2024新能源行业报告：钙钛矿技术新突破

1.钙钛矿接力成为第三代电池技术

1.1.光伏电池技术发展

20世纪40年代以来，以降本增效为核心目标，光伏电池技术持续迭代更新，目前已经由第一代逐步向第三代太阳能电池发展。

第一代晶硅电池：以多晶硅、单晶硅为代表的晶硅太阳能电池，是目前主流的电池技术路线。目前该技术已经发展成熟且应用最为广泛，但存在单晶硅太阳能电池对原料要求过高以及多晶硅太阳能电池生产工艺过于复杂等问题。从电池结构来看，晶硅电池经历了铝背场技术到钝化发射极和背面电池技术的发展进程。PERC技术减少了背面复合损失，效率显著提高，已广泛应用于各类电站。随着PERC电池量产效率接近理论极限，晶硅太阳能电池向N型TOPCon、N型HJT、BC三条路径发展，TOPCon电池凭借更高的性价比优势最先实现放量，有望在短期内接替PERC电池成为主流技术。尽管第一代晶硅电池仍保持最高转换效率，但受晶体硅本身吸光系数限制及能耗物耗影响，其提升空间已越来越小，随着时间的推移将逐步进入瓶颈期。

第二代化学薄膜电池：以铜铟镓硒（CIGS）、碲化镉（CdTe）、砷化镓（GaAs）为代表的化学薄膜太阳能电池，适合于BIPV等应用场景。薄膜太阳能电池采用直接带隙半导体材料替代晶硅，在理论上具有更高的转换效率和更低的生产成本。当前，碲化镉（CdTe）薄膜电池实验室效率达到22.1%，产线平均效率为15-19%；铜铟镓硒（CIGS）薄膜电池实验室效率达到23.35%，产线平均效率为15-17%；III-V族（GaAs）薄膜电池实验室效率达到29.1%，稳定性好，抗辐射能力强，在特殊应用市场具备发展潜力。与晶硅电池相比，薄膜电池由于量产转换效率低、稳定性较差、制备成本高等缺陷而难以大规模生产，市场份额远不如晶硅电池，但凭借重量轻、可透光、柔性化等优势，可在光伏建筑一体化（BIPV）等应用场景获得了一定的发展空间。

第三代新型薄膜电池：以钙钛矿电池（PSCs）、染料敏化电池（DSSC）为代表的新型薄膜太阳能电池，在效率提升和成本降低等方面均具备较大潜力。钙钛矿电池采用了钙钛矿结构的有机无机混合金属卤化物半导体作为吸收光的光伏材料，厚度在0.1-0.5微米之间。这种材料兼具有机材料的优异光吸收性能和无机材料的高载流子迁移率，被认为是最有希望实现高效率、低成本太阳能电池的材料。钙钛矿电池可分为单节太阳能电池和叠层太阳能电池两种技术路线，其中，与第一代晶硅太阳能电池叠加可构成异质结/钙钛矿叠层电池和TOPCon/钙钛矿叠层电池；与第二代薄膜太阳能电池叠加可构成CIGS/钙钛矿叠层电池和CdTe/钙钛矿叠层电池。

1.2.钙钛矿电池原理

钙钛矿是一类具有与钙钛氧化物相同晶体结构的化合物。其化学结构为ABX3型，A位是有机阳离子，B位是二价金属离子，X位是卤素阴离子。其中A位离子占据了与十二个X离子共用的八面体位置，而较小的B离子则稳定在与六个卤素阴离子共用的八面体位置。B位通常是Pb2+或者Sn2+为代表的二价金属离子。X位则通常是Cl−、Br−和I−卤素阴离子。通过调整Ａ、Ｂ和Ｘ的含量可以获得不同组分的钙钛矿材料，对应的带隙及能级分布也有所区别。

钙钛矿电池利用半导体的光生伏特效应发电。其具体原理是在太阳光的照射下，具有高吸光系数的钙钛矿吸光层会大量吸收能量大于等于禁带宽度的光子，使原本束缚在原子核周围的电子从价带顶被激发跃迁到导带底。与此同时，为保持电中性额外产生了一个带正电荷的空穴，这对被库仑力束缚的电子-空穴对即为激子。由于钙钛矿的激子结合能较低，在内建电场的作用下会迅速解离成自由的电子和空穴，其中自由电子通过电子传输层（ETL）向阴极传输，最后被透明导电氧化物（TCO）电极收集；自由空穴则通过空穴传输层（HTL）向阳极传输，随后被金属电极收集。在外接电路与两端电极连接后，器件会形成一个电流的回路，由此实现光电转化。

