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钙钛矿电池,光伏产业的颠覆者!

光伏钙钛矿电池是一种新型的光伏电池,它不再像原先那样采用硅为主要原材料,而是采用了化学式为 CaTiO3 的钙钛矿物质,或者与之类似晶体结构的材料。

这种电池效率很高,而且生产成本低廉,是目前光伏晶硅电池的良好替代品,它的发展有可能颠覆整个光伏行业。

01钙钛矿电池基本原理

常见单结钙钛矿电池由透明电极、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层与金属电极构成,跟光伏的 HJT 异质结电池有点像。

透明电极就是晶硅电池的透明导电薄膜(TCO),一般选用 ITO 或者 FTO 氧化物导电玻璃,在可见光波段透光率高达 80-90%,保证透过率的同时还拥有出色的电荷横纵向传输能力,有利于电荷收集。

电子传输层就是原先的金属氧化层,通常包括 TiO2、SnO2、ZnO 以及一些掺杂的氧化物,也有的采用有机材料富勒烯及其衍生物。

空穴传输层一般选择有机小分子、有机聚合物以及无机材料作为常用材料。钙钛矿吸光层是电池的核心层,一般采用与钙钛矿类似的 ABX3 八面体结构。

最后是金属电极,采用导电性良好的金属或具有金属性质的导电物,如金、银、铜、碳等, 通过热蒸发沉积的方式制成。

钙钛矿电池的发电原理与光伏晶硅电池类似,钙钛矿吸光层吸收光线后,形成电子空穴对,在吸光层内部迅速分开,电子通过电子传输层输送到阳极,空穴通过空穴传输层输送到阴极。

随着电子和空穴不断在阳极和阴极的堆积,产生了电动势。此时装置如果与外部电路相连,就有了光电流输出。

02钙钛矿电池性能优势

相比晶硅电池,钙钛矿电池潜力巨大,虽然对钙钛矿电池的研究起步相比晶硅电池晚很多,但进展神速,转换效率的进步速度远快于晶硅电池。

仅用十余年时间就将转换效率从 3.8%提升至 25.8%,获得了主流晶硅电池近 40 年才取得的成绩。

这主要得益于钙钛矿材料本身优秀的光电性质,相比晶硅材料,钙钛矿具有更高的光吸收系数。另外,钙钛矿电池有利于自由电子和空穴的输运,可被阴阳电极完全收集,进而实现高效的光电转化效率。

降本增效一直是光伏行业发展的主要方向,目前晶硅电池越来越接近 29.4%的理论极限,继续发展的潜力有限。而钙钛矿电池天花板更高,拥有 31%理论转换效率上限。

而且钙钛矿能与其他电池组成更高效率的叠层电池,可进行双节、三节叠层,分别能达到 35%和 45%的转换效率。

钙钛矿还有一个优点,就是它的产业链较短,不同于晶硅电池组件的硅料、硅片、电池、组件的长产业链流程,钙钛矿只有原材料和组件两个环节。

而且从最基础的原材料开始到最终组件出厂的全生产过程均在组件厂完成,体现出高度的一体化生产,这使得生产效率大幅度提升。

有消息称,协鑫光电等头部企业的钙钛矿产品从玻璃、胶膜、靶材、化工原料进场到组件成型的全过程时间,可以控制在 45 分钟之内,而传统晶硅电池从硅料到组件得整个过程约需要 3 天以上。

钙钛矿产线的投资成本也要比晶硅电池便宜一半,根据协鑫光电测算,晶硅组件全产业链的投资成本约为 9.6 亿元/GW,而钙钛矿组件的产能投资约为 5 亿元/GW。

之所以便宜这么多,主要由于两个方面,一是钙钛矿材料成本低廉,构成元素均为常见元素,成本比硅便宜。

而且材料对杂质不敏感,通常只需要 95%的纯度即可满足使用需求,而硅料纯度需要达到 99.9999%或 99.99999%。

另一方面就是产业链较短,所需设备更少,投资成本低。而且硅料、硅片的制备需要高温环境,能耗更高。每 1 瓦晶硅组件制造的能耗约为 1.52 kWh,而钙钛矿组件的能耗为 0.12 kWh,单瓦能耗约为晶硅组件的 1/10。

钙钛矿电池的下游应用场景较为丰富,除了大型地面电站和工商业屋顶光伏等传统光伏发电领域,由于钙钛矿可以做到自然半透,同时颜色可调,所以可作为发电幕墙,在光伏建筑一体化(BIPV)领域具有发展潜力。

