2022年鈣鈦礦電池發(fā)展情況簡析

2022年鈣鈦礦電池發(fā)展情況簡析一、鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)分類及定位1、鈣鐵礦材料特點鈣鈦礦材料具有眾多優(yōu)異的性質(zhì)，如吸光系數(shù)高、載流子遷移率高、缺陷容忍度較高等。這些性質(zhì)相應(yīng)的使得其電池具有一系列優(yōu)點，如制備簡單、成本低廉、可實現(xiàn)超輕超薄等。此外，通過對其化學(xué)成分進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，從而可以制備不同特點的鈣鈦礦材料面向不同應(yīng)用場景，如半透明太陽能電池、彩色光伏玻璃等。材料的禁帶寬度可以通過改變組成物質(zhì)的種類及比例來調(diào)控，能覆蓋的光譜吸收范圍寬至紅外波段，同時具備載流子擴(kuò)散距離長和遷移率高的優(yōu)點。需要指明的是，鈣鈦礦材料的光電性質(zhì)使其不僅可以用于制備光伏電池，也可以用于發(fā)光二極管(LED)、光探測器、晶體管、催化劑等各類應(yīng)用中。鈣鈦礦材料及電池的主要特點2、鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)地位太陽能光伏電池按照技術(shù)路線可以分為晶硅電池(第一代電池)、薄膜電池(第二代電池)以及第三代電池。其中，晶硅電池包括多晶硅電池和單晶硅電池兩類，是目前主流的太陽能電池，以單晶硅電池為主。薄膜電池是第二代電池，包括硅基類、化合物類(碲化鎘、銅銦鎵硒、III-IV組、鈣鈦礦等)、有機(jī)質(zhì)類等，是太陽能電池發(fā)展的重要方向。第三代電池中目前多為實驗室成果，尚無量產(chǎn)。鈣鈦礦電池是利用鈣鈦礦型材料作為吸光層的新型化合物薄膜太陽能電池，屬于第三代太陽能電池，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，隨著技術(shù)發(fā)展，全鈣鈦礦疊層也存在產(chǎn)業(yè)化可能性，屆時可完全擺脫晶硅電池依賴。鈣鐵礦電池屬于第三代太陽能電池二、鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)發(fā)展優(yōu)勢1、效率優(yōu)勢鈣鈦礦對比目前市場主流光伏電池技術(shù)，鈣鈦礦無疑處于效率的第一梯隊。目前效率高于鈣鈦礦的僅有單晶硅和GaAs兩種技術(shù)，其中GaAs由于成本較高，主要應(yīng)用于空間航天領(lǐng)域，因此未來一段時間單晶硅將是鈣鈦礦的主要挑戰(zhàn)目標(biāo)?？紤]到鈣鈦礦的研究只進(jìn)行了十余年，眾多材料和器件機(jī)理難題仍有待突破，未來效率仍將有較大的提升空間，效率上追平乃至超越晶硅電池可以期待。鈣鈦礦電池與晶硅電池基本性能對比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，鈣鈦礦可和晶硅電池和薄膜電池疊層，其中HJT電池結(jié)構(gòu)天然適合與鈣鈦礦電池進(jìn)行疊層，是產(chǎn)業(yè)普遍選擇。全球鈣鈦礦/晶硅疊層電池效率進(jìn)展鈣鐵礦電池成本四大優(yōu)勢2、成本優(yōu)勢相比于晶硅電池，較低的成本是鈣鈦礦另一大優(yōu)勢。由于晶硅產(chǎn)業(yè)鏈較長，各個環(huán)節(jié)均有較高進(jìn)入壁壘及龍頭企業(yè)，導(dǎo)致價格波動大、擴(kuò)產(chǎn)周期長、周期性明顯等特點。鈣鈦礦光伏產(chǎn)業(yè)鏈則相對更短，并天然的具有“一體化”的特點。通過采購化工原材料，即可在同一間工廠完成最終組件產(chǎn)品的交付，大大縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)交付周期，同時降低了綜合成本。