2.钙钛矿电池的优势与难题

2.1.钙钛矿电池的优势

2.1.1.理论效率更

高钙钛矿实验室效率提升迅速，十余年间超越晶硅。自上世纪70年代发明晶硅电池以来，实验室最高转换效率记录为隆基绿能于2022年11月创造的HJT电池26.8%。相比之下，钙钛矿电池在2009年首次制得时光电转换效率仅为3.8%，经过十余年的发展，单结钙钛矿电池的实验室光电转换效率已高达25.7%，由韩国蔚山科学技术研究所保持，而钙钛矿—晶硅叠层电池转换效率高达32.5%，由德国柏林亥姆霍兹中心创造，目前钙钛矿电池实验室效率日新月异，潜力远超晶硅。

单结钙钛矿电池理论转化效率可达33%，远高于传统晶硅电池。晶硅电池理论上的光电转化极值为29.4%，目前实验室环境中最高能达到26.7%，正在逐步逼近效率天花板，因此可以预见其未来技术改进的边际收益也会越来越小。相比之下，钙钛矿的光电转化效率理论极值更高，单结电池即可达到33%，如果把两块钙钛矿电池上下叠在一起形成叠层电池，其理论转化效率可进一步提升至45%。

钙钛矿材料带隙根据组分的不同可在较大的范围内连续调节，以实现单结太阳能电池最大理论效率。带隙是决定半导体利用太阳光能力的根本因素之一，因为不同频率太阳光的能量不同，窄带隙半导体的电子不能被长波光所激发，宽带隙半导体虽然可利用的光波范围广，但光子能量的利用率低。与硅、砷化镓等拥有固定带隙的半导体材料不同，钙钛矿晶体成分本身具有多样性，其禁带宽度并不固定，可以随𝐴𝐵𝑋3结构中各元素类型和含量不同而变化，理论范围达1.15-3.06eV，并能实现连续可调。根据肖克利-奎瑟极限，单结太阳能电池的理想带隙应该为1.4eV，而硅的带隙仅为1.12eV，因此钙钛矿电池在转换效率方面超过晶硅电池。

2.1.2.理论成本更低

投资端：钙钛矿组件工艺流程简短，初始投资额低。传统晶硅电池组件要经历硅料、硅片、电池片、组件四个生产环节，整个生产流程需耗时三天以上，而钙钛矿组件的生产可于同一个工厂内的流水线内集中完成，从玻璃、靶材、化工原料进入到组件成型仅需要45分钟，大大缩短制程耗时。此外，从产能投资额来看，晶硅组件四个环节单GW合计需要约10亿元投资，而目前的钙钛矿50MW中试线投资额在1-1.5亿元，120MW产线投资额在2亿元左右，达到量产成熟度之后，单GW产能仅需5亿元投资额，约为晶硅电池投资额的二分之一。

生产端：钙钛矿组件生产能耗低，具有优越的环保性能。钙钛矿组件制造过程中，工艺温度不超过150°C，工艺流程短，整体能耗极低，每瓦组件能耗约为0.12kWh，显著优于晶硅组件超过1.52kWh每瓦的能耗水平。此外，钙钛矿单结电池的能量回收时间仅为硅基电池的23%，温室气体排放因子也仅为硅基电池的43%，突显出钙钛矿组件更为环保的特性。

材料端：钙钛矿电池原材料储量丰富、价格低廉。钙钛矿晶体通常使用的有机盐，如甲胺、甲醚，以及金属铅盐和非金属卤素离子等材料，都十分常见，容易以低成本获取。钙钛矿电池的材料使用量相对较少，总厚度大约在1μm左右，而晶硅电池硅片厚度在120-150μm。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。此外，钙钛矿吸光材料对纯度相对不敏感，通常达到95%即可满足使用需求，相比之下，晶硅电池需要使用高纯度的硅单质作为吸光材料，其纯度要求至少达到99.9999%，从硅料开始，就需要投入大量成本用于提纯工艺。综合来看，进入量产的钙钛矿组件成本预计为0.5-0.6元/瓦，是晶硅组件极限成本的50%，成本优势显著。

