鈣鈦礦電池行業(yè)研究：商業(yè)化初見端倪HJT鈣鈦礦疊層愈發(fā)確定

鈣鈦礦電池行業(yè)研究：商業(yè)化初見端倪，HJT鈣鈦礦疊層愈發(fā)確定1、鈣鈦礦電池效率更高成本更低，商業(yè)化趨勢初見端倪1.1、第三代太陽能電池已至，純鈣鈦礦電池和鈣鈦礦疊層電池雙線并行鈣鈦礦電池屬于第三代太陽能電池，包括純鈣鈦礦電池和鈣鈦礦疊層電池兩種類型。太陽能電池經(jīng)歷了三段發(fā)展時期，第一段屬于晶硅電池，晶硅電池先后經(jīng)歷了多晶和單晶之爭、N型和P型之爭，單晶相比多晶效率更高，初始階段成本相應(yīng)也更高，2015年單晶組件市占率不超過20%，2019年已經(jīng)達(dá)到62%，完成對多晶的超越。同時，根據(jù)CPIA數(shù)據(jù)，2021年perc電池市占率達(dá)91%，遠(yuǎn)大于效率更高的N型，未來隨著N型不斷降本，有望成為市場主流；第二代薄膜電池的發(fā)展較為波折，19世紀(jì)80年代和2000年至2010年間，薄膜電池均是當(dāng)時市場主流，但19世紀(jì)90年代和2010年后晶硅電池分別憑借效率優(yōu)勢和成本優(yōu)勢快速搶占市場，2021年全球市場中薄膜電池市占率僅為3.8%。目前主流的薄膜電池包括碲化鎘（CdTe）、銅銦鎵硒

（CIGS）和砷化鎵（GaAs）；第三代新型薄膜電池中既包括鈣鈦礦太陽能電池，也包括量子點太陽能電池和染料敏化太陽能電池，其中鈣鈦礦太陽能電池又可分為純鈣鈦礦電池和鈣鈦礦疊層電池，鈣鈦礦電池可分別和晶硅電池或薄膜電池進(jìn)行疊層，理論上最大的疊層數(shù)量是4層。廣義“鈣鈦礦”是指與CaTiO3結(jié)構(gòu)類似的ABX3型化合物，目前用于太陽能電池發(fā)電層的鈣鈦礦材料一般為有機-無機雜化鈣鈦礦材料。鈣鈦礦材料電池命名取自俄羅斯地質(zhì)學(xué)家Perovski的名字，狹義的鈣鈦礦特指CaTiO3，廣義的鈣鈦礦泛指與CaTiO3結(jié)構(gòu)類似的ABX3型化合物，A代表有機分子（一般為CH3NH3等），B代表金屬離子（一般為鉛或錫），X代表鹵素離子（一般為氟、氯、溴、碘、砹），A、B、X分別對應(yīng)圖2中藍(lán)色、灰色、紫色部分，BX6構(gòu)成八面體。用于太陽能電池發(fā)電層的鈣鈦礦材料一般為有機-無機雜化鈣鈦礦材料，該類型的結(jié)構(gòu)是1987年由Weber首次提出。純鈣鈦礦電池中n-i-p型電池結(jié)構(gòu)較為普遍，鈣鈦礦疊層電池中HJT-鈣鈦礦疊層電池較為合適。純鈣鈦礦電池可分為n-i-p和p-i-n兩種器件結(jié)構(gòu)，其中n-i-p結(jié)構(gòu)是指電子傳輸層-鈣鈦礦層-空穴傳輸層的器件結(jié)構(gòu)，p-i-n結(jié)構(gòu)是指空穴傳輸層-鈣鈦礦層電子傳輸層的器件結(jié)構(gòu)，其中n-i-p器件結(jié)構(gòu)較為常見。鈣鈦礦疊層電池方面，鈣鈦礦可以選擇和晶硅電池疊層，也可以選擇和薄膜電池疊層，其中由于HJT電池結(jié)構(gòu)天然適合與鈣鈦礦電池進(jìn)行疊層，因此HJT-鈣鈦礦疊層電池是較為普遍的產(chǎn)業(yè)選擇，HJT-鈣鈦礦疊層電池的頂電池一般為鈣鈦礦電池，底電池一般為HJT電池，由鈣鈦礦電池負(fù)責(zé)吸收短波長的太陽光(紫外+藍(lán)綠可見光)，HJT電池負(fù)責(zé)吸收長波長的太陽光(紅外光)，可以很好的提高太陽能電池的性能。TCO、HTL、ETL層的可選材料相對較多。在鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)中，玻璃一般采用超白浮法玻璃；空穴傳輸層的作用是只允許空穴通過，不允許電子通過，電子傳輸層則是只允許電子通過，不允許空穴通過，使得空穴和電子分離進(jìn)而產(chǎn)生電動勢，材料上HTL層和ETL層的選擇相對較多，各個材料之間存在一定差異，ETL層可以選用TiO2、SrTiO3、ZnO、SnO2、ZrO2等，HTL層可以選用NiO、CuS、Cu2S、CuO、MoO3、WO3；TCO薄膜需滿足多項條件，一般選用ITO。