机械一周解一惑系列：钙钛矿晶硅叠层电池的发展路径

本周关注：安徽合力、巨星科技、诺力股份、郑煤机 本周核心观点：本周国内社融数据与美国部分经济数据超预期，关注出口链与国内基建相关产业链，长期关注新技术 受益于可捕捉和转换更宽光谱范围，钙钛矿与晶硅叠层电池拥有更高的转换效率。连续可调的带隙宽度使得钙钛矿适合做叠层多结电池，与其他电池集成以后可以捕捉和转换更宽光谱范围的太阳光，获得比单纯晶硅电池或钙钛矿电池更高的光电转化效率。EcoMat研究表明钙钛矿/硅串联太阳电池的理论效率极限为46%，远高于传统晶硅电池；而根据NREL统计的最新实验室数据，钙钛矿/晶硅叠层转化效率快速提升，超过单晶硅电池。 相较TOPCON，HJT更适合与钙钛矿叠层。1）钙钛矿电池与异质结电池进行叠层，HJT电池表面本身就是TCO，HJT电池的产线无需做更改，而Topcon电池与钙钛矿电池进行叠层，Topcon正面的氮化硅和氧化铝由于是绝缘体不能导电，需要先把氧化铝和氮化硅去掉，或加入进一步掺杂和钝化工艺；2）叠层电池中HJT受光面TCO依然是TCO，Topcon表面也需要变成TCO，那么Topcon电池本身电流高的优势就会消失，理论上钙钛矿-Topcon叠层电池的效率相比HJT-钙钛矿叠层电池更低；3）钙钛矿/HJT叠层电池为串联结构，输出超高电压提高转换效率 产业中钙钛矿/晶硅叠层关注度有所升温。从叠层电池种类来看，目前钙钛矿/晶硅叠层电池的专利数更多，许多钙钛矿电池厂商持有相关专利，如黑晶光电、协鑫光电、纤纳光电、合特光电、众能光电等。全钙钛矿叠层电池的专利数并不多，目前仅有协鑫光电、纤纳光电和仁烁光能持有全钙钛矿叠层电池专利。从叠层电池专利占比来看，钙钛矿/晶硅叠层占比较大，其中，钙钛矿/HJT叠层电池的专利数较多。 钙钛矿/硅叠层电池常见的配置有二端叠层（2T）与四端叠层（4T），2T/4T技术路线当前没有明显结论。4T结构主要是指单结的钙钛矿电池和晶硅电池分别独立制作然后串联，2T结构主要是指在晶硅电池表面直接制作钙钛矿电池。1）从转换效率上看，目前钙钛矿/晶硅叠层电池2T/4T结构的转换效率没有明显差异，但优于钙钛矿/钙钛矿叠层电池、钙钛矿/碲化镉叠层电池；2）从制备成本看，2T叠层电池在硅电池上直接沉积钙钛矿电池制成，与机械堆叠的4T电池相比，只需要一个透明电极，更少的电极材料和更少的沉积步骤，2T电池的制造成本更低；3）从制备难度上看，4T电池分别制备两个电池再串联比较简单，而2T电池需要考虑顶底电池电流匹配问题，技术相对复杂，电流匹配的限制使得设计2T叠层电池时需要针对不同地理位置的光谱条件做出细微调整，才能获得最大的功率输出。同时由于直接在硅电池顶部沉积钙钛矿电池，硅电池顶部陷光结构的制作和表面钝化设计将会更加困难；4）从兼容性角度看，由于4T电池相当于有两个正极和负极，与现有电站匹配存在问题，但未来也有望通过组件内部串联的方式，将4T组件优化为2T组件解决。 投资建议：钙钛矿单结、钙钛矿/晶硅叠层电池仍处于选定设备工艺，多技术路线并存阶段。建议关注各环节设备布局最全面的：京山轻机、捷佳伟创 风险提示：1）钙钛矿产业融资进展与转换效率提升不及预期；2）钙钛矿/晶硅叠层电池发展不及预期 1晶硅叠层钙钛矿电池以及研发背景 1.1当前晶硅电池 晶硅电池技术是以硅片为衬底，根据硅片的差异区分为P型电池和N型电池。两种电池发电原理无本质差异，都是依据PN结进行光生载流子分离。在P型半导体材料上扩散磷元素，形成n+/p型结构的太阳电池即为P型电池片；在N型半导体材料上注入硼元素，形成p+/n型结构的太阳电池即为N型电池片。 P型电池制作工艺相对简单，成本较低，目前PERC占据主流。 N型电池主要有Topcon，HJT。Topcon（Tunnel Oxide Passivated Contact）——氧化层钝化接触，电池核心技术是背面钝化接触。电池背面由一层超薄氧化硅（ 1~2nm ）与一层磷掺杂的微晶非晶混合Si薄膜组成，二者共同形成钝化接触结构。