鈣鈦礦是以俄羅斯礦物學(xué)家Perovski的名字命名的，最初單指鈦酸鈣（CaTiO3）這種礦物，后來(lái)把結(jié)構(gòu)為ABX3以及與之類(lèi)似的晶體統(tǒng)稱(chēng)為鈣鈦礦物質(zhì)。在此之后，鈣鈦礦優(yōu)異的性質(zhì)被充分研究挖掘，成為了具有明顯優(yōu)勢(shì)的第三代光伏技術(shù)。經(jīng)過(guò)不斷研究，鈣鈦礦電池效率也在快速攀升，并涌現(xiàn)出了多種技術(shù)路線(xiàn)，使其具備了未來(lái)挑戰(zhàn)晶硅光伏電池主導(dǎo)地位的實(shí)力。
下面我們將從鈣鈦礦材料的概念入手，了解其作用、優(yōu)勢(shì)及工作原理，并針對(duì)鈣鈦礦電池行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行分析，詳細(xì)梳理鈣鈦礦電池的原料、技術(shù)路線(xiàn)、制備工藝、生產(chǎn)設(shè)備以及應(yīng)用場(chǎng)景等內(nèi)容，深度解析鈣鈦礦的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
1、鈣鈦礦材料---鈣鈦礦是一類(lèi)具有ABX3分子結(jié)構(gòu)的晶體總稱(chēng)，可用于制備鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的化學(xué)通式中A位一般為原子半徑較小的陽(yáng)離子（如Cs+、MA+、FA+等），B位為原子半徑較大的過(guò)渡金屬離子（如Sn2+、Pb2+等），X為鹵素陰離子（I-、Br-、Cl-等）。鈣鈦礦材料擁有優(yōu)越的電荷傳輸性質(zhì)、長(zhǎng)載流子擴(kuò)散距離、全光譜吸收和高吸光系數(shù)，因而可以有效吸收太陽(yáng)光并高效地產(chǎn)生光生載流子，同時(shí)減少在光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中的能量損失，是較為理想的光電材料。
2、鈣鈦礦為優(yōu)勢(shì)明顯的第三代光伏技術(shù)
從1954年光伏電池誕生世界第一塊太陽(yáng)能電池，光伏電池技術(shù)迭代已經(jīng)走過(guò)三代
（1）第一代是以晶硅為主的太陽(yáng)能電池，主要應(yīng)用場(chǎng)景為集中式光伏電站，目前技術(shù)最為成熟，但光電轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)接近上限，提效降本空間較為有限，邊際成本大幅升高。
（2）第二代以薄膜太陽(yáng)能電池為主，典型代表為銅銦鎵硒（CIGS）、碲化鎘（CdTe）太陽(yáng)能電池，主要應(yīng)用場(chǎng)景為分布式光伏，實(shí)驗(yàn)室小面積試件光電轉(zhuǎn)化效率高于晶硅電池，但實(shí)際應(yīng)用中光電轉(zhuǎn)化效率低于晶硅，且造價(jià)較為昂貴。
（3）第三代為新型太陽(yáng)能電池，主要包括鈣鈦礦電池、染料敏化電池和量子點(diǎn)電池。
第三代鈣鈦礦電池為新型化合物薄膜太陽(yáng)能電池，具備第二代薄膜電池效率提升速率快、成本低、材料可設(shè)計(jì)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)隨著商業(yè)化推進(jìn)，有望彌補(bǔ)第二代面臨的量產(chǎn)表現(xiàn)與理論優(yōu)勢(shì)條件差距大的問(wèn)題。
3、鈣鈦礦電池工作原理
