转化效率不断突破,钙钛矿电池产业化进程加速|科股投研

深度
优先关注与晶硅叠层方向进展。

日前,曜能科技宣布公司自主研发的25cm²钙钛矿/晶硅两电极叠层电池稳态效率达到29.57%,成为目前公开的大面积叠层电池最高效率,此外,多家上市公司相继宣布钙钛矿太阳能电池投资计划。

2月3日,宝馨科技发布对外投资进展公告,公司与合作方设立合资公司,将在钙钛矿-异质结叠层电池技术的研发以及产业化方面进行合作,并将相应技术用于公司异质结电池项目。

1月31日,皇氏集团发布公告,控股子公司与黑晶光电签署协议,双方将在TOPCon/钙钛矿叠层电池方面进行合作并提升公司 TOPCon 太阳能电池效率;利元亨表示公司目前钙钛矿设备正在头部客户试样;微导纳米表示公司目前已取得钙钛矿异质结叠层电池订单。

随着钙钛矿领域不断实现突破,产业化进程正在加速,协鑫光电、纤纳光电和极电光能等企业已建成百兆瓦级钙钛矿产线,同时通威、隆基以及天合光能等晶硅电池厂商也纷纷布局钙钛矿电池业务。

钙钛矿板块自12月下旬以来也持续走强,钙钛矿电池指数从12月26日至今涨幅达到31.49%,期间京山轻机杭萧钢构等公司股价涨幅超过50%,大幅领先大盘走势,本文我们来对钙钛矿电池产业进行一下分析。

资料来源:wind,钛媒体产业研究部

转化效率更高,反式平面结构是产业化主流

钙钛矿是指分子式为ABX3的一类化合物,其中A、B分别为离子半径不同的有机或无机阳离子,X为阴离子,钙钛矿太阳能电池一般是指采用钙钛矿晶体结构的有机金属卤化物作为吸光层材料的电池,属于第三代太阳能电池。

与传统的晶硅太阳能电池相比,钙钛矿太阳能电池理论转化效率更高,单结钙钛矿电池理论转化效率达到33%,而晶硅电池行业目前由PERC电池正在转向的HJT和TOPCon电池理论转化效率分别为27.5%和28.7%。

此外,由于钙钛矿电池的带隙可调节,通过调节钙钛矿带隙宽度可实现对不同波长光的吸收,将钙钛矿电池叠在晶硅电池上制备出的钙钛矿/晶硅叠层电池转化效率可达到43%,而全钙钛矿多结叠层电池的理论转化效率可达到45%以上。

相对于晶硅电池对硅片纯度要求在6N以上,钙钛矿材料对杂质要求要低得多,纯度为90%的钙钛矿材料制备出的电池转化效率可达到20%以上,纯度为95%的钙钛矿即可满足生产需求,同时由于钙钛矿原材料如甲氨基卤化铅等易于获得,且组件生产只需单一工厂,较多环节的晶硅太阳能电池生产成本和效率都大幅提高。

除了转化效率更高和成本较低外,钙钛矿电池还具有组件可柔性化、吸光系数高和温度对电池转化效率较小等优点。

钙钛矿电池由钙钛矿层、透明导电电极、电子传输层、空穴传输层和金属电极五层构成,其中钙钛矿层位于中间,按组成不同主要分为正式平面结构、反式平面结构和介孔结构。

正式平面结构是在导电玻璃上先沉积电子传输层,接下来沉积钙钛矿层、空穴传输层和金属电极,介孔结构与正式平面结构相比则是在钙钛矿层与电子传输层接触面多了一层介孔TiO2。

反式平面结构区别在于电子传输层和空穴传输层沉积位置相反,电子传输层位于钙钛矿层上方,由于反式平面结构工艺简单且可在低温下制备,是目前产业化的主流结构。

钙钛矿层是核心,大面积制备和稳定性是难点

钙钛矿电池各膜层主流制备方法主要为磁控溅射和涂布法,其中钙钛矿层作为钙钛矿电池的核心,其制备难度也最大,从制备原理上分为溶液法、气相法和气相辅助溶液法。

其中,溶液法分为一步溶液法和两步溶液法,两步溶液法较一步法形成的薄膜更均匀;气相沉积即通过在真空腔体内先后沉积不同薄膜形成钙钛矿薄膜,而气相辅助溶液法即先通过溶液法形成基底后将其置于特定气氛蒸汽中形成钙钛矿薄膜。