另一方面,钙钛矿还可作成柔性材料,可以制成可穿戴的移动电源,以及类似太阳能汽车这种对于面积和重量敏感的应用场景,钙钛矿与晶硅叠层电池将是理想的选择。

03钙钛矿电池产业化情况

这样看来,钙钛矿电池的产业化应该处于飞速发展,然而在大规模产业化过程中,还有许多问题需要解决。

首先是稳定性问题,钙钛矿材料并不稳定,湿、热、光均会引起钙钛矿材料降解,虽然目前

已经能够采取部分措施提升稳定性,但都会以牺牲电池效率为代价,所以仍需进一步发展。

第二是大面积制备转换效率降低的问题,虽然目前钙钛矿电池的实验室效率很高,但都是在 1 平方厘米以下的小面积下实现的,一旦大面积制备就很难控制钙钛矿薄膜的均匀性,导致光电转换效率和稳定性都会出现明显下降。

其中的难点在于晶体的结晶质量不容易掌控,很难让溶液层挥发成均匀结晶层,目前行业内大多采用添加剂来解决相关问题。

第三是材料含铅,铅元素目前是钙钛矿电池不可或缺的一部分,由于铅对环境不友好,必然会限制钙钛矿实际应用。

目前有部分研究采用锡替代铅,但二价锡容易被氧化成四价锡,导致电池性能下降,要完全实现无铅化依然是钙钛矿电池领域一大难题。

四是实验室高效电荷传输层、金属电极原材料昂贵。为了追求效率,实验室大多采用金、银等贵金属作为电极,电荷传输层用的也是一些比较昂贵的材料,很难用于大规模的工业化生产。

所以还需开发成本低,适合大规模制备且能保障电池效率的功能层材料。

不过相信随着政策和资本的大力支持下,钙钛矿电池的一个个困难都会被克服,产业会迎来大规模发展,目前有几家公司已经在量产阶段,如协鑫光电、极电光能、纤纳光电、仁烁光能等。

在综合各项成本的情况下,目前同等售价和寿命,钙钛矿电池的 LCOE 已经逼近主流晶硅组件区间。

目前产业化效率与钙钛矿单结电池理论极限效率相比仍有较大提升空间,随着研发投入持续增加,工艺进一步优化,产业化效率和叠层电池效率都会进一步提升。

04钙钛矿投资机会

由于钙钛矿刚起步,目前主要发展机会还是在设备板块,大家都在新建产线,往往制造商还没盈利的时候,设备厂商就已经盈利了。

其实光伏设备是一个不错的赛道,因为技术不断进步,设备生产线往往没等到使用寿命就因为技术落后面临淘汰,厂商只得不断花钱去买新款设备,因为你不买同行也会买,然后人家的成本和产品竞争力就会强于自己。

接下来几年,钙钛矿电池的产能肯定会飞速增长,2030 年产能预计达 177GW,2023-2030 年产能复合增速 88%,对应设备需求空间约 885 亿元。

钙钛矿电池产品结构原理和硅基电池差异较大,需全新的工艺流程和产线设备,目前产线

所需的设备主要分为镀膜设备、涂布设备、激光设备与封装设备。

钙钛矿电池的结构是由多个功能薄膜叠加而成,在制备上也是在基底一层层累置薄膜。

整个过程中,空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层这三层薄膜的制备最为关键,涂布机、镀膜设备(PVD、RPD)和激光设备为核心设备,用以制备大面积、高性能、均匀稳定、高质量的薄膜。

钙钛矿设备端发展较快,各工艺环节均有国内本土公司布局,且领先企业已经拥有整线设备的生产能力。

目前捷佳伟创与众能光电具备整线设备的生产能力,捷佳伟创设备种类涵盖 RPD、PVD、PAR、CVD、蒸发镀膜及精密狭缝涂布、晶硅叠层印刷等。

众能光电已与国内大型央国企、民营企业和知名高校科研机构累计完成近 200 个单体工艺设备交付,产品包括涂布机、刮涂机、激光刻蚀机、PVD 和 ALD 等。

这里为大家总结一下各类钙钛矿设备主要公司有哪些:

镀膜设备:捷佳伟创、晟成光伏(京山轻机子公司)、科晶智达、弗斯迈、众能光电、宏大真空、合肥欣奕华、湖南红太阳光电科技、微导纳米、四盛科技、奥来德。

涂布设备:众能光电、上海德沪涂膜、大正微纳、科恒股份。

激光设备:迈为股份、杰普特、帝尔激光、大族激光、德龙激光、利元亨、华工科技。


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2023年11月28日 13:26
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