光伏行业深度报告:钙钛矿东风渐起或为光伏终极路线

第三代太阳能电池,转换效率大幅提升。第一代光伏电池以单晶硅和多晶硅为主, 根据硅片类型可进一步划分为 P 型和 N 型,P 型代表为单晶 PERC,为当前主流技 术路线。N 型代表则为 TOPCon 和 HJT,极限效率分别为 28.7%和 27.5%,目前光伏 产业链正处于 N 型快速扩张时期;第二代则是以砷化镓为代表的薄膜型电池,但是 制备成本较高;而钙钛矿为代表的第三代薄膜电池,具有 PCE 高和成本低廉的双 重优势。单结钙钛矿极限效率约为 33%,叠层可达到 40%以上。

直接隙材料优势明显,光吸收系数较高。钙钛矿材料性能优异主要来自于其独特的 面心立方体结构,具有优异的光电性质-吸光系数高、带隙可调、激子结合能低和扩 散距离长等优势,其结构式可表示为 AMX3,当前对钙钛矿材料的研究多集中在甲 胺铅卤化物(MAPbX3)、甲脒铅卤化物(FAPbX3)、铯铅卤化物(CsPbX3)和铯锡卤化 物(CsSnX3)等。

介孔层增强载流子收集能力。钙钛矿电池沿用燃料敏化太阳能电池的叫法,把电子 传输层在底下的为正式结构,反之则为反式结构。再根据介孔层- ( Mesoporous Layer) 进一步划分为介孔和平面。介孔层的作用主要是为钙钛矿提供沉积支架和传输电荷, 通过降低传输距离增强载流子收集能力并阻止漏电。但是介孔层会限制晶粒生长, 反而降低开路电压(Voc)和短路电流密度(Jsc)。 PSCs 发展速度远超晶硅,大尺寸组件开始突破。钙钛矿 2009 年首次应用时效率仅 为 3.8%,2016 年电池效率就突破 20%。2023 年 3 月,极电光能官方公众号发布其 809.8cm2 大尺寸钙钛矿光伏组件经国际权威机构 JET 检测认证,其转换效率达到 19.9%。目前公司在 16.7cm2 钙钛矿组件转换效率也已经突破 22.9%。

实验室效率日新月异,叠层进展迅速。根据美国 NREL 统计,自上世纪 70 年代发 明晶硅电池以来,当前晶硅路线 HJT 最高效率为 26.81%(隆基,2022/11)。而钙钛 矿自 14.1%(EPFL,2013/06)仅仅用 9 年就达到了 25.7%(UNIST,2022/01);钙 钛矿/硅叠层更是达到了 32.5%。在极限效率上,单结钙钛矿的效率极限为 33%,而 晶硅电池的理论转换效率极限为 29.4%,叠层钙钛矿更可以达到 40%以上。

降本增效持续推进。根据极电光能测算,百 MW 钙钛矿成本已经低于晶硅组件。百 MW 阶段的成本有望控制在 1-1.5 元/瓦之间;GW 级别生产时,成本可降到 0.8 元/ 瓦;10GW 级别降到约 0.6 元/瓦。若钙钛矿组件效率在达到 17%同时保持成本在 1.3 元/瓦以内,并且寿命稳定 25 年则将拥有较强的市场竞争力。 产业链投资进一步集中,约为晶硅线%。光伏晶硅产业链涉及硅料厂-硅片 厂-电池厂-组件厂合计四个环节,合计投资额约 9.6 亿元,中间考虑运输环节需要耗 时 3 日以上。而钙钛矿从原材料到组件出厂仅需要一个工厂,耗时 45 分钟左右。预 计未来在 GW 级别投产情况下,钙钛矿电池投资额可降至晶硅线路的一半 ,GaAs 的十分之一。