透明導(dǎo)電層膜TCO的主要作用是鍍在玻璃上使其具有導(dǎo)電性，成為太陽能電池的頂電極，或是在疊層電池中作為晶硅電池和鈣鈦礦電池的過渡層，以減少表面載流子的復(fù)合。TCO薄膜一般需要同時滿足透光性、導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，受光面TCO膜需要是較低的載流子濃度防止紅外吸收，且需與接觸的硅薄膜的功函數(shù)匹配，形成良好的歐姆接觸。TCO一般通過摻雜來獲得一定的導(dǎo)電性，一般可選擇ITO（銦摻雜氧化錫，90%In2O3+10%SnO2）、IWO（銦摻雜氧化鎢）、AZO（鋁摻雜氧化鋅）、IZO（銦摻雜氧化鋅）等材料，上述材料也可以構(gòu)成復(fù)合膜層而提升器件性能，一般使用較多的ITO。ITO具有良好的光電性能，但I(xiàn)TO由于含有稀有金屬銦，價格也相對較貴；純鈣鈦礦電池中膠膜封裝一般選用POE膠膜而不能用EVA膠膜。由于鈣鈦礦材料比較敏感，因此鈣鈦礦電池在封裝的要求相比晶硅電池更高，一般采用POE膠膜而不能采用EVA膠膜，主要原因有兩點，一是EVA膠膜的水汽透過率較高，晶硅可以容忍的水汽透過率鈣鈦礦不能容忍，二是EVA膠膜降解分解會產(chǎn)生醋酸，對鈣鈦礦材料造成腐蝕，降低電池性能。POE膠膜相比EVA膠膜的封裝效果和穩(wěn)定性更好，但POE膠膜目前同樣存在兩點問題，一是POE粒子目前仍嚴(yán)重依賴于進(jìn)口，二是層壓工藝上存在打滑等問題。整體來看，盡管各膜層可供選擇的材料相對較多，但各檔次最優(yōu)材料或最適合量產(chǎn)材料的確定對于產(chǎn)業(yè)化規(guī)模降本來說也同樣重要。鈣鈦礦電池的發(fā)電原理本質(zhì)上依舊是擴(kuò)散，鈣鈦礦材料的吸收系數(shù)、載流子復(fù)合率、載流子遷移率等性能指標(biāo)均較為優(yōu)異。光照下鈣鈦礦材料吸收光子能量，其價帶內(nèi)的束縛電子穿過禁帶到達(dá)導(dǎo)帶，在價帶中留下空穴，產(chǎn)生電子-空穴對，這些載流子或成為激子或成為自由載流子，其中，未復(fù)合的電子從鈣鈦礦層傳輸?shù)诫娮觽鬏攲樱M(jìn)而被導(dǎo)電基底收集，未復(fù)合的空穴從鈣鈦礦層傳輸?shù)娇昭▊鬏攲?，進(jìn)而被金屬電極收集。在接通外電路情況下，電子和空穴在擴(kuò)散作用下分別向特定方向移動進(jìn)而形成電流。鈣鈦礦材料具有較高的吸收系數(shù)，雙極載流子傳輸性質(zhì)，較低的載流子復(fù)合率和較高的載流子遷移率，所以載流子的擴(kuò)散距離和壽命較長。例如，CH3NH3PbI3的載流子擴(kuò)散長度至少為100nm，有的鈣鈦礦材料甚至可以達(dá)到1μm，使得鈣鈦礦電池具有優(yōu)異的電學(xué)性能。鈣鈦礦電池的能量損失主要來自于光損失和電損失，對于鈣鈦礦/晶硅疊層電池還存在電流失配導(dǎo)致的能量損失。光損失：鈣鈦礦疊層電池的光損失包括不能被吸收的太陽光損失、上表面的反射損失、透明電極或中間層寄生吸收損失。晶體硅的禁帶寬度為1.12eV，純鈣鈦礦的禁帶寬度為1.55eV，鈣鈦礦-晶硅鈣鈦礦疊層電池中鈣鈦礦的禁帶寬度為1.73eV，太陽光中能量低于禁帶寬度的長波段光子不足以提供足夠的能量產(chǎn)生光生載流子，疊層電池的反射損失主要發(fā)生在頂電極和底電極的表面，晶硅的折射率約為3.8，空氣的折射率略大于1，鈣鈦礦層的折射率的一般在2.34-2.38，可通過減反處理降低反射損失。圖7中白色部分即是不同波長的反射損失，其他部分是各層的吸收情況。疊層電池的寄生吸收損失主要原因為疊層電池中鈣鈦礦層和硅層吸收光產(chǎn)生光電流，但電子傳輸層、空穴傳輸層、透明電極的光吸收不會產(chǎn)生光電流，從而導(dǎo)致寄生吸收損失，通過削減膜層厚度可以降低吸收損失；電損失：