鈣鈦礦電池主要由以下五個(gè)功能層組成透明導(dǎo)電氧化物（TCO）、電子傳輸層（ETL）、鈣鈦礦層、空穴傳輸層（HTL）和背電極。鈣鈦礦作為一種半導(dǎo)體材料，會(huì)產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)，即半導(dǎo)體在光照下會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。在光照條件下，鈣鈦礦化合物吸收光子，在吸收光子后其價(jià)帶電子會(huì)躍遷至導(dǎo)帶，導(dǎo)帶電子隨后被注入到TiO2的導(dǎo)帶，然后被傳輸?shù)紽TO，與此同時(shí)空穴傳輸至有機(jī)空穴傳輸層（HTL），從而電子-空穴對(duì)分離，在接通外電路時(shí)，電子與空穴的移動(dòng)產(chǎn)生電流。
4、鈣鈦礦優(yōu)勢(shì)明顯，產(chǎn)業(yè)化潛力十足
第三代新型電池中，鈣鈦礦擁有載流子壽命長(zhǎng)、帶隙（半導(dǎo)體可以吸收的最低能量）可調(diào)、光吸收單位寬等優(yōu)勢(shì)，鈣鈦礦電池的應(yīng)用有單結(jié)和疊層兩個(gè)技術(shù)方向。
鈣鈦礦電池相對(duì)于晶硅電池效率上限更高。鈣鈦礦電池具備高光吸收系數(shù)、受溫差影響小，光電損失少。典型的甲胺鉛碘（CH3NH3PbI3）鈣鈦礦帶隙為1.55eV，接近最優(yōu)帶隙，單結(jié)效率實(shí)驗(yàn)室效率已突破至25%以上，效率上限可達(dá)30%以上。而晶硅電池效率上限難以突破30%。并且鈣鈦礦材料帶隙可調(diào)節(jié)，與晶硅疊層，理論效率更高。用1.12eV帶隙的晶硅電池與1.73eV鈣鈦礦電池串聯(lián)，可以保證太陽(yáng)光譜照射的最佳分布吸收，理論效率超過(guò)43%。
鈣鈦礦電池相對(duì)于晶硅電池成本更低。鈣鈦礦組件目前產(chǎn)能投資略低于晶硅組件，約為5-7億元/GW，未來(lái)成熟后有進(jìn)一步下降空間，而晶硅組件產(chǎn)能投資需要7.5億元。GW級(jí)別量產(chǎn)，鈣鈦礦材料占比3.1%，組件成本小于1.0元/W，5-10級(jí)別量產(chǎn)，組件成本可降至0.5-0.5元/W。
鈣鈦礦電池相對(duì)晶硅電池具備高弱光效應(yīng)。鈣鈦礦材料在可見(jiàn)光范圍吸收系數(shù)可以達(dá)到105cm-1，具備高光捕獲能力；并且電池帶隙，接近弱光下電池最高效率所需帶隙，因此在陰雨天氣和日出日落等弱光環(huán)境均能工作。
鈣鈦礦電池下游應(yīng)用領(lǐng)域廣闊。鈣鈦礦電池在分布式光伏市場(chǎng)具備競(jìng)爭(zhēng)力，可廣泛應(yīng)用于BIPV幕墻和屋頂，此外也是光伏車(chē)頂?shù)膬?yōu)良材料。
政策端刺激鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化
過(guò)去十年鈣鈦礦光伏在學(xué)術(shù)界的重大突破推動(dòng)鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。由于鈣鈦礦光伏與以晶硅光伏為主導(dǎo)的現(xiàn)有光伏產(chǎn)業(yè)鏈具有較大差異，鈣鈦礦光伏的崛起勢(shì)必將重塑整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈。目前不僅產(chǎn)業(yè)端在積極推動(dòng)鈣鈦礦商業(yè)化，政策端也不斷刺激鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化
產(chǎn)業(yè)鏈分析
鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)鏈顯著縮短，原材料到組件僅需45分鐘。鈣鈦礦電池上游為材料和輔材等、中游電池廠商通過(guò)選擇技術(shù)路徑、制備工藝及設(shè)備制成電池組件，最后運(yùn)用到下游電站及新型應(yīng)用上。晶硅電池需要在四個(gè)不同工廠內(nèi)分別加工硅料、硅片、電池、組件，此過(guò)程需要至少耗時(shí)3天。而鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)流程簡(jiǎn)單，可在45分鐘內(nèi)將上游玻璃、膠膜、靶材、化工原料在單一工廠內(nèi)加工成為組件，產(chǎn)業(yè)鏈顯著縮短，價(jià)值高度集中。