压缩极限成本,材料成本占比约 56%。长期来看,钙钛矿组件成本可降低至 0.5-0.6 元/瓦。同时钙钛矿电池原材料均属于基础化工材料,可通过人工合成,不含有稀有 元素,对比晶硅路线的硅料更加廉价易得。从外,钙钛矿材料对杂质敏感度低,对 原材料的纯度要求低于晶硅。在工艺上,钙钛矿生产温度不超 150 度,相比于晶硅 1000 度左右的高温可以做到降低能耗的作用。目前 FTO 导电玻璃约占材料成本的 65%,但透明导电玻璃属于成熟产品,随着下游需求的扩张,产能可迅速扩张。

发电量占优,光伏电站建设成本降低。根据研究表明,得益于超高的吸光系数和禁 带宽度,转换效率在17.9%的钙钛矿组件发电量约等于转换效率20.4%的晶硅组件。 建设成本方面,假定钙钛矿组件转换效率为 15%,晶硅组件转换效率 20.5%。钙钛 矿组件的建设成本约为 3.12 元/瓦,对比单晶硅组件的 3.33 元/瓦,其中组件上约有 0.7 元/瓦的优势,但在支架成本和土建成本上稍高于晶硅。综合考虑,钙钛矿较晶 硅在电站建设上约有 0.21 元/瓦的优势。

BIPV 打开下游应用空间。BIPV,即光伏建筑一体化是指将太阳能发电产品集成到 建筑上的技术。基于钙钛矿电池材料的轻薄性、透光性、吸光能力,钙钛矿产品可 以较好的适配各类使用场景,尤其对于有采光要求的办公楼等墙体。

干法均匀性高,设备为主要瓶颈。常见的干法工艺为气相沉积法,在真空的环境下 通过蒸镀的方式制备钙钛矿薄膜。相比于湿法工艺,气相沉积法可以通过控制蒸发 源精确调控钙钛矿中各组分的化学计量比,从而保证薄膜的均匀性。但是干法工艺 对真空环境要求极高,需要较长的抽真空时间,这也使得干法工艺成本上升,单台 产能下降(制备时间长)。

湿法核心在于形核结晶,狭缝涂布或成主流。早期实验室制备钙钛矿多使用一步或 两步溶液旋涂工艺。一步法操作简单先制备溶液并将混合前驱体旋涂于衬底上,退 火结晶(温度 100-150℃),形成纯相、无针孔、致密的钙钛矿结构层。两步法与之 类似,分开旋涂后再在热台上退火。随着大面积制备需求显现,湿法工艺逐渐发展 出了刮刀涂布、狭缝涂布、丝网印刷、喷涂法、喷墨打印法。通常湿法步骤包括溶 剂挥发→溶液过饱和+成键→溶质析出/形成晶核(同质随机形核)→晶粒生长→形 成固态多晶薄膜。钙钛矿的形核和工艺窗口窄,并且随着面积的放大控制难度上升。 旋涂法薄膜组分均匀同时晶粒大小调控简单但是不适合大规模量产,而狭缝涂布法 溶液利用率高,适合大面积生产,但在均匀性控制上仍需改进。

稳定性验证顺利,材料技术优化稳步推进。目前部分企业钙钛矿组件已经通过多项 IEC61215 晶硅光伏组件标准。普林斯顿大学通过 2D-PVSK 界面钝化以及双重封装 技术在 1sun/35-110℃标准下 T80>30 年;莱斯大学利用 3D/PP-2D bilayer,在 1sun/60℃ /75%RH 的老化条件下实现 T99>2000h。

长期稳定性优化路径清晰,头部企业进展可期。纤纳光电 2019 年底通过全球首次 IEC 标准稳定性测试;2020 年 7 月在湿热实验测试中,将组件老化时间由 1000 小 时提升至 3000 小时。纤纳α组件通过 IEC61215 和 IEC61730 稳定性全体系认证。 长期角度来看,钙钛矿通过优化材料体系/无机电荷传输层/金属氧化物电荷传输层 阻挡/采用复合电极以及优化组件封装技术进一步加强钙钛矿组件稳定性。

叠层技术百花齐放,全钙钛矿叠层成本占优。按照电极的连接方式可分为两端/三端 /四端叠层,两端结构为子电池串联,机械堆叠的四端叠层子电池独立运行,不比考 虑二者兼容性,但是寄生吸收。

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