日前，曜能科技宣布公司自主研發(fā)的25cm²鈣鈦礦/晶硅兩電極疊層電池穩(wěn)態(tài)效率達(dá)到29.57%，成為目前公開的大面積疊層電池最高效率，此外，多家上市公司相繼宣布鈣鈦礦太陽能電池投資計劃。
2月3日，寶馨科技發(fā)布對外投資進(jìn)展公告，公司與合作方設(shè)立合資公司，將在鈣鈦礦-異質(zhì)結(jié)疊層電池技術(shù)的研發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化方面進(jìn)行合作，并將相應(yīng)技術(shù)用于公司異質(zhì)結(jié)電池項目。
1月31日，皇氏集團(tuán)發(fā)布公告，控股子公司與黑晶光電簽署協(xié)議，雙方將在TOPCon/鈣鈦礦疊層電池方面進(jìn)行合作并提升公司 TOPCon 太陽能電池效率；利元亨表示公司目前鈣鈦礦設(shè)備正在頭部客戶試樣；微導(dǎo)納米表示公司目前已取得鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)疊層電池訂單。
隨著鈣鈦礦領(lǐng)域不斷實現(xiàn)突破，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程正在加速，協(xié)鑫光電、纖納光電和極電光能等企業(yè)已建成百兆瓦級鈣鈦礦產(chǎn)線，同時通威、隆基以及天合光能等晶硅電池廠商也紛紛布局鈣鈦礦電池業(yè)務(wù)。
鈣鈦礦板塊自12月下旬以來也持續(xù)走強(qiáng)，鈣鈦礦電池指數(shù)從12月26日至今漲幅達(dá)到31.49%，期間京山輕機(jī)、杭蕭鋼構(gòu)等公司股價漲幅超過50%，大幅領(lǐng)先大盤走勢，本文我們來對鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)進(jìn)行一下分析。
資料來源：wind，鈦媒體產(chǎn)業(yè)研究部
鈣鈦礦是指分子式為ABX3的一類化合物，其中A、B分別為離子半徑不同的有機(jī)或無機(jī)陽離子，X為陰離子，鈣鈦礦太陽能電池一般是指采用鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的有機(jī)金屬鹵化物作為吸光層材料的電池，屬于第三代太陽能電池。
與傳統(tǒng)的晶硅太陽能電池相比，鈣鈦礦太陽能電池理論轉(zhuǎn)化效率更高，單結(jié)鈣鈦礦電池理論轉(zhuǎn)化效率達(dá)到33%，而晶硅電池行業(yè)目前由PERC電池正在轉(zhuǎn)向的HJT和TOPCon電池理論轉(zhuǎn)化效率分別為27.5%和28.7%。
此外，由于鈣鈦礦電池的帶隙可調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)鈣鈦礦帶隙寬度可實現(xiàn)對不同波長光的吸收，將鈣鈦礦電池疊在晶硅電池上制備出的鈣鈦礦/晶硅疊層電池轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到43%，而全鈣鈦礦多結(jié)疊層電池的理論轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到45%以上。
相對于晶硅電池對硅片純度要求在6N以上，鈣鈦礦材料對雜質(zhì)要求要低得多，純度為90%的鈣鈦礦材料制備出的電池轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到20%以上，純度為95%的鈣鈦礦即可滿足生產(chǎn)需求，同時由于鈣鈦礦原材料如甲氨基鹵化鉛等易于獲得，且組件生產(chǎn)只需單一工廠，較多環(huán)節(jié)的晶硅太陽能電池生產(chǎn)成本和效率都大幅提高。
除了轉(zhuǎn)化效率更高和成本較低外，鈣鈦礦電池還具有組件可柔性化、吸光系數(shù)高和溫度對電池轉(zhuǎn)化效率較小等優(yōu)點。
鈣鈦礦電池由鈣鈦礦層、透明導(dǎo)電電極、電子傳輸層、空穴傳輸層和金屬電極五層構(gòu)成，其中鈣鈦礦層位于中間，按組成不同主要分為正式平面結(jié)構(gòu)、反式平面結(jié)構(gòu)和介孔結(jié)構(gòu)。
正式平面結(jié)構(gòu)是在導(dǎo)電玻璃上先沉積電子傳輸層，接下來沉積鈣鈦礦層、空穴傳輸層和金屬電極，介孔結(jié)構(gòu)與正式平面結(jié)構(gòu)相比則是在鈣鈦礦層與電子傳輸層接觸面多了一層介孔TiO2。
反式平面結(jié)構(gòu)區(qū)別在于電子傳輸層和空穴傳輸層沉積位置相反，電子傳輸層位于鈣鈦礦層上方，由于反式平面結(jié)構(gòu)工藝簡單且可在低溫下制備，是目前產(chǎn)業(yè)化的主流結(jié)構(gòu)。
鈣鈦礦電池各膜層主流制備方法主要為磁控濺射和涂布法，其中鈣鈦礦層作為鈣鈦礦電池的核心，其制備難度也最大，從制備原理上分為溶液法、氣相法和氣相輔助溶液法。