1、原料
（1）導(dǎo)電層
基材為柔性材料、不銹鋼板、玻璃等，基材上的導(dǎo)電氧化物一般為氧化銦錫（ITO導(dǎo)電玻璃）、氟摻雜SnO2（FTO透明導(dǎo)電玻璃）。TCO玻璃是指在平板玻璃表面通過(guò)物理或化學(xué)鍍膜方法均勻的鍍上一層透明的導(dǎo)電氧化物薄膜的玻璃深加工品，實(shí)現(xiàn)對(duì)可見(jiàn)光的高透過(guò)率和高的導(dǎo)電率，TCO導(dǎo)電玻璃包括ITO、FTO、AZO鍍膜玻璃，分別使用錫摻雜氧化銦（In2O3）、氟摻雜氧化錫（SnO2）和鋁摻雜氧化鋅（ZnO）作為靶材。FTO導(dǎo)電性能比ITO略差，但具有成本相對(duì)較低，激光刻蝕容易，光學(xué)性能適宜等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為薄膜光伏電池的主流產(chǎn)品。目前金晶科技TCO導(dǎo)電膜玻璃已經(jīng)成功下線(xiàn)，并且與國(guó)內(nèi)部分碲化鎘、鈣鈦礦電池企業(yè)建立業(yè)務(wù)關(guān)系，得到認(rèn)可開(kāi)始供貨。除金晶科技外，TCO玻璃企業(yè)還包括亞瑪頓、耀皮玻璃、南玻A、旗濱等。
（2）空穴傳輸層
目前常見(jiàn)的空穴傳輸材料（HTM）主要為有機(jī)小分子、有機(jī)聚合物和無(wú)機(jī)半導(dǎo)體三類(lèi)。常用的有機(jī)小分子主要包括Spiro-OMeTAD及其改性材料等；常用的有機(jī)聚合物包括PEDOT:PSS（可以溶液成膜，適合柔性襯底）、PTAA、P3HT（聚-3己基噻吩）等，其中P3HT為主流；常用的無(wú)機(jī)HTM主要有CuI、CuSCN、CuOx、NiOx、MoOx、VOx。有機(jī)小分子與聚合物相比，具有良好的流動(dòng)性，但制備困難，價(jià)格昂貴；有機(jī)聚合物具備更好的成膜性和更高的遷移率。相較于有機(jī)HTM，無(wú)機(jī)HTM的空穴遷移率更高，導(dǎo)電性及穩(wěn)定性更好，而且成本低。
（3）鈣鈦礦吸光層
基本材料是鈣鈦礦前驅(qū)液，一般由堿金屬鹵化物鈣鈦礦和有機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦組成。一般采用有機(jī)無(wú)機(jī)混合結(jié)晶材料——如有機(jī)金屬三鹵化物CH3NH3PbX3（X=Cl\Br\I）作為光吸收材料。其中最常見(jiàn)的是CH3NH3PbI3（甲胺鉛碘）。制作金屬鹵化物鈣鈦礦所需原材料儲(chǔ)量豐富，價(jià)格低廉，且前驅(qū)液的配制不涉及任何復(fù)雜工藝，對(duì)純度要求不高，后續(xù)組件對(duì)加工環(huán)境要求也不高。
（4）電子傳輸層
電子傳輸材料（ETM）主要可分為金屬氧化物（常用TiO2、ZnO等）和復(fù)合材料，主要涉及鈦60、BCP、PCDM、二氧化硒、二氧化鈦等材料。目前使用和研究最多的ETM為T(mén)iO2，但由于TiO2電子遷移率和電子擴(kuò)散距離與鈣鈦礦材料及常用HTM的空穴遷移率、擴(kuò)散距離相比不太匹配，成為電池結(jié)構(gòu)中電荷捕集效率的瓶頸。目前，研究者以介孔Al2O3為骨架，TiO2納米顆粒和石墨烯復(fù)合物代替TiO2作為ETM在低溫條件下（小于150℃）獲得了15.6%的轉(zhuǎn)換效率。
（5）電極層
一般使用金屬電極（Al、Au、Ag）、透明導(dǎo)電電極、TCO等，涉及材料主要是鈦、銅箔和不銹鋼箔。電極選擇的材料不同，其技術(shù)路線(xiàn)和制備方法也不同。
2、技術(shù)路徑
鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)主要分為單結(jié)和多結(jié)疊層電池。單結(jié)電池結(jié)構(gòu)分為介孔結(jié)構(gòu)和平面正式或反式結(jié)構(gòu)，目前單結(jié)電池產(chǎn)業(yè)化主要為平面反式結(jié)構(gòu)。疊層電池目前主流鈣鈦礦疊層技術(shù)為鈣鈦礦/晶硅疊層、鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層、鈣鈦礦/CIGS疊層，由于鈣鈦礦/晶硅疊層具備底電池（晶硅電池）技術(shù)成熟穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，在諸多疊層中研究進(jìn)展最快，實(shí)驗(yàn)室效率領(lǐng)先。兩端疊層方式，是指子電池通過(guò)互聯(lián)界面串聯(lián)，僅需一個(gè)透明電極，成本較低，在工藝方面具備發(fā)展前景。
（1）單結(jié)電池
單結(jié)電池結(jié)構(gòu)主要分為介孔結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)，平面結(jié)構(gòu)又被分為正式結(jié)構(gòu)（n-i-p）和反式結(jié)構(gòu)（p-i-n）。根據(jù)有無(wú)介孔骨架電子傳輸層，區(qū)分介孔結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)；根據(jù)透明導(dǎo)電電極上先為電子傳輸層，還是先為空穴傳輸層，區(qū)分正式結(jié)構(gòu)和反式結(jié)構(gòu)。
1）介孔結(jié)構(gòu)
介孔結(jié)構(gòu)類(lèi)似三明治層狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要分為透明導(dǎo)電電極、介孔電子傳輸層、鈣鈦礦吸收層、空穴傳輸層、金屬電極五層。其中介孔電子傳輸層是將鈣鈦礦受光子激發(fā)后的電子提取出來(lái)，同時(shí)阻擋空穴向陰極方向遷徙；其具備較高的光透過(guò)率，便于更多光子照在鈣鈦礦吸收層上；介孔為鈣鈦礦吸收層提供骨架支撐的作用；主要材料是TiO2。
介孔能夠作為骨架支撐鈣鈦礦，但是高溫制備，工藝難度大。介孔有鈣鈦礦支撐骨架作用，增大鈣鈦礦吸收層與電子傳輸層的接觸面積，有效提高電子傳輸效率；介孔層的制備通常需要400-500℃的高溫退火處理，增加了工藝難度。
2）平面結(jié)構(gòu)
平面結(jié)構(gòu)相對(duì)于介孔結(jié)構(gòu)少了介孔層，可低溫制備。平面結(jié)構(gòu)直接在致密TiO2電子傳輸層上旋涂鈣鈦礦，結(jié)構(gòu)相對(duì)介孔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠用低溫溶液法制備，更利于柔性電池、疊層電池和大面積電池的發(fā)展。
正式結(jié)構(gòu)和反式結(jié)構(gòu)主要區(qū)別是，光先透過(guò)電子傳輸層還是空穴傳輸層。對(duì)正式結(jié)構(gòu)而言，透明電極上為電子傳輸層，太陽(yáng)光穿過(guò)透明電極后，透過(guò)電子傳輸層再到吸光層；對(duì)反式結(jié)構(gòu)而言，透明電極上為空穴傳輸層，太陽(yáng)光穿過(guò)透明電極后，透過(guò)空穴傳輸層再到吸光層。
反式結(jié)構(gòu)盡管效率不及正式結(jié)構(gòu)，但遲滯較小、填充率較高、穩(wěn)定性更好，適合量產(chǎn)。目前鈣鈦礦最高效率25.7%是正式結(jié)構(gòu)，反式結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展也達(dá)到了24.3%的效率，與正式結(jié)構(gòu)差距減小。反式結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢(shì)在于，光先透過(guò)空穴傳輸層，可以使電池遲滯性較小，填充率較高。另外，正式結(jié)構(gòu)空穴傳輸材料多為有機(jī)物Spiro-OMeTAD，同時(shí)為了增加導(dǎo)電性通常需要添加對(duì)水氧敏感的Li鹽、Co鹽等，盡管獲得了高效率但也犧牲了器件的穩(wěn)定性；反式結(jié)構(gòu)空穴傳輸層材料多為無(wú)機(jī)金屬氧化物（如NiOx、CuO等），器件穩(wěn)定性好。