钝化性能通过退火过程进行激活，Si薄膜在该退火过程中结晶性发生变化，由微晶非晶混合相转变为多晶。 图1：Topcon电池结构示意图 HJT（Heterojunction with Intrinsic Thin-film）——本征薄膜异质结电池。 具备对称双面电池结构，中间为N型晶体硅。正面依次沉积本征非晶硅薄膜和P型非晶硅薄膜，从而形成P-N结。背面则依次沉积本征非晶硅薄膜和N型非晶硅薄膜，以形成背表面场。鉴于非晶硅的导电性比较差，因此在电池两侧沉积透明导电薄膜（TCO）进行导电，最后采用丝网印刷技术形成双面电极。主要得益于N型硅衬底以及非晶硅对基底表面缺陷的双重钝化作用。 图2：HJT电池结构示意图 此外，还有IBC电池（Interdigitated Back Contact）——交叉指式背接触电池技术，将P/N结、基底与发射区的接触电极以交指形状做在电池背面，分为N型IBC以及P型IBC。目前IBC电池制程工艺复杂，成本较高尚未产业化。 图3：IBC电池结构示意图 1.2钙钛矿晶硅叠层电池 钙钛矿是指一类陶瓷氧化物柔性材料，呈立方体晶形。狭义的钙钛矿特指CaTiO3，广义的钙钛矿泛指与CaTiO3结构类似的ABX3型化合物，A代表有机分子（一般为CH3NH3等），B代表金属离子（一般为铅或锡），X代表卤素离子（一般为氟、氯、溴、碘、砹）。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，则被称为钙钛矿型太阳能电池，钙钛矿电池属于一种非硅（薄膜）电池，目前用于太阳能电池发电层的钙钛矿材料一般为有机-无机杂化钙钛矿材料。 图4：钙钛矿正八面体晶体结构图 1.2.1纯钙钛矿电池结构 目前钙钛矿电池分为单结钙钛矿与叠层钙钛矿（多结）两类。纯钙钛矿电池可分为n-i-p和p-i-n两种器件结构，其中n-i-p结构是指电子传输层-钙钛矿层-空穴传输层的器件结构，p-i-n结构是指空穴传输层-钙钛矿层-电子传输层的器件结构，其中n-i-p器件结构较为常见。但由于p-i-n结构制备工艺简单，成本低，可用于钙钛矿-钙钛矿叠层器件的制备，因此越来越受到科研者们的关注。 图5：nip结构（正式结构） 图6：pin结构（反式结构） 1.2.2叠层钙钛矿电池结构 连续可调的带隙宽度使得钙钛矿适合做叠层多结电池，优势在于其它类型太阳能电池集成以后可以捕捉和转换更宽光谱范围的太阳光，提升电池转换效率。 叠层的技术方向主要分为两类，钙钛矿/晶硅叠层电池、钙钛矿/钙钛矿叠层电池。对于钙钛矿/晶硅叠层电池，钙钛矿可以与HJT、Topcon等晶硅电池组成叠层电池。简单来说，是指将钙钛矿电池串联在晶硅电池表面。钙钛矿/硅串联太阳电池结合了晶硅、薄膜电池的优点，通过组合的优势，拓宽了吸收光谱，获得比单纯晶硅电池或钙钛矿电池更高的光电转化效率。EcoMat研究表明钙钛矿/硅串联太阳电池的理论效率极限为46%，远高于传统晶硅电池；而根据NREL统计的最新实验室数据，钙钛矿/晶硅叠层转化效率快速提升，明显超过单晶硅电池。 图7：电池转换效率历程（圈内为钙钛矿/晶硅叠层） 钙钛矿/硅叠层太阳能电池有多种配置方式，常见的配置方法有二端叠层（2T）与四端叠层（4T）。 图8：两端叠层电池结构 图9：四端叠层结构 从工艺难度来看，最容易实现的是机械堆叠的四端叠层电池。四端叠层电池的两个子电池独立制作，并且两子电池仅在光学上存在联系，电路相互独立，因此可以分别设计两个子电池的最佳制造条件，且两个子电池可以相互独立的运行在它们的最大功率点上。 两端叠层电池在硅电池上直接沉积钙钛矿电池制成，通过复合层或隧道结将两个子电池串联连接。与机械堆叠的四端电池相比，这种两端架构只需要一个透明电极，由于更少的电极材料使用和更少的沉积步骤，两端电池的制造成本极大的降低了。两端叠层电池也有一些限制：由于直接在硅电池顶部沉积钙钛矿电池，硅电池顶部陷光结构的制作和表面钝化设计将会更加困难。