳能，并将其转化为电能的半导体部件。目前太阳能电池已发展至第三代。1）硅晶太阳能电池：以单晶硅、多晶硅为代表，是目前技术发展成熟且应用最广泛的太阳能电池，但仍存在单晶硅太阳能电池原料要求高及多晶硅太阳能电池生产工艺复杂等问题；2）化学薄膜太阳能电池：主要以碲化镉（CdTe）、砷化镓（GaAs）、铜铟镓硒（CIGS）为代表，相较晶硅电池所需材料少易于进入量产化阶段，但仍存在部分金属材料价格昂贵、材料纯度要求高的问题；3）新型薄膜太阳能电池：主要有染料敏化太阳能电池（DSSCs）、钙钛矿太阳能电池（PSCs）、量子点太阳能电池（QDSCs）等，具有效率提升速度快、成本低等优势，已受到产业界的广泛关注。

钙钛矿：本指化学式为CaTiO3的矿物质以及拥有为CaTiO3结构的金属氧化物。发展至今，钙钛矿已经成为化学式为ABX3的物质的术语，正八面体结构，钙钛矿材料具备高光电系数、长载流子扩散长度、可人工合成等特点。钙钛矿太阳能电池是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池。

光伏设备行业报告：钙钛矿电池，光伏发展新方向

钙钛矿电池：第三代太阳能电池

钙钛矿太阳能电池基本原理：光生伏特效应。工作机制总体可以分为五个过程，即光子吸收过程（产生激子）、激子扩散过程、激子解离过程（分离为电子和空穴）、载流子传输过程和电荷收集过程。经过五个过程后，自由电子通过电子传输层后被阴极层收集，自由空穴通过空穴传输层后被阳极收集，两极形成电势差，电池与外加负载构成闭合回路，回路中形成电流。

常见高效钙钛矿太阳能电池结构是透明导电氧化物（FTO或ITO），电子传输层（ETL）、钙钛矿吸光层、空穴传输层（HTL）、金属电极（背电极）。根据电子传输层与空穴传输层位置不同，可分为正式结构电池（n-i-p）与反式结构电池（p-i-n）；根据电荷传输层的形貌结构，可分为介孔结构和平面结构。

介孔结构：采用TiO2作为介孔骨架，相较平面结构散光效果好、接触面积大、成膜均匀光滑。但由于制备工艺复杂、能耗高，或不利于大规模制备量产。

正式（常规）结构：无介孔电子传输层，制备更简单灵活，减少了500℃高温煅烧TiO2的步骤，但相较介孔结构效率略差。

反式（倒置）结构：构成为导电玻璃基地上先制备HTL、钙钛矿吸光层、ETL及金属对电极，制备工艺简单、成膜温度低、成本低，是目前产业化进程中的主流结构。

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钙钛矿电池：第三代太阳能电池

钙钛矿太阳能电池还可分为单结电池和多结叠层电池。单结电池相较于多结叠层电池效率更低，主要为平面反式结构，目前在市场上广泛应用。多结叠层电池则主要通过叠层方式与HJT、IBC等电池组合，实现吸收光谱互补，可以突破传统晶硅电池理论效率极限，提升光伏电池转换效率。目前两端叠层电池效率已经突破28%。

钙钛矿晶硅叠层电池结构有多种。2-T叠层电池又称集成一体化结构，是指在硅电池上生长钙钛矿电池，采用中间层连接两个子电池；4-T叠层电池又称为机械堆叠结构，是指将带隙较大的钙钛矿电池作为顶电池，将带隙较小的晶硅电池作为底电池，通过简单堆叠形成叠层电池，顶电池和底电池分别保留其正负极，构成4个终端结构。另外，还有光谱分离的四端叠层电池、反射结构的四端叠层电池、三端叠层等。