是由電子傳輸層、空穴傳輸層、透明電極等各層的表面電阻引起，降低膜層厚度一方面可以降低寄生吸收損失，但另一方面也會增加表面電阻，因此優(yōu)化薄膜厚度使得光損失和電損失之間達(dá)到平衡是提高疊層電池性能的重要方式之一；電流失配導(dǎo)致的能量損失：疊層電池的光電流遵循短板效應(yīng)，即取決于子電池中最小的光電流，因此使得頂電池和底電池的電流匹配也是提高疊層電池性能的重要途徑，需要通過不斷的計算和模擬以獲得最理想的匹配結(jié)果。1.2、鈣鈦礦電池具有更高實驗效率和更低生產(chǎn)成本，穩(wěn)定性尚待提升鈣鈦礦電池的優(yōu)勢：鈣鈦礦材料吸光性更好且?guī)犊烧{(diào)，相較于晶硅電池?fù)碛懈呃碚撧D(zhuǎn)換效率和更低生產(chǎn)成本兩點核心優(yōu)勢。鈣鈦礦電池優(yōu)勢1：晶硅電池理論極限效率為29.4%，鈣鈦礦疊層電池實驗室效率已達(dá)到31.3%。單節(jié)晶硅電池理論轉(zhuǎn)換效率上限是29.4%，實驗室效率極限約28%，工程極限效率是27.1%。半導(dǎo)體材料本身決定著光伏電池轉(zhuǎn)換效率的上限，而半導(dǎo)體材料的禁帶寬度決定了其開路電壓和短路電流，一般來說，禁帶寬度越大，開路電壓越大，而短路電流越小。晶體硅的帶隙寬度為1.1eV，對應(yīng)單結(jié)晶硅電池理論效率極限是29.4%，實驗室極限效率約28%，現(xiàn)實條件可實現(xiàn)的工程極限效率是27.1%。2021年P(guān)erc電池量產(chǎn)平均效率23.1%，天合光能

210perc電池量產(chǎn)最高效率24.5%，理論轉(zhuǎn)換效率上限24.5%。根據(jù)CPIA數(shù)據(jù)，2021年perc電池平均轉(zhuǎn)換效率為23.1%，市場占比91.2%，同期2021年異質(zhì)結(jié)電池平均轉(zhuǎn)換效率達(dá)24.2%，N型電池平均轉(zhuǎn)換效率超過24%，市場占比僅為3%；天合光能2022年7月宣布其自主研發(fā)的210mm高效p型PERC電池最高效率達(dá)到24.5%，已經(jīng)達(dá)到perc電池的理論效率極限，也是天合光能第24次刷新和創(chuàng)造世界紀(jì)錄；

截至2022年8月，topcon電池量產(chǎn)平均效率已達(dá)到24.8%，實驗室效率已達(dá)到25.7%，理論轉(zhuǎn)換效率上限是28.7%。目前晶科能源

2022年上半年一期16GW的topcon產(chǎn)能已滿產(chǎn)，量產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率已達(dá)24.8%，同時，截至2022年5月份中來股份1.5GWtopcon2.0電池項目產(chǎn)線已完成爬坡，量產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率為24%-24.5%；

實驗室效率上，2022年4月晶科能源自主研發(fā)的182N型高效單晶硅電池（topcon）轉(zhuǎn)化效率經(jīng)中國計量科學(xué)院第三方測試認(rèn)證，全面積電池轉(zhuǎn)化效率達(dá)到25.7%，而topcon電池的理論轉(zhuǎn)換效率上限是28.7%；截至2022年8月，HJT電池量產(chǎn)平均效率為24.73%，量產(chǎn)最高效率為25.1%，組件效率接近23%，實驗室最高效率為26.5%，理論轉(zhuǎn)換效率上限是27.5%。華晟二期主要生產(chǎn)210微晶異質(zhì)結(jié)半片和高功率組件，通過導(dǎo)入單面微晶工藝、120μm超薄異質(zhì)結(jié)專用硅片、低銀耗超高精度多主柵技術(shù)和銀包銅漿料，以GW級規(guī)模生產(chǎn)帶動電池效率和成本進(jìn)入了新階段。