叠层钙钛矿电池：单结为矛，叠层为盾，下一代电池片技术或开始逐渐演绎
行业报告|行业专题研究 证券研究报告 2023年03月15日 机械设备 叠层钙钛矿电池： 单结为矛，叠层为盾，下一代电池片技术或开始逐渐演绎 作者： 分析师李鲁靖SAC执业证书编号：S1110519050003 联系人张钰莹 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 行业评级：强于大市（维持评级）上次评级：强于大市 2 摘要 1）钙钛矿叠层电池：效率突破单结极限，多种技术路径持续探索。叠层电池的原理是宽带隙顶部电池吸收高能量光子，窄带隙底 部电池提高光子利用率，二者合作能突破单结电池的理论效率极限，打开转化效率天花板。 •从材料分类：可分为钙钛矿/PERC、钙钛矿/TOPCon、钙钛矿/HJT、钙钛矿/CIGS与全钙钛矿电池等。钙钛矿晶硅叠层电池是现阶段晶硅电池的升级之选，其中钙钛矿/HJT电池或为更优解；而全钙钛矿电池无需晶硅材料，能实现有效降本，未来随着量产技术逐渐成熟，全钙钛矿叠层有望成为更优选择。 •从结构分类：两端结构为两子电池串联，三端结构两子电池并联，四端机械堆叠结构两子电池并联，光学耦合。两端集成一体化结构要求两子电池电流相互匹配，产业选择集中于两端一体化结构，或因其所需透明导电层较少，制备成本低。 2）制备设备：看好广泛PVD与先进ALD。综合分析各公司公开专利，叠层电池生产流程相较于单结电池的增量在于中间层，ALD 技术在其中缓冲层/致密层更占优；PVD技术覆盖大部分生产流程，价值量占比高。 3）叠层钙钛矿电池：电池厂商厚积待薄发，产能规划持续萌芽。传统电池厂商隆基、爱旭已开始技术布局，新兴企业宝馨、华晟不容小觑，跨界厂商杭萧钢构、聆达股份动作频繁。目前钙钛矿叠层电池尚处于研发与试验阶段，已有企业宣布产能规划，钙钛矿晶硅叠层电池因基础晶硅技术成熟，产业进度快于钙钛矿/CIGS叠层电池与全钙钛矿叠层电池。效率方面，小面积钙钛矿/晶硅 叠层电池效率已超30%，期待大面积叠层电池效率突破。 4）投资建议： •建议关注电池厂商后续进展：目前明确钙钛矿叠层电池规划的多为跨界厂商，杭萧钢构进展快速，率先规划建立100MW中试线。传统电池片厂商中，天合、东方日升与通威已有明确的钙钛矿叠层电池布局计划。 •关注PVD设备与ALD厂商：PVD设备商中捷佳伟创与京山轻机设备已成功导入下游钙钛矿电池端，未来有望应用于叠层电池；微导纳米是光伏ALD设备龙头之一，已获取叠层电池订单，期待未来扩大优势；奥来德（正在研发）、欣奕华（暂未上市）作为蒸镀机探索研发生产商，有望凭借蒸发源know-how带来增益。 风险提示：光伏装机不及预期；电池片技术路径变化风险；钙钛矿叠层电池量产速度低于预期 1.钙钛矿叠层电池： 效率突破单结极限，多种技术路径持续探索 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明3 资料来源：钙钛矿太阳能电池在全钙钛矿叠层器件中的应用研究_姚燕青、LightCradle网、天风证券研究所 4 钙钛矿材料结构：ABX3。狭义的钙钛矿是矿物CaTiO3本身，广义钙钛矿则是具有钙钛矿结构类型的ABX3型化合物。钙钛矿晶体结构由共享的BX6八面体组成，A占据了每个晶胞单元中BX6八面体的空腔位置，其中A位离子为大半径的阳离子，B位阳离子为小半径的阳离子，X位阴离子则为卤素阴离子。 半透明薄膜电池，可用于光伏建筑一体，打开光伏市场天花板。钙钛矿电池是新型薄膜电池，兼具半透明、色彩可调节的特 点，能部署于无法安装晶硅电池之处，适合用于光伏建筑一体。其高水平的转化效率使其在理想化情况下有望实现车载，甚 至用于移动设备的表面或穿戴。 