因为不规则的表面不利于沉积规则的钙钛矿薄膜，沉积工艺也可能破坏硅的上表面钝化层。 此外三端结构作为一种全新的设计思路逐渐进入了研究者的视野，2017 Werner课题组提出了将叉指式背接触硅（IBC）电池与宽带隙顶部电池相结合制造的三端结构叠层电池，并通过二维器件物理模型研究了三端配置下叠层电池的运行。 1.2.3Topcon钙钛矿叠层与HJT钙钛矿叠层比较 一般来说，相比Topcon电池，异质结电池与钙钛矿电池进行叠层更为理想 图10：4t钙钛矿/Topcon叠层 图11：钙钛矿/HJT叠层 一是异质结电池结构相比Topcon电池本身更适合叠层：因为钙钛矿电池与异质结电池进行叠层，异质结电池表面本身就是TCO，异质结电池的产线无需做更改，而Topcon电池与钙钛矿电池进行叠层，Topcon正面的氮化硅和氧化铝由于是绝缘体不能导电，需要先把氧化铝和氮化硅去掉，或加入进一步掺杂和钝化工艺； 二是Topcon电池与钙钛矿电池进行叠层的话自身基于电流高的效率优势会被浪费：从实际量产效率来看，Topcon和异质结相差不大，但效率的构成参数不同，异质结电池电压高，电流低，Topcon电池开压不高，但电流比较高，主要原因为异质结表面TCO的透光性不如Topcon表面的氮化硅。如果做叠层电池，异质结受光面TCO依然是TCO，Topcon表面也需要变成TCO，那么Topcon电池本身电流高的优势就没有了，理论上钙钛矿-Topcon叠层电池的效率相比HJT-钙钛矿叠层电池更低。不过钙钛矿-Topcon叠层电池依然值得关注，2022年6月，澳大利亚国立大学Klaus Weber，北京大学周欢萍以及晶科能源Peiting Zheng等人使用Topcon晶硅电池作为底部电池，以及钙钛矿薄膜作为顶部电池，制备了单片钙钛矿/Topcon叠层器件。该器件的效率为27.6%。 三是钙钛矿/HJT叠层电池为串联结构，输出超高电压提高转换效率。钙钛矿与异质结具有良好的叠层电池匹配度，可形成较单结PSCs效率更高的叠层电池。异质结是指将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅基片上，在交界面形成的空间电荷区（PN结），具有单向导电性。具有本征非晶层的硅异质结电池片中同时存在晶体和非晶体级别的硅，非晶硅能更好地实现钝化效果，提高开路电压和转换效率。叠层电池根据禁带宽度从小到大，可依次将不同材料按从底向顶顺序而组成。叠层电池上面是钙钛矿电池，底下是异质结电池，钙钛矿吸收中短波长的光，中长波的光透过钙钛矿由异质结吸收，通过光学和叠层的设计来输出超高电压。在转化率贡献上，异质结可以贡献25%-26%的转化率，而钙钛矿叠层则是增加其3%-5%增量效益。值得注意的是，由于钙钛矿电池与硅异质结电池均为P-N结构，如果将二者直接串联，接触界面会形成反PN结，导致电压相互抵消而不导电，需要增加过渡层，隧穿结或过渡层也是P-N结构，过渡层需要同时满足可导电、透光性好、有一定厚度几个条件，来联接两个子电池。 2学术界进度汇总 2.1钙钛矿/硅叠层太阳能电池的多种配置方式 钙钛矿/硅叠层太阳能电池有多种配置方式，常见的配置方法有二端叠层（2T）与四端叠层（4T）。 图12：四端式钙钛矿硅叠层电池结构图 图13：两端式钙钛矿硅叠层电池结构图 根据电子科技大学研究成果《钙钛矿/硅叠层太阳能电池的研究》中所述，从工艺难度来看，机械堆叠的四端叠层电池较为容易实现。四端叠层电池的两个子电池独立制作，并且两子电池仅在光学上存在联系，电路相互独立，因此可以分别设计两个子电池的最佳制造条件，且两个子电池可以相互独立的运行在它们的最大功率点上。 两端叠层电池在硅电池上直接沉积钙钛矿电池制成。采用四端架构意味着四个电极中的三个需要使用透明电极，与机械堆叠的四端电池相比，这种两端架构只需要一个透明电极，由于更少的电极材料使用和更少的沉积步骤，两端电池的制造成本降低。 但两端叠层电池也有一些限制：由于两个子电池串