目前華晟210mm尺寸微晶異質(zhì)結(jié)電池片批次平均效率達(dá)到24.73%，生產(chǎn)線冠軍電池片效率達(dá)25.1%，210-132版型冠軍組件功率達(dá)710W，組件全面轉(zhuǎn)換效率22.9%；實驗室效率方面，HJT電池實驗室最高效率是隆基2022年6月研發(fā)的M6全尺寸電池，其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)26.50%，同時邁為和sundrive2022年9月聯(lián)合開發(fā)出的超高效率微晶異質(zhì)結(jié)電池，效率達(dá)到26.41%；HJT電池理論轉(zhuǎn)化效率上限為27.5%。第二代薄膜電池中碲化鎘組件量產(chǎn)平均效率為15.3%，銅銦鎵硒組件量產(chǎn)平均效率為16.5%，碲化鎘組件實驗室效率為21.5%，碲化鎘組件理論轉(zhuǎn)換效率上限為32%-33%。薄膜組件由于使用材料較少和能耗較低，整體生產(chǎn)成本較低，且制造工藝簡單，可大面積連續(xù)生產(chǎn)，同時其弱光效應(yīng)較好，在光伏建筑一體化和可穿戴設(shè)備上具有較好應(yīng)用前景。目前薄膜電池組件主要問題在于量產(chǎn)效率偏低，根據(jù)智研咨詢數(shù)據(jù)，截至2021年銅銦鎵硒組件量產(chǎn)平均效率為16.5%，碲化鎘組件量產(chǎn)平均效率15.3%，實驗室轉(zhuǎn)換效率為21.5%，由美國FirstSolar完成，最高理論轉(zhuǎn)換效率約32%-33%。第二代薄膜電池中砷化鎵電池的實驗室效率明顯更高，2021年7月德國弗勞恩霍夫太陽能系統(tǒng)研究所(FraunhoferISE)在858納米的激光下，使用砷化鎵電池創(chuàng)下了68.9%的轉(zhuǎn)換效率記錄。2022年協(xié)鑫光電的純鈣鈦礦1m*2m組件量產(chǎn)效率目標(biāo)為16%，單節(jié)純鈣鈦礦電池實驗室效率為25.6%，單節(jié)理論效率上限是33%，雙節(jié)和三節(jié)分別為43%和50%；鈣鈦礦-晶硅疊層電池實驗室效率為31.3%。由于可作為發(fā)光層的半導(dǎo)體材料選擇是影響電池效率上限的主要因素，而鈣鈦礦材料由于帶隙可調(diào)，可非常接近于最優(yōu)帶隙，因此理論上鈣鈦礦電池的轉(zhuǎn)換效率可遠(yuǎn)超晶硅電池。協(xié)鑫光電2022年純鈣鈦礦1m*2m組件量產(chǎn)效率目標(biāo)為16%，2023年量產(chǎn)效率目標(biāo)為18%，當(dāng)前單結(jié)鈣鈦礦(PSCs)電池實驗室最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)25.6%，由中科院游經(jīng)碧團(tuán)隊研制。全鈣鈦礦單層電池的理論轉(zhuǎn)化效率極限為33%，全鈣鈦礦雙結(jié)疊層轉(zhuǎn)換效率可達(dá)43%，全鈣鈦礦三結(jié)疊層轉(zhuǎn)換效率可達(dá)50%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于晶硅電池的29.4%。鈣鈦礦-晶硅疊層電池方面，2022年7月洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)和瑞士電子與微技術(shù)中心(CSEM)共同創(chuàng)造了鈣鈦礦-硅疊層光伏電池新的世界紀(jì)錄，達(dá)到31.3%。BrunoEhrler等指出鈣鈦礦/硅疊層電池中鈣鈦礦的最佳帶隙為1.73eV，在光照AM1.5G、溫度25℃時，2-T鈣鈦礦/硅疊層電池的理論轉(zhuǎn)換效率上限為45.1%，4-T鈣鈦礦/硅疊層電池的理論轉(zhuǎn)換效率上限是45.3%。優(yōu)勢2：更少材料用量、更低材料價格、更低生產(chǎn)能耗、更高組件功率、更長工作時間，導(dǎo)致鈣鈦礦電池相比晶硅電池具有明顯成本優(yōu)勢。晶硅電池組件的最低生產(chǎn)成本為1元/W左右，純鈣鈦礦電池在擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模后理論上可以降至0.5元/W甚至更低，且生產(chǎn)速度更快。