一周解一惑系列：钙钛矿电池转换效率突破18%，产业化拐点将现

本周关注：宏华数控、郑煤机、奥来德 钙钛矿效率持续突破18%。协鑫光电2023年11月23日推出的1000毫米x2000毫米钙钛矿单结组件光电转化效率达到18.04%，标志着协鑫光电成功跨过18%的转换效率门槛；11月30日，协鑫光电发布全球第一块真正意义上的钙钛矿叠层组件（279mm×370mm），效率26.17%。未来将持续在面积和效率上双管齐下，力争突破26%@1000mm×2000mm这一商业化起点。12月14日推出叠层钙钛矿组件效率达 26.34% @2048cm ²（36.9cmx55.5cm）。同时伴随着朱雀二号遥三火箭发射成功，进入太空测试。12月27日，协鑫光电在昆山举行全球首个吉瓦级大规格（2.4米×1.2米）钙钛矿生产基地奠基仪式，标志着协鑫钙钛矿正式进入吉瓦级商业运营阶段。极电光能于2023年11月27日发布的 1.2x0.6m ²商用尺寸钙钛矿组件全面积效率达到18.2%，对应的最大功率131.07瓦，孔径面积（AP面积-Aperture Area）效率高达19.55%。 寻找效率、大面积、稳定性之间的平衡点是钙钛矿产业化发展的关键。晶硅电池的理论极限转换效率为29.4%，经过60余年的发展，其转换效率才从5%左右发展至26.81%。而钙钛矿这个新技术，仅用十余年时间就完成了效率突破。 那么钙钛矿未来能取代晶硅，成为颠覆性的技术吗？其实关键在于如何在效率、面积、稳定性三者之间寻找一个平衡点。行业普遍认为钙钛矿的寿命、效率、面积是不可实现的三角，但实际上针对这三方面的性能提升问题，底层需要解决的问题方向不是完全互斥的，甚至可能是共通的。解决了一些效率问题，可能也会对寿命有帮助。比如近期协鑫在提升钙钛矿电池转换效率的同时，在材料稳定性及大面积制备方面也有持续取得成果和进展。而且从底层逻辑来讲，效率从来就不是光伏追求的唯一指标。从电站投资收益的角度来看，影响电站收益的直接因素是光伏组件的单瓦发电量和单瓦成本，无论是效率、面积还是寿命都要通过单瓦发电量和单瓦成本来体现。所以，无论是单结还是叠层，单纯提升效率是不够的，关键是要通过同时推动“增效”和“降本”来实现光伏组件的单瓦成本的降低。 2023年是钙钛矿产业化的关键一年，也是行业尝试从百兆瓦级别向GW线正式发起的第一波冲击。2023年4月，极电光能全球首个GW工厂在无锡开工建设；同年12月，协鑫光电在昆山高新区举行全球首个吉瓦级大规格（2.4米×1.2米）钙钛矿生产基地奠基仪式，标志着协鑫钙钛矿正式进入吉瓦级商业运营阶段。实际上，在冲击GW级产线大面积量产的过程中，最大的技术上的风险是在小试到中试这个环节。因为小试到中试的面积跨度要大于中试到量产的面积跨度，有了中试阶段的经验积累，GW产线面积的放大难度反而会小了很多。因此我们认为2-3年内钙钛矿GW级产线落地的可能性较大。协鑫光电总经理田清勇表示，协鑫光电未来大规模推向市场的产品会是2.88平米（ 1.2*2.4m ）的叠层组件，该叠层组件预计在2025年在公司的新产线实现生产。也就是说，协鑫光电预期钙钛矿叠层组件会在2-3年内批量走向市场，并且随着叠层组件的效率持续提高，组件量产成本将会快速下降，叠层组件的渗透速度也会加快。 投资建议：建议关注各环节设备布局最全面的：京山轻机、捷佳伟创。同时关注奥来德、曼恩斯特、汇成真空（未上市）等。 风险提示：1）钙钛矿企业融资不如预期；2）大面积制备时转换效率提升不及预期。 1钙钛矿技术不断取得突破，产业拐点将至 1.1钙钛矿叠层电池逐渐成为主流方向 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1：钙钛矿正八面体晶体结构图 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2：nip结构（正式结构） 图3：pin结构（反式结构） 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4：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5：两端叠层电池结构 图6：四端叠层结构 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。 Topcon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7：4t钙钛矿/Topcon叠层 图8：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。 1.2效率突破18%，钙钛矿完成技术爬坡阶段 作为下一代光伏技术，钙钛矿产业今年在技术上完成了爬坡阶段，在此背景下，诸多企业逐渐布局钙钛矿。极电光能、协鑫光电、纤纳光电三家作为钙钛矿领域资深“玩家”，今年都陆续取得了巨大进步除此之外，还有一批来势汹汹的追赶者，传统晶硅电池企业有隆基、晶科、通威、天合光能等，新锐企业有华晟、一道新能等，此外跨界“玩家”比如比亚迪、京东方等均已开始布局钙钛矿企业。 尽管布局钙钛矿的企业变多，但隆基、天合光能等传统晶硅企业还是依托在晶硅电池的技术积累，多数选择以晶硅/钙钛矿叠层为研发方向，且大多数企业目前技术进展迅速，但多处于研发或实验室阶段。 协鑫光电2023年底在钙钛矿领域连续取得突破 协鑫光电11月23日推出的1000毫米x2000毫米钙钛矿单结组件光电转化效率达到18.04%，由中国计量科学研究院进行权威认证并出具正式测试报告。这一成绩标志着协鑫光电成功跨过18%的转换效率门槛，下一步将致力于新一代钙钛矿叠层组件研发。11月30日，协鑫光电发布全球第一块真正意义上的钙钛矿叠层组件（279mm×370mm），效率26.17%。未来将持续在面积和效率上双管齐下，力争突破26%@1000mm×2000mm，这一商业化起点。12月14日推出叠层钙钛矿组件效率达 26.34% @2048cm ²（36.9cmx55.5cm）。同时伴随着朱雀二号遥三火箭发射成功，进入太空测试。 12月27日，协鑫光电在江苏省苏州市昆山高新区举行全球首个吉瓦级大规格（2.4米×1.2米）钙钛矿生产基地奠基仪式，标志着协鑫钙钛矿正式进入吉瓦级商业运营阶段。 金石能源首款钙钛矿/混合型BC四端叠层面世，转换效率达33.94% 金石能源钙钛矿/混合型BC四端叠层技术首次将金石能源的混合型BC电池与半透明钙钛矿电池相结合，充分发挥了混合型BC电池高电流、高效率优势以及钙钛矿电池的光谱响应范围可调、高效率等优势。能创造出如此高效率水平得益于高效率的混合型BC电池以及高质量的宽带隙钙钛矿薄膜，其中，混合型BC电池来自于金石能源中试线上产品。 混合型BC电池效率比异质结（HJT）电池效率高1.5%以上，其与半透明钙钛矿电池的结合更进一步提升了叠层电池的转换效率。该钙钛矿/混合型BC四端叠层电池具有以下优势： 1）转换效率高：钙钛矿/混合型BC四端叠层电池利用钙钛矿电池和混合型BC电池的优势，并且避免了电流匹配对性能的限制，实现对太阳光利用率和转换效率的最大化，从而获得更高的电池转换效率