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钙钛矿：吸引力？提效空间较高，应用场景丰富，成长初期
【资料图】
钙钛矿行业处于 0->1 的成长初期：2022 上半年以来，国内频出钙钛矿产业的积极信号，宁德、腾讯等汽车及互联网行业的头部机构入股钙钛矿项目，钙钛矿-晶硅叠层效率也突破了 31%，证实其叠层效率远超晶硅电池的优势。在 TOPCon、HJT、XBC 等电池技术争相扩大产能的产业环境下，多个钙钛矿的大尺寸中试线项目落地，见证其从 2009 年提出概念，到 13 年后厂商跃跃欲试的快速发展阶段，同时 2022/7 纤纳光电出货全球首款钙钛矿商用组件，也标志着钙钛矿组件商业化探路的开端。
特点一：转换效率领先优势获实验室证实，钙钛矿吸光层为提效的核心
钙钛矿型材料特点 1：易于合成，稳定的钙钛矿相决定电池稳定性。钙钛矿型材料为与矿物钙钛氧化物 ABX3 化学结构类似的离子晶体的统称，易于实验室合成，可避免材料的稀缺性涨价。据 X 阴离子划分，ABO3 无机氧化物钙钛矿在可见光下的光电效应较差；而主流的 ABX3 为卤化物钙钛矿，其中 A 为有机阳离子(如甲胺、甲脒等)或无机阳离子(如铯)；B 为二价金属阳离子(如铅或锗)；X 为卤素阴离子。根据八面体笼的旋转形态，分为立方、四方、正交等钙钛矿相，而稳定的钙钛矿相对于电池稳定性至关重要，立方相为理想形态。同时可改变不同的 A 位阳离子，通过离子半径算出的容忍因子α，如 APbI3 钙钛矿的α在 0.8-1 时，形成稳定的钙钛矿相，提升稳定性、转换效率。
钙钛矿型材料的特点 2：光电特性优秀，带隙可调决定吸收更宽的光谱。由于钙钛矿的成分选择具有灵活性，A、B 和 X 位离子可以被多种元素取代，提供了较宽的带隙可调性。根据 Schockely-Queisser 极限曲线，单结太阳能电池光吸收材料的最佳带隙为 1.4 eV。钙钛矿作为直接带隙材料（例如CH3NH3PbI3，带隙 1.5 eV)，在可见光全波段范围内具备全光谱吸收能力，且Nano Energy 提到钙钛矿材料在 300–800 nm 波长范围的可见光谱上，具有约 1× 105cm-1 量级的高吸收系数，比传统单晶硅大一个数量级，因此 100 纳米厚的钙钛矿薄膜，就可以吸收硅薄膜微米厚度才能吸收的光。
钙钛矿组件由多个功能层堆叠而成，吸光层是提效的核心。晶硅电池和钙钛矿组件的本质工作原理都是通过空穴和电子的扩散形成内电场，不同点在于：A. 晶硅电池是直接形成 P-N 结：P-N 结的势垒电容与 P 型/N 型半导体的掺杂浓度和温度有关，且势垒厚度较薄，容易发生雪崩击穿，从而承受的反向电压有限，且感光灵敏度较小；B. 钙钛矿组件是 P-i-N 结：P-i-N 结因为有 i 层-本征半导体（即钙钛矿层）的存在，势垒厚度很大， 能承受很大的反向电压，且能吸收大量的光子并转换为载流子。同时，i 层选用的钙钛矿材料充分吸收不同波长的太阳光，对蓝/绿光的吸收强于晶硅电池，其高结晶度极大减小载流子复合。
钙钛矿单结组件的研发效率已接近 26%，平均每年至少提升 0.5%，极限为 31%。自 2009 年提出技术至今，钙钛矿单结电池的实验室效率从 3.8%提升到 25.8%，13 年间平均每年提升 1.69%，而 2018-2022 年则平均每年提升 0.5%。相比 PERC、TOPCon、IBC 等技术在 90 年代已经实现 20%以上的实验室转 换效率，钙钛矿发展速度极快。据德国 ISHF 实验室数据，PERC 电池理想条件下极限效率为 24.5%，单面 TOPCon 工艺的理论效率在 24.9%-27%之间，双面 TOPCon 工艺达 28.7%，HJT 工艺的理论机械转换效率是 27.5%，晶硅电池理论极限效率为 29.43%，而作为薄膜电池的钙钛矿光伏组件的单结理论效率为 31%，远超晶硅电池，是未来钙钛矿-晶硅叠层电池转换效率达到 50%以上的重要推力。
特点二：一体化工厂降低生产成本，钙钛矿材料具备成本优势