根據(jù)協(xié)鑫光電披露的信息，鈣鈦礦組件的所有工藝流程都可以在一個工廠里面進(jìn)行，從原材料到組件只要45分鐘。鈣鈦礦電池的成本節(jié)約主要體現(xiàn)在以下幾方面：一是更少材料用量帶來的成本下降：材料用量方面，鈣鈦礦材料用量與晶硅電池中的硅使用量明顯更小。0.3μm厚的鈣鈦礦層便可以完成對太陽光的飽和吸收，根據(jù)協(xié)鑫光電數(shù)據(jù)，按晶硅電池中的硅片厚度180μm，60片組件計算，原本需要消耗1kg的硅料，鈣鈦礦材料只需要2g；根據(jù)OxfordPV公司，35kg鈣鈦礦的發(fā)電量與7t硅（通常用于160μm厚的晶片）的發(fā)電量相同，規(guī)模化生產(chǎn)后鈣鈦礦材料成本相比晶硅預(yù)計將大幅降低；二是更低材料價格帶來的成本下降：鈣鈦礦材料基本為基礎(chǔ)化工元素，不像晶硅電池需要用到稀有金屬銦或貴金屬銀，鈣鈦礦的儲量也十分豐富，不會存在供應(yīng)瓶頸，且鈣鈦礦前驅(qū)液的制備過程中涉及工藝均較為簡單；

三是更低生產(chǎn)能耗帶來的成本下降：鈣鈦礦相比晶硅在生產(chǎn)過程中的能量消耗更少，晶硅在前端硅料和拉棒生產(chǎn)環(huán)節(jié)都需要1400度左右的高溫，電池片生產(chǎn)需要800-900度左右的高溫，鈣鈦礦由于怕高溫，生產(chǎn)中最高溫度一般不超過120度；四是更高組件效率帶來的成本下降：N型電池片效率一般為25%左右，N型晶硅電池組件效率一般在22%左右，中間會有約2%-3%的封裝效率損失，而鈣鈦礦生產(chǎn)出來就是組件，如果鈣鈦礦組件可大規(guī)模量產(chǎn)且效率能夠達(dá)到23%，則相比晶硅電池將具有一定效率優(yōu)勢，如果鈣鈦礦組件效率能夠做到25%左右，則相比晶硅電池將會具有全面優(yōu)勢；五是更長的工作時間，鈣鈦礦組件更長的工作時間主要源于對雜質(zhì)的高容忍度和更好的弱光表現(xiàn)：一是鈣鈦礦材料的基態(tài)是單線態(tài)，激發(fā)態(tài)是三線態(tài)，對雜質(zhì)容忍度較高，材料純度只需90%，自然雜質(zhì)的擴(kuò)散不易導(dǎo)致鈣鈦礦組件的衰減，而晶硅的基態(tài)和激發(fā)態(tài)都是單線態(tài)，需要具備6N級以上純度，晶硅的功率衰減也主要源自于雜質(zhì)向硅片的擴(kuò)散；在弱光條件下表現(xiàn)更好，據(jù)極電光能創(chuàng)始人姚冀眾介紹，纖納光電測試發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦電池在早晚弱光環(huán)境下的發(fā)電時間比PERC電池多1個小時左右，這讓鈣鈦礦電池一年可以多發(fā)電3%至5%。鈣鈦礦電池單GW生產(chǎn)成本僅為晶硅電池的一半，鈣鈦礦組件的成本構(gòu)成中以玻璃、電極材料和封裝材料為主。由于鈣鈦礦電池廠本身就相當(dāng)于組件廠，同時也省去了晶硅電池前端的硅料提純、硅片切割等環(huán)節(jié)，整體生產(chǎn)成本上相較晶硅電池可大幅降低。根據(jù)協(xié)鑫光電數(shù)據(jù)，晶硅電池生產(chǎn)中硅料廠的單GW投資成本約3.45億元，硅片廠的單GW投資成本為4億元，電池片廠和組件廠的單GW投資成本分別為1.5億元和0.65億元，合計為9.6億元/GW，而鈣鈦礦廠的單GW投資成本為5億元，約為同級別晶硅電池生產(chǎn)成本的一半。對于100MW級別的鈣鈦礦電池，組件成本略小于1元/W，對于1GW級別量產(chǎn)的鈣鈦礦組件，成本可降至0.7元/W，對于5-10GW級別量產(chǎn)的鈣鈦礦組件，成本可降至0.5-0.6元/W。以100MW級別的鈣鈦礦組件為例，其成本構(gòu)成主要以玻璃、電極材料和封裝材料為主，玻璃及封裝材料、電極材料、固定資產(chǎn)折舊、能源動力、人工成本、鈣鈦礦材料的成本占比依次分別為34%、31%、16%、13%、3%和3%，當(dāng)產(chǎn)能規(guī)模放大后材料類成本占比會有所上升，整體成本結(jié)構(gòu)將依然以玻璃和電極材料為主。