尤其需要指出的是，鈣鈦礦組件中鈣鈦礦原材料成本通常只占5-8%，且價格穩(wěn)定，遠(yuǎn)低于晶硅組件中成本超過三分之一且價格波動劇烈的硅料。同時根據(jù)協(xié)鑫光電公告，隨著鈣鐵礦組件規(guī)模化，產(chǎn)能達(dá)1GW時同時組件效率達(dá)到17%，電池規(guī)格達(dá)到2.4m2，組件成本將降至0.7~0.75元/W。產(chǎn)業(yè)端鈣鈦礦組件成本結(jié)構(gòu)占比另外，鈣鐵礦電池還具備更少材料用量、更低生產(chǎn)能耗、更高組件功率、更長工作時間等優(yōu)點。由于其鈣鐵礦可低溫柔性制備的特點，原材料(如碘化鉛、甲胺、甲脒等)均可溶于有機(jī)溶劑中得到前驅(qū)體溶液，這些過程均可在室溫條件下完成。將這些前驅(qū)體溶液通過旋涂、狹縫刮涂等液相制膜工藝均勻涂抹在基底材料上，輔以最高不超過200°C的退火處理，即可得到鈣鈦礦吸光層薄膜。鈣鈣鈦礦光伏中的其他層材料也可使用同樣的液相制膜工藝或熱蒸鍍工藝制備，整個電池制備流程從原材料到最終成品，具有步驟少、能耗低、可液相制備的特點，賦予了其低廉的綜合制造成本。鈣鈦礦主要材料基本情況3、政策優(yōu)勢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8月18日，科技部、國家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部等9部門印發(fā)《科技支撐碳達(dá)峰碳中和實施方案(2022—2030年)》，實施方案統(tǒng)籌提出支撐2030年前實現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)的科技創(chuàng)新行動和保障舉措，并為2060年前實現(xiàn)碳中和目標(biāo)做好技術(shù)研發(fā)儲備，并提出“研發(fā)高效硅基光伏電池、高效穩(wěn)定鈣鈦礦電池等技術(shù)”。中國關(guān)于鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)的政策支持情況三、鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)鏈1、相關(guān)材料介孔型鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展最早、效率最高、材料和工藝最成熟，也是目前普遍研究的一類鈣鈦礦太陽能電池。介孔結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽電池為：FTO導(dǎo)電玻璃、TiO2致密層、TiO2介孔層(多孔TiO2支架層)、鈣鈦礦層、HTM層、金屬電極。電子傳輸層由致密TiO2和介孔TiO2兩層材料組成，空穴傳輸層的作用是提取和傳輸光生空穴，常用Spiro-OMeTAD。金屬電極的作用是傳輸電荷并連接外電路，一般通過在空穴傳輸層外面蒸鍍一層金而獲得。鈦礦吸光層則是鈣鈦礦太陽能電池中吸收太陽光、產(chǎn)生光電子的活性材料，目前成熟的鈣鈦礦材料是碘化鉛甲胺，透明導(dǎo)電層一般采用氧化銦錫導(dǎo)電玻璃(ITO)或氟摻雜的氧化錫導(dǎo)電玻璃 (FTO)，是其他材料的載體，并負(fù)責(zé)將收集到的光電子傳送至外電路。布局企業(yè)來看，金晶科技在為國內(nèi)外為數(shù)不多掌握TCO導(dǎo)電膜玻璃技術(shù)且能量產(chǎn)的企業(yè)之一，自產(chǎn)品下線以來已與國內(nèi)部分碲化鎘、鈣鈦礦電池企業(yè)建立業(yè)務(wù)關(guān)系，已開始供貨，2022年10月與纖納光電《公司戰(zhàn)略合作協(xié)議》，在鈣鈦礦用TCO系列玻璃領(lǐng)域建立戰(zhàn)略合作關(guān)系。