（2）疊層電池
疊層結(jié)構(gòu)分為窄帶隙底電池、互聯(lián)結(jié)/隧穿結(jié)、寬帶隙頂電池三部分。寬帶隙電池作為頂電池吸收較高能量光子，窄帶隙電池作為底電池吸收較低能量光子，實(shí)現(xiàn)子電池對(duì)太陽(yáng)光譜分段利用，從而避免高能光子的熱化損失，提高太陽(yáng)能利用率和電池光電轉(zhuǎn)換效率。鈣鈦礦ABX3通過(guò)改變A、B、X組分可實(shí)現(xiàn)帶隙寬度從1.17~2.8eV調(diào)節(jié)，能夠與其他中窄帶隙底電池匹配。
兩結(jié)疊層電池為主要應(yīng)用方向，鈣鈦礦/晶硅疊層目前效率最高。疊層的結(jié)數(shù)越多，理論上可以獲得更高的效率，但是考慮到成本，目前兩結(jié)疊層電池為主要應(yīng)用方向；鈣鈦礦/晶硅疊層和鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層的電池效率較高，分別為32.5%和28%，成為目前疊層電池研究領(lǐng)域的焦點(diǎn)，鈣鈦礦/CIGS疊層電池效率也獲得了很大提升，成為下一代光伏電池很有潛力的競(jìng)爭(zhēng)者。
1）鈣鈦礦/晶硅疊層
鈣鈦礦/晶硅疊層，是以晶硅作為底電池。晶硅電池帶隙較窄，只有1.12eV，作為疊層的底電池，寬帶隙（1.67eV-1.75eV）的鈣鈦礦作為頂電池。
鈣鈦礦可以與HJT、TOPCon等晶硅電池組成疊層電池，其中HJT與鈣鈦礦疊層最為適配。晶硅電池工藝成熟，作為底電池較為穩(wěn)定，相比其他類(lèi)型疊層具備潛在的低制造成本；HJT由于具備良好的非晶硅鈍化層、對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)以及透明導(dǎo)電氧化物（TCO），與鈣鈦礦層最為適配。
互聯(lián)層結(jié)構(gòu)和材質(zhì)都會(huì)造成光電損失。1）互聯(lián)層結(jié)構(gòu)方面，可以分為平面和陷光結(jié)構(gòu)，平面結(jié)構(gòu)光發(fā)射強(qiáng)，不利于透光；陷光結(jié)構(gòu)，光反射弱，但表面凹凸不平，均勻涂抹鈣鈦礦是一大挑戰(zhàn)。2）互聯(lián)層材質(zhì)方面，多使用TCO，其中最常見(jiàn)的TCO是銦摻雜氧化錫（ITO），具有優(yōu)良的電導(dǎo)率和光透射率，然而ITO折射率與硅基底不匹配，造成800nm以上波段光反射損失。
鈣鈦礦/晶硅疊層擁有疊層結(jié)構(gòu)最高效率32.5%，改善互聯(lián)層材質(zhì)和鈣鈦礦頂電池穩(wěn)定性是突破口。緣于晶硅底電池的穩(wěn)定性，鈣鈦礦/晶硅整體穩(wěn)定性最強(qiáng)，是最接近產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)路徑之一。最高效率達(dá)32.5%；a-Si:H和nc-Si:H材料具有橫向電導(dǎo)率、寄生損耗和反射損耗低的特點(diǎn)，成為疊層電池中互聯(lián)層的理想材料；除此之外，和單結(jié)電池一樣，提升鈣鈦礦電池本身光電性能，也是疊層電池的核心點(diǎn)，比如通過(guò)添加劑工程，降低非輻射復(fù)合。
2）鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層
鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層，是通過(guò)人工分別合成寬帶隙和窄帶隙鈣鈦礦。由于鈣鈦礦帶隙可調(diào)節(jié)，將窄帶隙（1.25eV左右）鈣鈦礦作為底電池，寬帶隙（1.75eV左右）鈣鈦礦作為頂電池。
鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層目前效率逐漸趕上鈣鈦礦/晶硅疊層，度電成本更低，工藝更簡(jiǎn)單。鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層，兩個(gè)子電池帶隙均可以靈活調(diào)節(jié)，能夠最大程度上實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光譜高效利用，使得開(kāi)路電壓超過(guò)了鈣鈦礦/晶硅疊層電池，目前鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層最高實(shí)驗(yàn)室效率為29%。鈣鈦礦/晶硅疊層度電成本為5.22美分/KWh，鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層度電成本為4.22美分/KWh，低于晶硅疊層。鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層是在玻璃上涂抹頂電池，相比鈣鈦礦/晶硅疊層在晶硅絨面上涂抹鈣鈦礦工藝簡(jiǎn)單。
相比鈣鈦礦/晶硅疊層，全鈣鈦礦疊層除了需提升寬帶隙鈣鈦礦和互聯(lián)層性能，還需解決窄帶隙鈣鈦礦不穩(wěn)定問(wèn)題。窄帶隙鈣鈦礦主要含錫，錫離子易氧化導(dǎo)致鈣鈦礦不穩(wěn)定；窄帶隙電池沉積過(guò)程中存在溶劑對(duì)寬帶隙鈣鈦礦電池降解的風(fēng)險(xiǎn)。目前對(duì)窄帶隙鈣鈦礦穩(wěn)定性的提升，主要采用和寬帶隙鈣鈦礦相似的添加劑工程。
3）鈣鈦礦/CIGS疊層
CIGS窄帶隙寬度可調(diào)，具有較高光吸收系數(shù)。將窄帶隙CIGS作為底電池，寬帶隙鈣鈦礦作為頂電池，因?yàn)镃IGS窄帶隙寬度可調(diào)且具備高的光吸收系數(shù)，理論上可以獲得比鈣鈦礦/晶硅疊層結(jié)構(gòu)更高的光電性能。
鈣鈦礦/CIGS疊層工藝環(huán)節(jié)存在分流效應(yīng)，影響電池效率。CIGS電池結(jié)構(gòu)限制了頂部鈣鈦礦只能是p-i-n（反式）結(jié)構(gòu)；CIGS電池結(jié)構(gòu)通常通過(guò)真空方法沉積，如濺射或共蒸發(fā)，往往導(dǎo)致表面粗糙度較大，一般表面高度方均根最高可以達(dá)到200nm，盡管鈣鈦礦吸收層的厚度在500-1000nm范圍，但是空穴傳輸層厚度不超過(guò)100nm，不足以完全覆蓋納米粗糙表面，導(dǎo)致潛在的分流效應(yīng)。
鈣鈦礦/CIGS疊層目前最高實(shí)驗(yàn)室效率為24.2%，在三種疊層技術(shù)中較為落后。
（3）量產(chǎn)路線(xiàn)選擇
不同技術(shù)路線(xiàn)各有優(yōu)劣，目前晶硅大廠傾向選擇鈣鈦礦/晶硅疊層的路線(xiàn)，全鈣鈦礦路線(xiàn)比較適合初創(chuàng)企業(yè)。1）效率上，鈣鈦礦/晶硅疊層發(fā)展最快，效率最高；2）光電損失上，單結(jié)電池?fù)p失最??；3）穩(wěn)定性上，全鈣鈦礦電池穩(wěn)定性最差；4）成本上，全鈣鈦礦電池成本度電最低；5）主流廠商選擇路線(xiàn)量產(chǎn)階段，單結(jié)和疊層電池廠商數(shù)量相近，戰(zhàn)略規(guī)劃階段，大部分廠商選擇疊層電池，在疊層電池中，晶硅大廠為發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)，首選鈣鈦礦/晶硅疊層。仁爍光能獨(dú)樹(shù)一幟選擇全鈣鈦礦疊層，為初創(chuàng)企業(yè)技術(shù)路線(xiàn)選擇提供參考。
3、制備流程及工藝