經(jīng)部分公司測試，鈣鈦礦電池組件可穩(wěn)定使用超過25年，實際穩(wěn)定性如何尚待驗證。單晶硅一般采用鋼化玻璃以及防水樹脂進(jìn)行封裝，使用壽命一般可達(dá)15年，最高可達(dá)25年，而鈣鈦礦電池的不穩(wěn)定性可以通過封裝技術(shù)和加工工藝的提升來一定程度的解決。瑞典制造初創(chuàng)公司Evolar宣布其鈣鈦礦電池技術(shù)通過了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的加速可靠性測試，結(jié)果表明可能會在該領(lǐng)域保持穩(wěn)定超過25年。不過鈣鈦礦組件在實際商業(yè)化應(yīng)用的場景中具體使用壽命如何，可能還需更多時間去進(jìn)一步驗證。鈣鈦礦電池組件中的實際鉛含量小于晶硅電池，無需過度擔(dān)心。鈣鈦礦材料ABX3中的B位一般為鉛離子，鉛元素的毒性會造成環(huán)境污染，影響人體健康，不過從產(chǎn)業(yè)實際對比來看，該問題無需過度擔(dān)心。一方面，如果把鈣鈦礦組件和晶硅組件對比來看，晶硅組件在焊帶的選擇上一般是采用含鉛的焊帶，焊接是銅箔涂鉛，一塊晶硅組件的鉛含量約為18-20g，相同功率的鈣鈦礦組件實際鉛含量一般不超過2g。從鉛含量來看鈣鈦礦電池相比晶硅更小，如果能解決封裝問題，則對環(huán)境的影響可以進(jìn)一步減??；另一方面，目前國內(nèi)高校和產(chǎn)業(yè)界也已經(jīng)開始逐步研發(fā)不含鉛的鈣鈦礦材料，較多研究采用Sn2+作為鈣鈦礦太陽能電池中Pb2+的替代離子，還有無機非鉛的類鈣鈦礦衍生材料也開始得到越來越多關(guān)注，如Cs2SnI6鈣鈦礦太陽能電池，以及在地面上添加吸附劑等方式。總體來看目前仍存在較多方式可以大幅提升鈣鈦礦材料本身的環(huán)境友好程度。1.3、產(chǎn)品、設(shè)備、政策三端逐步發(fā)力，鈣鈦礦電池商業(yè)化初見端倪產(chǎn)品端：纖納光電組件α出貨、極電光能正式簽單、協(xié)鑫大尺寸組件下線，鈣鈦礦電池從技術(shù)討論逐步走向商業(yè)化嘗試。2022年5月20日，纖納光電鈣鈦礦組件α全球首發(fā)，該組件采用纖納獨立開發(fā)的溶液打印技術(shù)，具有功率高、穩(wěn)定性好、溫度系數(shù)低、熱斑效應(yīng)小、不易隱裂等特性，可進(jìn)行12年產(chǎn)品材料與工藝質(zhì)保，25年線性功率輸出質(zhì)保；2022年7月28日，纖納光電在浙江衢州舉行了首批α組件的發(fā)貨儀式，此次發(fā)貨數(shù)量為5000片，用于省內(nèi)工商業(yè)分布式鈣鈦礦電站；2022年4月18日，極電光能與大冶市人民政府、智能科技在湖北大冶舉行“大冶新能源項目簽約暨長冶新能源揭牌儀式”，大冶新能源項目裝機規(guī)模達(dá)2.8GW，總投資金額約120億元；協(xié)鑫光電生產(chǎn)的尺寸為1m×2m的全球最大尺寸鈣鈦礦組件已經(jīng)下線，投建的全球首條100MW量產(chǎn)線已在昆山完成廠房和主要硬件建設(shè)，計劃2022年投入量產(chǎn)。2022年以來，可以明顯看到鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)由之前的技術(shù)可行性探討開始逐步走向商業(yè)化的嘗試，首批嘗試商業(yè)化的項目有助于頭部企業(yè)盡早形成可真正商業(yè)化的成熟產(chǎn)品，也將極大程度的促進(jìn)國內(nèi)鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)的后續(xù)發(fā)展進(jìn)程。設(shè)備端：晟成光伏鈣鈦礦電池蒸鍍設(shè)備已量產(chǎn)交付，捷佳偉創(chuàng)中標(biāo)某領(lǐng)先公司的鈣鈦礦電池量產(chǎn)線鍍膜設(shè)備訂單。