2、相關(guān)設(shè)備鈣鈦礦產(chǎn)線工藝主要包括鍍膜、涂布/印刷、刻蝕和封裝等環(huán)節(jié)。鍍膜環(huán)節(jié)制備各功能層和電極層，是鈣鈦礦電池的關(guān)鍵工藝；涂布/印刷環(huán)節(jié)主要制備鈣鈦礦層；刻蝕環(huán)節(jié)用于切割子電池，激光刻蝕已經(jīng)成為主流方法；封裝環(huán)節(jié)可以減緩鈣鈦礦電池穩(wěn)定性破壞過程。鈣鈦礦產(chǎn)線主要包括PVD、涂布、激光和封裝四種設(shè)備。極電光能150MW鈣鈦礦光伏生產(chǎn)線投資約2億元，而協(xié)鑫光電的10OMW鈣鈦礦光伏生產(chǎn)線投資約為1億元，仍存在較大下降空間。鈣鈦礦產(chǎn)線設(shè)備成本結(jié)構(gòu)占比情況鈣鈦礦電池原料用量少，不稀缺；其關(guān)鍵技術(shù)壁壘將建立在設(shè)備端。國產(chǎn)設(shè)備廠商德滬涂膜、捷佳偉創(chuàng)、晟成光電、邁為股份、眾能光電等積極布局鈣鈦礦電池設(shè)備研發(fā)。其中主要設(shè)備為鈣鈦礦印刷設(shè)備及真空鍍膜設(shè)備，2022年7月捷佳偉創(chuàng)鈣鈦礦太陽能電池生產(chǎn)的關(guān)鍵量產(chǎn)設(shè)備“立式反應(yīng)式等離子體鍍膜設(shè)備”(RPD)通過廠內(nèi)驗收，將發(fā)運給客戶投入生產(chǎn)。RPD設(shè)備制備薄膜，對鈣鈦礦層轟擊較小，預(yù)計該設(shè)備將用于第二電荷傳輸層的制備。鈣鈦礦設(shè)備主要布局企業(yè)鈣鐵礦電池主要企業(yè)擴(kuò)產(chǎn)規(guī)劃四、鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)預(yù)期鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化于2022年啟動，國內(nèi)產(chǎn)能接近35MW。鈣鈦礦電池的理論效率和低成本是學(xué)術(shù)界的共識，隨著產(chǎn)業(yè)技術(shù)和設(shè)備持續(xù)發(fā)展，鈣鈦礦產(chǎn)能快速擴(kuò)張，從2024年開始快速提升，預(yù)計于2026年達(dá)到30GW級別。同時隨著鈣鐵礦整體組件需求持續(xù)增長，相關(guān)產(chǎn)線和設(shè)備需求將持續(xù)擴(kuò)張，預(yù)計2026年我國鈣鐵礦新增產(chǎn)線市場規(guī)?？蛇_(dá)75億元。2022-2026年中國鈣鈦礦組件產(chǎn)能變動預(yù)測2022-2025年鈣鈦礦新增產(chǎn)量市場規(guī)模預(yù)測五、鈣鈦礦電池企業(yè)擴(kuò)產(chǎn)規(guī)劃生產(chǎn)領(lǐng)域重要玩家融資過億，中試線逐步建設(shè)。PSCs生產(chǎn)主要廠商協(xié)鑫光電、纖納光電、極電光能均已完成超億元融資，協(xié)鑫光電已投建全球首條100MW大面積組件中試線，極電光能也已開始建設(shè)150MW試驗線，纖納光電七次刷新小組件世界紀(jì)錄，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展欣欣向榮。國際上著名的鈣鈦礦電池研發(fā)企業(yè)有牛津光伏(OxfordPV)(鈣鈦礦/硅基疊層電池效率29.5%)和松下公司 (Panasonic)(鈣鈦礦電池組件效率17.9%)等。六、鈣鐵礦電池主要問題及趨勢1、主要問題量產(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)備端來看，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。工藝端來看，當(dāng)前鈣鈦