相比晶硅电池，钙钛矿工序大大缩短，单 GW 产能投资额更低。根据协鑫光电的数据，晶硅电池的制备，从硅料到组件至少经过 4 道工序，单位制程需要 3 天以上，同时还需要大量人力、运输成本 等；而钙钛矿组件在单一工厂完成生产，原材料经过加工后直接成组件，没有传统的“电池片”工序，大大缩短制程耗时，单位制程耗时仅需约 45 分钟。从单 GW 产能投资额来看，与晶硅电池相比，硅料+硅片+PERC电池+组件合计需要约 10 亿元投资，而目前的钙钛矿 10MW 中试线投资额为 0.7-0.8 亿元，达到量产成熟度之后，单GW 产能仅需 5 亿元投资额，约晶硅电池单 GW 产能投资额的 1/2。
降本途径分析 2-发电量：钙钛矿组件理论寿命可达 30 年，控制衰减率能做到更低的度电成本：据杨文侃《钙钛矿系列光伏组件的度电成本分析》测算，寿命25年的钙钛矿组件若线性衰减小于 0.6%，度电成本低于晶硅组件。
钙钛矿温度系数绝对值比晶硅低 2 个数量级，不易受温度影响：从温度系数量化来看，晶硅组件约为-0.3，即温度每上升 1 度，功率会下降 0.3%，例如在实际应用场景，出厂效率 20%，当温度升到 75 度，效率大约就只剩16-17%。而钙钛矿的温度系数为-0.001，非常接近于 0，因此它效 率几乎不受温度影响，实际发电效率显著高于晶硅。
由于电路结构不同，钙钛矿组件比晶硅组件受遮挡的负面影响小，发电量平均高 5%：晶硅组件一般由 60 或 72 片独立电池片串联形成，当受到局部遮挡或损坏时，会出现热斑效应。而钙钛矿组件属于薄膜电池，通过工艺在整个面板上实现电路结构，电路之间互相连接，在受到同样遮挡时发电量影响比晶硅小很多，根据杨文侃《钙钛矿系列光伏组件的度电成本分析》测算，遮挡条件下钙钛矿组件比晶硅发电量高 4.05%-6.05%，度电成本降低 0.018-0.034 元/kWh。
特点三：轻薄且适应柔性基底，下游应用场景丰富
钙钛矿组件适应多元化的刚性/柔性基底。尽管晶硅电池可通过柔性材料封装制成柔性组件，但晶硅电池片容易断裂，对封装技术和封装材料性能要求非常高，因此薄膜电池更适合应用到柔性组件上。而由于 CIGS 等薄膜电池的制备温度较高，平板柔性电池通常使用的 PET 或 PEN 基底承受温度一般不超 150℃，叠加柔性组件的卷对卷印刷工艺与钙钛矿制备兼容，因此钙钛矿组件更具备柔性应用空间。鉴于钙钛矿组件更轻薄、设计更友好的特点，厂家可按客需定制模块的形状、颜色和尺寸，并安装在屋顶、车顶、玻璃幕墙等任何空闲区域，叠加模块颜色可调，完美解决光伏在建材应用的美学问题。钙钛矿材料的柔性、轻薄、颜色可调、高电压等特性使其具备广泛应用各场景的潜力。
特点四：钙钛矿多结叠层效率可达晶硅电池的 2 倍，叠层技术取决于界面复合层
钙钛矿-晶硅叠层电池研发效率已突破 31.3%。钙钛矿带隙宽度可调，可制备高效叠层电池，相比于单个 PN 结的钙钛矿太阳能组件，多结的 PSCs 光谱吸收效果更好、效率更高，但成本也更高。钙钛矿可制备 2 结、3 结及以上的叠层电池，钙钛矿 2 结叠层电池理论转换效率达 35%，而 3 结叠层效率可达 45%以上，如果掺杂新型材料，甚至能达 50%，约为目前晶硅材料的 2 倍。
2 结叠层电池有钙钛矿-钙钛矿、钙钛矿-晶硅叠层电池两种。钙钛矿-晶硅叠层电池即将钙钛矿 组件与硅电池按能隙从大到小的顺序从外向里叠合起来，让短波长的光被最外侧的宽带隙钙钛 矿太阳能组件吸收，波长较长的光能够透射进去让窄带隙的硅太阳能电池吸收，可最大限度地 将光能变成电能，目前获得了最广泛的研究，最新效率已突破 31.3%。
全钙钛矿（钙钛矿-钙钛矿）叠层具备潜力，一体式叠层为主流结构。根据结构不同，叠层钙钛矿组件分为一体式结构和分离式结构，依据输出端子数量的不同，又可分为两端子和四端子结构。四端子结构能实现较高的实验室效率，但四端子叠层电池中的光学耦合叠层需要使用光学分光镜，成本过于高昂，而机械堆叠式需要三层透明电极，会降低电池转换效率。相比之下，一体式钙钛矿叠层结构简单，设备和工艺相对成熟，适合产业化。南京大学谭海仁团队实现了 小面积全钙钛矿叠层电池 28%的实验室效率，成立仁烁光能并开启全钙钛矿叠层电池的产业化。
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