钙钛矿电池：初始投资减半、转换效率翻倍未来光伏主流迎GW级产线时代丨黄金眼

全景网 • 2023-10-13 07:46

有望成为未来主流的第三代光伏电池——钙钛矿电池，已经迎来产业化曙光。

钙钛矿电池何许人也？

有望成为晶硅之后主流电池的钙钛矿，其叠层电池理论最高转换效率接近晶硅电池的两倍。

过去在60多年的时间里，已经有三代太阳能电池发展出来。第一代是以硅材料为基本材料的太阳能电池，是目前最成熟的主流商业电池；第二代是薄膜太阳能电池，以铜铟镓硒(CIGS)、碲化镉(CdTe)电池为代表，相比第一代具有厚度薄、光电转化效率高等的优势，但部分因素也限制了这类电池的发展，如部分材料储量稀少或有毒性，制备过程复杂等；第三代为新型太阳能电池，主要包括钙钛矿太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池和量子点太阳能电池。

资料来源：东方富海

其中钙钛矿是一类离子化合物晶体，钙铁矿材料具备理想的禁带宽度，极高的吸光系数，很低的电子空穴对结合能、均衡的载流子迁移率和较长的载流子寿命等多个优点。

钙钛矿晶体结构资料来源：脉络能源

钙钛矿太阳能电池的基本构造为五层“三明治”结构，其中以钙钛矿层为中心，上下两侧为两个传输层，最外侧为两个电极层，电池结构可分为平面正式、平面反式和介孔结构三类。

资料来源：艾邦光伏网，MDPI，中科院之声

钙钛矿电池通过光生载流子的分离实现对外发电。对于半导体材料，原子周围的价电子吸收光子能量后可以发生跃迁，同时产生空穴，形成光生载流子对（电子-空穴对），当两种自由移动的载流子分别被连接至外部电路的正负电极收集，便能实现对外发电。

资料来源：大正微纳官网，《钙钛矿太阳能电池中的缓冲层研究进展》

作为太能电池的半导体吸光材料具有带隙范围宽且连续可调、吸光能力强等优异特性，因此在电池理论转换效率和发电能力方面皆高于主流晶硅材料电池。根据肖克利-奎瑟极限（Shockley–Queisserlimit），单结太阳能电池的理想带隙应该为1.4eV，该带隙下降太阳光能量转换为电能的转换效率为33.7%。相比之下，硅的带隙仅为1.12eV，理论转换效率为29.4%。

晶硅电池从5%左右发展至最近的26.81%用了60余年，且接近理论极限转换效率29.4%。反观单结钙钛矿电池理论极限效率可达33%，双叠层、三叠层、四叠层理论最高转换效率分别达44.3%、50.1%、54.0%。大面积钙钛矿电池转换效率有望在2023年底达到18%，硅基钙钛矿串联叠层电池两年内三次刷新纪录至32.5%。

钙钛矿具备对杂质极高的容忍度和极强的吸光能力，在弱光下也能保持更好的发电功率，同时可以避免晶硅电池中常见的LIP、PID和LeTID等衰减，此外接近于零的温度系数使得钙钛矿电池在较高温度下几乎没有效率损失，因此在实际运行中同等转换效率下的钙钛矿电池可以有明显的发电量增益，或者说达到更高效率晶硅电池的实际发电效果，增幅可达10%。

因此钙钛矿电池有望成为未来主流的光伏电池。

产业化优劣势有哪些？

推进程度如何？

先看钙钛矿电池产业化面临的难题，首当其冲的是使用寿命的问题。

太阳能电池的发电能力一般会随工作时间的增加而逐步减弱，维持一定的基本转换效率水平的时间就是电池的寿命，在一定的初始成本下，太阳能电池的寿命越长，生命周期累计发电量就越多，度电成本LCOE也越低。但由于钙钛矿电池的稳定性较差，使用寿命相对比较短，早期仅有几分钟，在过去的报道中一般较长也仅有几千小时，而当下晶硅电池的寿命长达25年以上，因此稳定性成为钙钛矿电池产业化的主要挑战。