2.1.3.应用场景更广

钙钛矿电池可以制成彩色和半透明薄膜，实现不同的彩色效果，因而可应用于BIPV领域。建筑集成光伏（BIPV）是一种创新型的技术应用，将光伏技术与建筑结构融为一体，涵盖了多种形式，如光伏屋顶、光伏幕墙、光伏遮阳板、光伏车棚和光伏站台等。在这些不同场景中，光伏屋顶和光伏幕墙是两个主要的子领域。光伏屋顶是一种能够同时提供建筑保护和清洁能源的绿色建筑类型，具有承重、隔热和防水功能。根据透光性的区分，光伏屋顶可分为光伏平屋顶、光伏斜屋顶以及光伏瓦片，过去主要采用晶硅组件。光伏幕墙将建筑幕墙结构与光伏发电功能相结合，实现了发电、美观、通风采光以及外部围护等多功能一体化。薄膜组件因其弱光效应好、透光率高、外观可定制等特点在光伏幕墙市场占据主导地位。然而，薄膜组件本身不透光，只能通过激光划线的缝隙吸收光线，因此其转换效率仅为15%左右。相比之下，钙钛矿电池组件在转换效率和制备成本上都具有优势，有望成为BIPV应用的首选。

消费类产品中使用钙钛矿光伏技术进行充电是一种创新的应用。钙钛矿太阳能光伏组件，由于其轻便灵活，发光效率高等特点，可制备成手机、电脑、背包等消费类产品的灵活充电配套设施。此外，钙钛矿技术还可应用于汽车充电，车载光伏发电系统（CIPV）是在汽车上安装一套完整的离网光伏发电系统。在用电时，通过太阳能充放电控制器，由后备蓄电池组为交流负载供电。如果有市电可用，还可以通过交流充电机迅速为后备蓄电池组充电。

2.2.钙钛矿电池的产业化难题

2.2.1.大面积备制效率降低

钙钛矿电池在大面积制备中效率损失严重。钙钛矿电池随着制作尺寸的放大，其转换效率会发生明显下降，主要有两个方面原因：一是各层薄膜的非均匀大面积沉积，二是激光划线后电阻损耗增加并产生死区。目前钙钛矿电池实验室效率进展迅速，但大多仍基于小面积薄膜制备，效率超过20%的电池面积基本在100平方厘米以内，超过1000平方厘米后效率很难达到18%以上，远不及商业化普遍应用标准。

大面积制备钙钛矿层主要采用狭缝涂布和蒸镀法，两种工艺仍需完善。狭缝涂布法的主要问题是尚未有效解决钙钛矿的成核结晶问题，由于钙钛矿的晶体结构特性，随着制备面积的增大，如果不能对其进行完全干燥，则会产生结晶导致表面出现缝隙或气泡，从而影响电池的稳定性能。风刀涂头技术可以在涂布的同时实现风干，有望解决钙钛矿干燥时间的核心问题。蒸镀法制备也存在一些产业化难点，一是设备成本较高，生产速率相对较慢，同时需要更频繁的清洗；二是该工艺对于钙钛矿层配方的调整兼容性较低；三是由于结晶大小和反应不彻底等因素，目前蒸镀法的效率记录普遍低于竞争路线。

2.2.2.稳定性较差

稳定性是制约钙钛矿电池产业化的重要因素。根据《太阳能钙钛矿电池技术发展和经济性分析》（潘莹，2022年）中的分析，目前钙钛矿电池生命周期内持续光照时间最长约10000h，若按平均日照时长4h计算，理论寿命仅6.8年，相比晶硅电池25年的理论寿命存在较大差距。钙钛矿稳定性差主要受到环境和内部因素的共同影响。一方面，钙钛矿的吸光层的稳定性受环境因素影响，表现为易水解、高温易分解、温度变化下相变、光照和氧气作用下发生光致分解等。另一方面，吸光层会受电子传输层和电极材料影响。以正向结构为例，Tio2作为电子传输层在光照下产生光生空穴催化分解吸光层；Spiro-OMeTAD作为空穴传输层易受吸光层碘离子扩散影响而电荷传输性能下降；电极材料常用贵金属，但金属原子易扩散造成吸光层分解，且钙钛矿材料具有明显的离子特性，易发生离子迁移，吸光层的碘离子也会对金属电极产生腐蚀。

本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。