从工艺上来看,可以实现大面积沉积钙钛矿薄膜的主要工艺为涂布和印刷,由于涂布设备投资较低,且狭缝涂布工艺制程可靠性较强,可满足钙钛矿层一致性的要求,是目前钙钛矿层的主流制备工艺。

在反式平面结构钙钛矿电池中,透明导电层、空穴传输层以及金属电池主要制备方法均为PVD(物理气相沉积)法,而电子传输层由于在钙钛矿层上方,为了避免沉积过程对钙钛矿的损伤,主要通过RPD(快速等离子沉积)法来沉积。

目前仍有较多因素制约着钙钛矿电池的发展,其中钙钛矿薄膜的大面积制备和电池稳定性是最重要的两个因素。

随着钙钛矿薄膜面积的增加,平整度和致密性等因素会使得薄膜的一致性受到影响,导致电池的转化效率随着面积增加出现下降,虽然目前的狭缝涂布工艺可满足钙钛矿薄膜物理一致性要求,但在化学一致性上,晶体结晶过程难以控制,因此,钙钛矿薄膜大面积制备的问题成为产业化关注的焦点之一。

另一方面,由于钙钛矿属于离子晶体,与晶硅电池中原子之间通过共价键连接相比,钙钛矿化合物各离子之间通过离子键连接,使得钙钛矿化合物易溶于水,稳定性较差;此外,晶体中离子的移动也会改变薄膜的特性,对电池转化效率造成很大影响。

与晶硅叠层产业化进度快,产业链环节较少

从钙钛矿电池未来发展来看,虽然单结钙钛矿电池转化效率较晶硅电池有较大提高,但仍有一定限制,而将钙钛矿电池进行叠层之后转化效率较单结钙钛矿电池有很大提高,因此,叠层电池将会是钙钛矿电池接下来发展的重要方向之一。

钙钛矿叠层电池主要有钙钛矿/晶硅叠层、钙钛矿/薄膜叠层和钙钛矿/钙钛矿叠层三种,全钙钛矿叠层理论转化效率更高,多结钙钛矿叠层理论转化效率可达到69%,被认为是未来钙钛矿叠层的终极解决方案,除了要考虑各单结钙钛矿稳定性外还要考虑氧化对叠层稳定性影响等问题,仍需较长时间来解决。

就目前来看,由于晶硅电池已经十分成熟,钙钛矿与晶硅叠层电池产业化进展较快,头部光伏厂商也依靠自身在晶硅电池上的优势,纷纷进行钙钛矿晶硅叠层方面的研发。

隆基已公布HJT-钙钛矿叠层电池专利,目前公司拥有20项钙钛矿相关专利;晶科已建立钙钛矿电池研发线,钙钛矿/TOPCon叠层电池实验室转化效率达到27.6%;天合光能钙钛矿/晶硅叠层电池实验室转化效率达到29.2%;通威、晶澳以及东方日升钙钛矿叠层电池也处于研发中。

钙钛矿电池产业链相对较为紧凑,主要包括设备、TCO导电玻璃以及组件等环节。其中,TCO导电玻璃、空穴传输层以及金属电极主要使用PVD设备镀膜,钙钛矿层主要使用狭缝涂膜设备,电子传输层主要使用RPD设备;此外,在激光刻蚀过程中还会用到激光设备。

PVD设备除了在钙钛矿电池生产中需要,在晶硅电池等其他行业同样应用广泛,设备供应商包括四盛科技、众能光电、京山轻机、捷佳伟创以及湖南红太阳光电科技等;狭缝涂膜设备方面上海德沪涂膜市占率达到70%,其余份额为日本东丽;RPD设备方面供应商包括捷佳伟创以及日本住友等;激光设备方面供应商包括迈为股份大族激光德龙激光帝尔激光等。

TCO导电玻璃方面,相关供应商包括金晶科技耀皮玻璃秀强股份亚玛顿等,其中金晶科技是TCO导电玻璃龙头,实现国内首条TCO导电玻璃生产线投产。

钙钛矿电池组件厂商包括协鑫光电、纤纳光电、极电光能、众能光电、杭萧钢构等厂商,其中协鑫光电、纤纳光电和极电光能等头部企业均已宣布产能投产计划。

资料来源:公司公告,钛媒体产业研究部

(本文首发钛媒体App,作者|钛媒体产业研究部。想获得更多科股深度分析,可订阅科股宝VIP栏目。)

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  • 大家别光顾关注ChatGPT了,材料也是王道

    回复 2023.02.11 · via iphone

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