其中，溶液法分為一步溶液法和兩步溶液法，兩步溶液法較一步法形成的薄膜更均勻；氣相沉積即通過在真空腔體內(nèi)先后沉積不同薄膜形成鈣鈦礦薄膜，而氣相輔助溶液法即先通過溶液法形成基底后將其置于特定氣氛蒸汽中形成鈣鈦礦薄膜。
從工藝上來看，可以實現(xiàn)大面積沉積鈣鈦礦薄膜的主要工藝為涂布和印刷，由于涂布設(shè)備投資較低，且狹縫涂布工藝制程可靠性較強(qiáng)，可滿足鈣鈦礦層一致性的要求，是目前鈣鈦礦層的主流制備工藝。
在反式平面結(jié)構(gòu)鈣鈦礦電池中，透明導(dǎo)電層、空穴傳輸層以及金屬電池主要制備方法均為PVD（物理氣相沉積）法，而電子傳輸層由于在鈣鈦礦層上方，為了避免沉積過程對鈣鈦礦的損傷，主要通過RPD（快速等離子沉積）法來沉積。
目前仍有較多因素制約著鈣鈦礦電池的發(fā)展，其中鈣鈦礦薄膜的大面積制備和電池穩(wěn)定性是最重要的兩個因素。
隨著鈣鈦礦薄膜面積的增加，平整度和致密性等因素會使得薄膜的一致性受到影響，導(dǎo)致電池的轉(zhuǎn)化效率隨著面積增加出現(xiàn)下降，雖然目前的狹縫涂布工藝可滿足鈣鈦礦薄膜物理一致性要求，但在化學(xué)一致性上，晶體結(jié)晶過程難以控制，因此，鈣鈦礦薄膜大面積制備的問題成為產(chǎn)業(yè)化關(guān)注的焦點之一。
另一方面，由于鈣鈦礦屬于離子晶體，與晶硅電池中原子之間通過共價鍵連接相比，鈣鈦礦化合物各離子之間通過離子鍵連接，使得鈣鈦礦化合物易溶于水，穩(wěn)定性較差；此外，晶體中離子的移動也會改變薄膜的特性，對電池轉(zhuǎn)化效率造成很大影響。
從鈣鈦礦電池未來發(fā)展來看，雖然單結(jié)鈣鈦礦電池轉(zhuǎn)化效率較晶硅電池有較大提高，但仍有一定限制，而將鈣鈦礦電池進(jìn)行疊層之后轉(zhuǎn)化效率較單結(jié)鈣鈦礦電池有很大提高，因此，疊層電池將會是鈣鈦礦電池接下來發(fā)展的重要方向之一。
鈣鈦礦疊層電池主要有鈣鈦礦/晶硅疊層、鈣鈦礦/薄膜疊層和鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層三種，全鈣鈦礦疊層理論轉(zhuǎn)化效率更高，多結(jié)鈣鈦礦疊層理論轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到69%，被認(rèn)為是未來鈣鈦礦疊層的終極解決方案，除了要考慮各單結(jié)鈣鈦礦穩(wěn)定性外還要考慮氧化對疊層穩(wěn)定性影響等問題，仍需較長時間來解決。
就目前來看，由于晶硅電池已經(jīng)十分成熟，鈣鈦礦與晶硅疊層電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展較快，頭部光伏廠商也依靠自身在晶硅電池上的優(yōu)勢，紛紛進(jìn)行鈣鈦礦晶硅疊層方面的研發(fā)。
隆基已公布HJT-鈣鈦礦疊層電池專利，目前公司擁有20項鈣鈦礦相關(guān)專利；晶科已建立鈣鈦礦電池研發(fā)線，鈣鈦礦/TOPCon疊層電池實驗室轉(zhuǎn)化效率達(dá)到27.6%；天合光能鈣鈦礦/晶硅疊層電池實驗室轉(zhuǎn)化效率達(dá)到29.2%；通威、晶澳以及東方日升鈣鈦礦疊層電池也處于研發(fā)中。
鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)鏈相對較為緊湊，主要包括設(shè)備、TCO導(dǎo)電玻璃以及組件等環(huán)節(jié)。其中，TCO導(dǎo)電玻璃、空穴傳輸層以及金屬電極主要使用PVD設(shè)備鍍膜，鈣鈦礦層主要使用狹縫涂膜設(shè)備，電子傳輸層主要使用RPD設(shè)備；此外，在激光刻蝕過程中還會用到激光設(shè)備。
PVD設(shè)備除了在鈣鈦礦電池生產(chǎn)中需要，在晶硅電池等其他行業(yè)同樣應(yīng)用廣泛，設(shè)備供應(yīng)商包括四盛科技、眾能光電、京山輕機(jī)、捷佳偉創(chuàng)以及湖南紅太陽光電科技等；狹縫涂膜設(shè)備方面上海德滬涂膜市占率達(dá)到70%，其余份額為日本東麗；RPD設(shè)備方面供應(yīng)商包括捷佳偉創(chuàng)以及日本住友等；激光設(shè)備方面供應(yīng)商包括邁為股份、大族激光、德龍激光和帝爾激光等。
TCO導(dǎo)電玻璃方面，相關(guān)供應(yīng)商包括金晶科技、耀皮玻璃、秀強(qiáng)股份和亞瑪頓等，其中金晶科技是TCO導(dǎo)電玻璃龍頭，實現(xiàn)國內(nèi)首條TCO導(dǎo)電玻璃生產(chǎn)線投產(chǎn)。
鈣鈦礦電池組件廠商包括協(xié)鑫光電、纖納光電、極電光能、眾能光電、杭蕭鋼構(gòu)等廠商，其中協(xié)鑫光電、纖納光電和極電光能等頭部企業(yè)均已宣布產(chǎn)能投產(chǎn)計劃。
資料來源：公司公告，鈦媒體產(chǎn)業(yè)研究部
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