2021年初，京山輕機子公司晟成光伏投資10億新建智能裝備制造中心，用于新增高端光伏組件設(shè)備生產(chǎn)線以及建立制備異質(zhì)結(jié)和鈣鈦礦疊層電池核心設(shè)備研發(fā)機構(gòu)，2021年5月，晟成光伏與業(yè)內(nèi)鈣鈦礦電池領(lǐng)先企業(yè)開展鈣鈦礦疊層電池技術(shù)開發(fā)戰(zhàn)略合作。經(jīng)過長時間研發(fā)及實驗數(shù)據(jù)驗證，2022年6月，晟成光伏鈣鈦礦電池團(tuán)簇型多腔式蒸鍍設(shè)備已量產(chǎn)，并成功應(yīng)用于多個客戶端。政策端：2022年開始中美兩國均明確表示支持鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)發(fā)展，政策助力下產(chǎn)業(yè)有望加速成熟。2022年4月2日，國家能源局、科學(xué)技術(shù)部聯(lián)合印發(fā)《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》，在太陽能發(fā)電及利用技術(shù)方面，研究新型光伏系統(tǒng)及關(guān)鍵部件技術(shù)、高效鈣鈦礦電池制備與產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)、高效低成本光伏電池技術(shù)、光伏組件回收處理與再利用技術(shù)、太陽能熱發(fā)電與綜合利用技術(shù)5項光伏技術(shù)。2、純鈣鈦礦電池：可顛覆晶硅的潛在路線，產(chǎn)品化商業(yè)化尚需時日2.1、純鈣鈦礦電池制造環(huán)節(jié)包括10步，鍍膜設(shè)備價值量占比較高純鈣鈦礦電池的制造環(huán)節(jié)包括10步：主受光面TCO和ETL沉積、P1激光劃線、鈣鈦礦層涂覆、HTL層沉積、P2激光劃線、背面TCO沉積、P3激光劃線、P4激光清洗、層壓封裝、測試，其中鍍膜設(shè)備價值量占比較高。2.2、量產(chǎn)難點在于設(shè)備端和工藝端尚未成熟，商業(yè)化難點在于實際應(yīng)用場景中的長時間穩(wěn)定性數(shù)據(jù)驗證設(shè)備端：鈣鈦礦層之后的鍍膜均勻性問題是量產(chǎn)的核心難點，RPD和蒸鍍設(shè)備也有待成熟。由于鈣鈦礦材料較為敏感，當(dāng)前制約鈣鈦礦電池量產(chǎn)的核心難點在于鈣鈦礦層制備完之后，怎樣做到在保護(hù)鈣鈦礦層的前提下去實現(xiàn)鈣鈦礦層之上的均勻鍍膜。由于鈣鈦礦材料在水氧、高溫等環(huán)境下都會分解，因此磁控濺射PVD或電鍍均不能使用，只能使用蒸鍍或RPD的方式來進(jìn)行鍍膜，但都會存在鍍膜不均勻的問題，導(dǎo)致不同位置發(fā)電功率存在差異。同時，由于純鈦鈣鈦電池是串聯(lián)結(jié)構(gòu)，電流會取電路中的最小值，即具有短板效應(yīng)，因此鍍膜不均勻會導(dǎo)致各個子電池電流不一致，純鈣鈦礦電池只會取其中的最小電流，導(dǎo)致電池或組件的整體效率降低。此外，RPD還存在材料利用率低，維護(hù)成本高，設(shè)備稼動率不高，專利授權(quán)等方面的問題。工藝端：當(dāng)前鈣鈦礦電池的生產(chǎn)工藝路線尚不統(tǒng)一，材料或設(shè)備上無法統(tǒng)一供應(yīng)鏈而形成規(guī)模效應(yīng)。工藝上，盡管鈣鈦礦組件的制造設(shè)備約70%可以在LCD面板行業(yè)中找到，但當(dāng)前各家從事純鈣鈦礦電池生產(chǎn)或鈣鈦礦疊層電池生產(chǎn)的企業(yè)之間，從材料的配方（鈣鈦礦層，緩沖層材料體系、添加劑和鈍化材料），到設(shè)備的選擇，到工藝流程的控制等環(huán)節(jié)都不盡相同，短時間內(nèi)還無法統(tǒng)一供應(yīng)鏈而形成規(guī)模效應(yīng)，工藝路線的確定對于規(guī)模化降本來說至關(guān)重要。