其次是制作尺寸放大伴随转换效率明显下降。

虽然目前钙钛矿电池在研究层面已达到较高的效率水平，但高效率表现都是在小面积基础上，效率超过20%的电池面积基本要在100平方厘米以内，随制作面积的放大，电池转换效率会明显下降，超过1000平方厘米后效率就不太容易达到18%以上。

光伏组件（钙钛矿组件与电池面积相当）必须要达到一定的尺寸才能有经济性地摊薄系统成本，目前大规模商业化运用的晶硅电池组件面积一般都在1.6-3.1平方米，因此如何使钙钛矿电池在大面积条件下达到理想效率水平成为产业化的重要挑战。

不过相比于传统晶硅电池，钙钛矿电池在材料用量、工艺温度、制备难易程度、环保、初始投资额、生产成本等多方面具备优势，是其产业化推进重要的助力。

钙钛矿晶体通常使用的甲胺、甲醚等有机盐、金属铅盐和非金属卤素离子等都材料十分常见而广泛存在，容易低成本的获取。其材料使用量也较少，总厚度大概1um左右，而晶硅电池目前主流硅片厚度在120-150m。晶硅组件由于使用含铅焊带，因此每块组件含铅16-18g，而钙钛矿每块组件含铅量小于2g。

同时，钙钛矿吸光材料对缺陷相对不敏感，通常达到90%即可制造效率超过20%的电池，相比之下晶硅的电池需要很高纯度的硅单质作为吸光材料，纯度要求至少达到达99.9999%，从硅料开始就需要投入大量成本用于进行提纯工艺。

这也使得钙钛矿电池制备速度很快，目前协鑫光电已能把从玻璃、胶膜、靶材、化工原料进入到组件成型的全过程控制在45分钟之内。其工艺温度也不超过150℃，加上工艺流程短，整体能耗很低，每瓦组件耗能仅约0.23kWh，明显优于晶硅超过1kWh的每瓦组件耗能。

全钙钛矿串联结构的能量回收时间和温室气体排放因子分别为0.35年和10.7gCO2-eq/kWh，相较硅基电池的1.52年和24.6gCO2-eq/kWh。钙钛矿单结电池能量回收时间仅为硅基电池的23%，温室气体排放因子仅为硅基电池的43%，环保性更强。

从工厂投资金额来看，钙钛矿电池组件生产在达到一定成熟度后，1GW产能的投资仅5亿元左右，而晶硅组件四个环节产能加起来投资接近10亿元。

此背景下，钙钛矿电池发展十分迅速，组件降本增效也在持续进行。

目前，协鑫光电新建的1m×2m尺寸钙钛矿组件作为全球首条100MW量产线已进入中试，组件转化效率近16%，预计2023年底组件转换效率可达18%。

而且近日工业和信息化部、国务院国资委关于印发前沿材料产业化重点发展指导目录（第一批）的通知，钙铁矿材料入选；此外，经国家光伏产业计量测试中心认证，脉络能源在30cmX30cm（孔径面积800.9cm）的大尺寸钙钛矿光伏组件上实现了21.50%的转换效率，为当前已报道的世界最高值。

大面积钙钛矿组件资料来源：协鑫光电

根据CPIA预测，2023年平米级钙钛矿光伏产品有望实现17-19%的转换效率，预期2030年可能提升至25%。当前百兆瓦级产线阶段成本可以控制在1.0-1.5元/W，2025年后GW级产线有望将成本降至0.8元/W；2028-2030年10GW级产线有望将成本降至0.6元/W，届时相比晶硅电池就会显示出明显优势。