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钙钛矿电池优势显著：极限效率和发电量高

钙钛矿电池光电转化效率理论极限高于晶硅电池。根据权威测试机构德国哈梅林太阳能研究所（ISFH）测算，普通单晶硅太阳能电池理论极限转换效率为24.5%，HJT电池理论极限转换效率为27.5%，TOPCon电池理论极限转换效率为28.7%。而单层钙钛矿电池理论极限转换效率高达31%，钙钛矿双节钙钛矿效率极限高达35%，三节钙钛矿理论极限效率为45%。钙钛矿电池转换效率极限高主要原因在于其禁带宽度适宜、钙钛矿材料带隙宽度可调以及无组件效率损失。

Ø 禁带宽度适宜：过宽的带隙宽度会使得被吸收的光子过少。例如MAPbI3-xBrx中，随x的变化可实现带隙 1.5~2.3eV连续可调。

Ø 带隙宽度可调：通过调整A、B和X含量可以获得不同组分钙钛矿材料，对应钙钛矿材料的带隙及能级分布也各不相同，通过对钙钛矿进行组分调控，可实现带隙连续调控，这也决定了钙钛矿可以广泛应用在发光、光伏和光探等领域。根据上海交大物理与天文学院官微显示，数值计算表明使用带隙为1.72eV的钙钛矿与1.12eV的晶硅结合，理论叠层效率高达43%。

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钙钛矿电池优势显著：极限效率和发电量高

钙钛矿电池发电量高：主要原因在于其抗衰减性强、具有低温度系数、吸收系数高且弱光效应好。

Ø 抗衰减性强：钙钛矿电池无PID效应与LID效应。PID效应又称电势诱导衰减，电池片与其接地金属边框间高电压作用下出现离子迁移，大量电荷聚集于电池片表面使其表面钝化，最终导致组件效率下降。LID效应是指光致衰减效应，一般发生于P型掺硼硅片制作的电池片中。但PID、LID效应不会显著影响钙钛矿的发电量。协鑫光电表示，目前大多数先进实验室已经可以实现钙钛矿组件连续工作至少1000小时不衰减，协鑫光电100MW产线下线产品的使用寿命预计将超过25年。

Ø 具有低温度系数：相较晶硅低两个数量级，高温条件下效率受影响较低。晶硅组件的温度系数是-0.3左右，即温度每上升1度，功率会下降0.3%。而钙钛矿的温度系数为-0.001，接近于0，因此实际发电效率就会显著高于晶硅。

Ø 吸收系数高：光吸收系数是指在单位浓度及单位厚度时的吸光度。钙钛矿层厚度为百纳米，晶硅电池光吸收系数仅103cm-1，而钙钛矿吸收系数达105cm-1，光系数高，弱光效应强，阴天及室内等弱光条件下转换效率更高。

光伏设备行业报告：钙钛矿电池，光伏发展新方向

钙钛矿电池优势显著：成本低

钙钛矿电池相较于晶硅电池投资成本、生产成本均较低。钙钛矿太阳能电池的制程耗时明显减少，一体化工厂大幅降低生产成本。晶硅电池需要至少在四个不同的工厂分别加工硅料、硅片、电池、组件，单位制程至少需要3天以上，同时还需要大量的人力、运输成本等。根据协鑫纳米的数据，钙钛矿太阳能电池的生产流程较为简单，仅需45分钟就可将玻璃、胶膜、靶材、化工原料等在一个工厂内加工成组件，极大地缩短了制程耗时，简化了流程，价值高度集中，成熟期后单GW投资成本将降至5亿元。钙钛矿材料占总成本比例小，以协鑫光电100MW产业为例，其生产线组件成本小于1元/W，预计5-10GW级别量产线组件成本降至0.5-0.6元/W，远低于晶硅生产成本1元/W。

钙钛矿电池产能投资额仅为晶硅产能投资额的一半，成本进一步降低。根据协鑫光电，晶硅1GW的产能（包含硅料、硅片、电池、组件）投资额在10亿元左右，而协鑫钙钛矿的第一条100MW的设备产线投资在1亿元左右，1GW产能投资额规模化之后预计约为5亿元。

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