图：钙钛矿晶体结构图：钙钛矿太阳能电池 资料来源：钙钛矿太阳能电池的性能优化及稳定性研究_王硕、Opportunitiesandchallengesfortandemsolarcellsusing metalhalideperovskitesemiconductors_TomasLeijtens、天风证券研究所 5 钙钛矿活性层优良的光电性质：较高的吸光系数、灵活的带隙可调性、较长的载流子扩散长度、激子结合能小等特点。 •吸光系数高：钙钛矿(MAPbI3)属于直接带隙半导体，具有较高的吸收系数，仅需要500nm左右厚度薄膜吸收800nm以下的可见光，即可产生25mA·cm-2以上的电流密度。相比于硅电池，厚度达几十微米，方可产出40mA·cm-2以上的电流密度。 •带隙可调性好：通过影响晶格的大小，能改变卤素原子与金属离子间的键长，通过间接的方式影响材料的能带结构。因此可 以通过调控不同元素的掺杂比例，获得不同带隙的钙钛矿材料，从而实现钙钛矿吸收光谱的连续可调性。硅的带隙为1.1eV， 而钙钛矿带隙连续可调1.2-2.5eV，宽带隙可吸收更高能量的光子。 •载流子扩散长度长：较长的载流子扩散长度有利于太阳能电池的电荷传输，利于电子-空穴的分离与提取，降低复合损失。 •激子结合能小：钙钛矿的激子结合能低于绝大部分光伏材料，所以在光照下，钙钛矿活性层吸收光子后，室温下即能迅速转化为电子空穴对，并被两端电极收集产生光伏效应。 图：不同类型钙钛矿材料的能带结构图图：不同带隙钙钛矿对应转化效率几乎都高于50%S-Q极限 资料来源：NREL、钙钛矿太阳能电池的性能优化及稳定性研究_王硕、天风证券研究所 6 钙钛矿优势：低成本、高效率，切合行业永恒命题 •降本：1）制备成本：PSCs制作过程无需硅料，金属卤化物钙钛矿所需原材料储量丰富，价格低廉，能耗较低。2）设备投资额：钙钛矿1GW投资金额约5亿元，是晶硅的1/2，是第二代GaAs薄膜太阳能电池的1/10。 •增效：光电转化效率飞速提升，理论天花板高。1）晶硅电池率先起跑，已逐渐逼近理论极限。据ISFH，PERC/HJT电池 /TOPCon电池的极限转换效率为24.50%/27.50%/28.70%。经过数十年发展，晶硅电池效率已达到25%+，接近理论极限。2） 钙钛矿后起之秀，提效迅速空间大。根据S-Q理论，常用的钙钛矿材料MAPbI3和FAPbI3的禁带宽度位于1.5-1.6eV，其理论最大光电转化效率均处于30%以上。仅经过十余年，钙钛矿单结光伏电池的光电转换效率就从3.8%迅速提升至25.5%，接近晶硅电池的效率记录，提效速度明显快于晶硅电池。 图：钙钛矿电池转化效率发展历程图：半导体材料禁带宽度与光电转化效率关系图 钙钛矿电池可分为单结电池与叠层电池，目前产业中单结电池占据主流。电池结构包括介孔结构与平面结构，其中平面异质结构又分为正式（n-i-p型）平面结构和反式（p-i-n型）平面结构，结构包括透明导电电极、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层、顶电极。介孔结构的钙钛矿电池成膜光滑、均匀，效率表现好，但制备工艺较复杂，且需要高温烧结；正式平面结构的钙钛矿器件有利于提升其光电转换效率，多用于学术领域；反式平面结构的钙钛矿器件便于制备，被广泛用于产业领域。叠层（多结）太阳能电池由两个或多个吸收光谱互补的子电池串联或并联堆叠。理论上随着叠层电池不同带隙吸收材料的增 加，转换效率会不断提高，但实际上由于不可避免地寄生吸收，叠层的合理层数在二到三层，因此实验室与产业对叠层电池的研究与探索集中于双结。 图：钙钛矿电池分类 图：钙钛矿电池结构示意图 介孔结构 （n-i-p型） 正式平面结构 （n-i-p型） 反式平面结构 （p-i-n型） 资料来源：中国粉体网、钙钛矿太阳能电池在全钙钛矿叠层器件中的应用研究_姚燕青、钙钛矿太阳能电池及其空穴传输研究综述_王茹、Solution-ProcessedAll-PerovskiteMulti-junctionSolarCells_DavidP.McMeekin、天风证券研究所 7 图：三结钙钛矿叠层电池结构示意图 叠层电池原理：宽带隙顶部电池吸收高能量光子，窄带隙底部电池提高光子利用率。 •根据半导体理论，只有能量高于半导体材料的带隙光子才能被其吸收。不被吸收的低能量光子会穿过器件被金属背电极吸收，变成热能释放；被吸收的高能光子产生的热载流子也会转变成热能损失，对器件稳定性不利。 •以双结太阳能电池为例：当太阳光垂直照射在器件上，宽带隙的顶部太阳能电池，吸收较高能量的光子，顶部子电池不仅能 产生较高的电压，同时还能降低高能电子弛豫带来的热化损失。能量较低的光子（能量小于顶部电池的带隙）则不能被顶部宽带隙的子电池吸收，而是透过顶部电池被底部窄带隙的子电池吸收，相对于顶电池，底部的窄带隙子电池通过增加光谱吸收范围，提高光子利用率。 图：叠层器件工作原理图 资料来源：钙钛矿太阳能电池在全钙钛矿叠层器件中的应用研究_姚燕青、天风证券研究所8 资料来源：Opportunitiesandchallengesfortandemsolarcellsusingmetalhalideperovskitesemiconductors_Tomas Leijtens、天风证券研究所 9 钙钛矿凭借优异的光电特性和带隙可调的优点成为叠层电池首选材料之一，光电转化效率突破单结S-Q理论极限，理论转化效率高达40%+。 •钙钛矿/晶硅叠层电池与钙钛矿/CIGS叠层电池：Shockley-Queisser限制理论分析单结的光伏电池转化效率最高为30%。以钙钛矿/晶硅叠层电池为例，将硅电池和钙钛矿电池按照能隙的分布从小到大叠合，硅电池带隙窄，主要进行长波段光的吸收；钙钛矿电池带隙宽，主要进行短波段光的吸收，二者合作提高电池对太阳光的综合吸收率，从而突破S-Q限制理论。 •全钙钛矿叠层电池：钙钛矿自身可调节带隙，因此可制备带隙在1.2-2.5eV范围内连续可调的钙钛矿吸光材料，将宽带隙钙 钛矿作为顶层，窄带隙钙钛矿为底层，从而增加光谱覆盖范围，提高光子利用率。 图：2-T与4-T叠层电池各转化效率对应禁带宽度 2-T4-T 资料来源：CN113410390B一种钙钛矿/PERC两端叠层电池及其制备方法、黑晶光电官网、天风证券研究所 10 钙钛矿/晶硅叠层电池：晶硅升级，基础技术成熟，钙钛矿/HJT或为更优解。钙钛矿/晶硅叠层电池以窄带隙晶硅作为底电池，宽带隙钙钛矿电池作为顶电池。其优势在于晶硅拥有理想带隙（Eg=1.12eV），产业链成熟，量产稳定且效率高。钙钛矿/晶硅叠层电池可视为目前晶硅电池的升级，突破效率极限瓶颈，适用于主流光伏电站场景。 钙钛矿/PERC叠层电池：早期方案，效率与结构受限。在TOPCon与HJT技术尚未成熟时，早期叠层电池底电池使用PERC结构。 •效率：主要受限于PERC正表面未钝化的掺磷发射极，导致电池电流密度与开路电压降低，从而影响转化效率。 •结构：早期n-PERC结构的发射极在受光面，决定了宽带隙钙钛矿只能为n-i-p结构。后期经过权衡光学和电学增益，TOPCon与HJT电池开始采用背结结构，发射极在背光面，基于TOPCon和HJT的平面反式结构（p-i-n）叠层电池逐渐兴起，钙钛矿 /PERC叠层电池日渐式微。 图：钙钛矿/PERC叠层电池结构图：钙钛矿/晶硅叠层电池各结构比较 钙钛矿/TOPCon叠层电池：结构需改造，电流受限。TOPCon与钙钛矿相叠并非最优解： •Topcon正面的氮化硅和氧化铝不能导电，需要先去除氧化铝和氮化硅或加入额外工艺环节； •Topcon电池开压不高、电流高，若采用集成一体结构则丧失电流优势，理论上钙钛矿/TOPCon叠层电池效率低于钙钛矿/HJT 叠层电池。 研究机构 钙钛矿电池结构 晶硅电池类型 转化效率(%) ANU n-i-p n-PERC 22.5 EPFL p-i-n HJT 25.24 EPFL n-i-p n-HJT 22 UNL p-i-n n-HJT 25.4 UNIST p-i-n p-AIBSF 21.02 HZB/Oxford p-i-n n-HJT 25.2 HZB p-i-n HJT