钙钛矿电池成本及效率趋势资料来源：CPIA

产业链相关企业有哪些？

当前，GW级产线正是“从0到1”的关键时刻。

国内产业化研发团队的技术突破也吸引了诸多产业资本，在融资加持下已有数条百兆瓦级钙钛矿组件产线建成，机构预计后续还会有越来越多的产线落地。另一方面，光伏电池技术需要通过GW级量产来体现产业化的规模效应，也是钙钛矿电池实现技术成熟度和经济性突破的关键一步，目前已有不少企业提出了GW级产线的规划，预计在技术进展顺利的情况下，GW级产线建设有望在2025年前开始放量。

效率、产能、设备、产品应用进展图

资料来源：公司公告、ifind、中国银河证券研究院整理（双圆表示叠层）

此背景下，更多目光应该放在设备、电池组件制造、材料等环节。

首先在设备方面，钙钛矿三大核心设备分别为镀膜、激光和涂布结晶设备，其中京山轻机布局了溅射式PVD镀膜设备、ALD和蒸镀设备。此外，公司还能够提供产线上的玻璃清洗机、钙钛矿干燥设备、组件封装设备等。子公司晟成光伏2021年与协鑫光电签署了在钙钛矿叠层电池技术合作开发协议，目前公司钙钛矿电池团簇型多腔式蒸镀设备现已量产，并成功应用于多个客户端。

奥来德计划投资4900万元新增“钙钛矿结构型太阳能电池蒸镀设备的开发项目”和“低成本有机钙钛矿载流子传输材料和长寿命器件开发项目”等两个钙钛矿相关研发项目。捷佳伟创已具备钙钛矿及钙钛矿叠层整线装备的研发和供应能力，设备种类涵盖RPD、PVD、PAR、CVD、蒸发镀膜及精密狭缝涂布、晶硅叠层印刷等。公司钙钛矿设备在陆续交付中，客户包含了央企研究院、国家科学院、光伏头部企业等。

利元亨钙钛矿激光设备已在头部客户试样，并与冯阿登纳、上海森松等签定了战略合作协议。大族激光激光设备在国内市占率一直位于市场前列，自研激光刻划设备已实现量产销售，在钙钛矿电池行业几家龙头、前沿研究机构均取得激光设备的交付销售，及大尺寸激光加工设备的整线交付。

德龙激光首套钙钛矿薄膜太阳能电池生产整段设备2022年已交付客户并投入使用。帝尔激光在钙钛矿TCO层、钙钛矿层、电极层均有相应的应用，2022年公司已有钙钛矿工艺设备订单的交付。杰普特于2021年8月交付了首套柔性钙钛矿模切设备，并推出了第二代产品方案。

科恒股份全资子公司浩能科技钙钛矿电池的薄膜平板涂布设备已获得订单。

在电池领域，万润股份2014年开始布局钙钛矿太阳能电池材料，并于2016年起开始形成部分产品专利，目前拥有钙钛矿太阳能电池相关专利21项，已有材料根据客户需求送样。宝馨科技2014开始研究钙钛矿电池，计划于2023年上半年完成新实验线的建设，2024年启动100MW钙钛矿叠层线的建设，预计实现实验室效率大于32%。

通威股份钙钛矿实验室搭建完成，首片钙钛矿电池已下线。杭萧钢构2021年收购合特光电，2022年9-10月完成钙钛矿叠层中试线设备的定制采购，预计2023年完成设备进场调试，规划合特光电将在不晚于2023年5月10日，实现高转化效率钙钛矿/晶硅薄膜叠层电池100MW中试线投产，且电池转化效率达到28%以上。

此外材料方面，隆华科技、阿石创生产的靶材均可用于钙钛矿及其叠层电池的TCO层、空穴传输层、电子传输层。金晶科技2022年与杭州纤纳光电科技有限公司签订《公司战略合作协议》，双方将在钙钛矿用TCO系列玻璃领域建立战略合作关系，且公司目前与国内主要碲化镉和钙钛矿电池组件厂均有业务合作。

耀皮玻璃则早在2016年就成功生产出应用于碲化铬薄膜发电的TCO玻璃，是中国最早实现商业化生产太阳能光伏TCO玻璃的制造商。

此类企业均有望在钙钛矿电池高速推进中迎来一波发展机遇。