應(yīng)用場景端：純鈣鈦礦電池的蓬勃發(fā)展需要建立在對晶硅電池的性價比超越和穩(wěn)定性驗證上，進(jìn)而在大電站實現(xiàn)規(guī)?；虡I(yè)應(yīng)用，BIPV并不應(yīng)是關(guān)注重點。由于理論上純鈣鈦礦電池的效率相比晶硅電池更優(yōu)，且成本上相比晶硅電池更低，因此，我們認(rèn)為純鈣鈦礦電池在大電站的規(guī)?；虡I(yè)應(yīng)用場景才是真正的理想出路。由于BIPV的市場空間相對大電站較小，定位于BIPV市場的純鈦礦礦路線不一定在規(guī)模化降本上相比晶硅電池有優(yōu)勢，疊加穩(wěn)定性尚待驗證下，盡管柔性鈣鈦礦電池組件天然適合BIPV應(yīng)用，但從產(chǎn)業(yè)實際發(fā)展來看BIPV的市場不一定真正適合鈣鈦礦電池的真正崛起。大電站場景下純鈣鈦礦電池需要解決的問題是長時間的穩(wěn)定驗證，目前晶硅電池穩(wěn)定使用壽命可達(dá)到25年，而鈣鈦礦材料在水氧、高溫等環(huán)境下穩(wěn)定下較差，實際使用壽命依然有待更多數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。據(jù)極電光能聯(lián)合創(chuàng)始人邵君介紹，目前業(yè)內(nèi)普遍對鈣鈦礦電池能否沿用晶硅的IEC測試有疑問，鈣鈦礦行業(yè)亟需建立標(biāo)準(zhǔn)體系?？傊M早找到合適下游應(yīng)用場景，依靠較長時間的穩(wěn)定性驗證數(shù)據(jù)以提高客戶端對新技術(shù)的接受度，對于純鈦礦電池路線也同等重要。3、鈣鈦礦疊層電池：主流企業(yè)布局彰顯信心，HJT-鈣鈦礦疊層發(fā)展路徑愈發(fā)確定3.1、鈣鈦礦與Topcon疊層需做較多改造，理論上與HJT疊層更為合適異質(zhì)結(jié)電池和鈣鈦礦電池做疊層更為理想，可發(fā)揮異質(zhì)結(jié)電池填充因子高和開壓高的優(yōu)勢，topcon電池和鈣鈦礦電池做疊層需改動環(huán)節(jié)相對較多，且會減少topcon電池電流高的優(yōu)勢。一般來說，相比topcon電池，異質(zhì)結(jié)電池與鈣鈦礦電池進(jìn)行疊層更為理想。一是異質(zhì)結(jié)電池結(jié)構(gòu)相比topcon電池本身更適合疊層：因為鈣鈦礦電池與異質(zhì)結(jié)電池進(jìn)行疊層，異質(zhì)結(jié)電池表面本身就是TCO，異質(zhì)結(jié)電池的產(chǎn)線無需做更改，而topcon電池與鈣鈦礦電池進(jìn)行疊層，topcon正面的氮化硅和氧化鋁由于是絕緣體不能導(dǎo)電，需要先把氧化鋁和氮化硅去掉，或加入進(jìn)一步摻雜和鈍化工藝；二是topcon電池與鈣鈦礦電池進(jìn)行疊層的話自身基于電流高的效率優(yōu)勢會被浪費：

從實際量產(chǎn)效率來看，topcon和異質(zhì)結(jié)相差不大，但效率的構(gòu)成參數(shù)不同，異質(zhì)結(jié)電池電壓高，電流低，topcon電池開壓不高，但電流比較高，主要原因為異質(zhì)結(jié)表面TCO的透光性不如topcon表面的氮化硅。如果做疊層電池，異質(zhì)結(jié)受光面TCO依然是TCO，topcon表面也需要變成TCO，那么topcon電池本身電流高的優(yōu)勢就沒有了，理論上鈣鈦礦-topcon疊層電池的效率相比HJT-鈣鈦礦疊層電池更低。不過鈣鈦礦-topcon疊層電池依然值得關(guān)注，2022年6月，澳大利亞國立大學(xué)KlausWeber，北京大學(xué)周歡萍以及晶科能源

PeitingZheng等人使用topcon晶硅電池作為底部電池，以及鈣鈦礦薄膜作為頂部電池，制備了單片鈣鈦礦/topcon疊層器件。該器件的效率為27.6%，相關(guān)工作發(fā)表于《AdvancedEnergyMaterials》。3.