頂電極層（TCO）通常由玻璃生產(chǎn)企業(yè)負(fù)責(zé)，電池企業(yè)直接采購(gòu)TCO玻璃，來(lái)完成后續(xù)工藝。制備鈣鈦礦電池通?？梢苑譃槲鍌€(gè)步驟TCO玻璃的處理→制備電子傳輸層→制備鈣鈦礦層→制備空穴傳輸層→制備背電極。其中吸光層的制作是鈣鈦礦太陽(yáng)能電池組裝的關(guān)鍵步驟，其成膜質(zhì)量受環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、環(huán)境含氧量、退火溫度、退火時(shí)間、操作手法等多個(gè)因素影響，并在很大程度上影響了最終器件的性能。
具體來(lái)看1）TCO玻璃的處理先將TCO玻璃裁成合適面積的小塊，再用溶液或激光刻蝕，然后清洗干燥。2）制備電子傳輸層通常用磁控濺射等氣相沉積技術(shù)或溶液旋涂法來(lái)實(shí)現(xiàn)制備，磁控濺射或旋涂后退火，得到電子傳輸層。3）制備鈣鈦礦層鈣鈦礦吸光層的制備技術(shù)百花齊放，大致可分為五大類(lèi)，分別為溶液涂布法、旋涂法、噴涂法和噴墨打印法、軟膜覆蓋法、氣相沉積法。其中常用法為旋涂法以及氣相法。4）制備空穴傳輸層通常使用溶液旋涂法來(lái)制備，旋涂完成后退火獲得HTL。5）制備背電極將器件放入掩膜板固定住，放入鍍膜機(jī)進(jìn)行蒸鍍，冷卻后完成制備。
（1）旋涂法
旋涂法主要是將鈣鈦礦前驅(qū)體溶液滴在滴板上，依靠工件高速旋轉(zhuǎn)的離心力完成涂覆和薄膜沉積，具有成膜質(zhì)量高、對(duì)薄膜厚度控制精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，一般于實(shí)驗(yàn)室備制小面積電池使用。按照步驟的不同可進(jìn)一步分為一步法、兩步法。
（2）溶液涂布法
主要通過(guò)涂布裝置使得鈣鈦礦前驅(qū)體溶液在基底表面完成相對(duì)運(yùn)動(dòng)，依靠液體的表面張力和基底接觸而成膜。按涂布設(shè)備的不同，可將其進(jìn)一步劃分為刮刀涂布法、狹縫涂布法和絲網(wǎng)印刷法。其中，狹縫涂布法具有印刷速度快、漿料利用率高、薄膜質(zhì)量控制更加精細(xì)化等優(yōu)點(diǎn)，是目前鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)化中選用的主流方法。
（3）噴涂和噴墨打印法
噴涂法和噴墨打印法是通過(guò)在噴頭內(nèi)部施加壓力的方法將鈣鈦礦前驅(qū)體溶液從噴頭內(nèi)擠出并在基底上成膜的技術(shù)。噴涂法中常用的噴頭有高壓氣噴頭和超聲噴頭等。與噴涂法不同，噴墨打印法利用噴頭內(nèi)部壓電材料形變將溶液擠出，按照預(yù)設(shè)程序進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可以按要求制備不同圖案，避免了制版的過(guò)程，提高了鈣鈦礦原料的利用率。兩種噴涂方法都可以通過(guò)調(diào)整鈣鈦礦溶液的濃度，噴頭與基底之間的距離和噴涂的速度等調(diào)節(jié)鈣鈦礦成膜形態(tài)。
（4）軟膜覆蓋法
該方法是在壓力環(huán)境下借助PI（聚酰亞胺）膜覆蓋，實(shí)現(xiàn)胺絡(luò)合物前驅(qū)體向鈣鈦礦薄膜的轉(zhuǎn)化。該方法有效地阻止了溶劑向空氣中蒸發(fā)，易于獲得無(wú)針孔且高度均勻的鈣鈦礦薄膜。此外，這種沉積方法不需要真空環(huán)境，且可以在低溫工藝下進(jìn)行。
（5）氣相沉積法
1）真空鍍膜法
蒸鍍法，一般以共蒸為主。相較于溶液法，真空鍍膜法得到的鈣鈦礦薄膜更加均勻平整，但是需要精準(zhǔn)控制蒸發(fā)源的成分，操作難度極大。該方法還需在真空環(huán)境下進(jìn)行，薄膜制備時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備成本較高。
2）氣相輔助溶液法
該方法首先利用液相制膜技術(shù)將前驅(qū)體薄膜涂布在基底上，然后再將其轉(zhuǎn)移到有機(jī)胺鹵化物（MAI）的蒸汽中，進(jìn)而完全轉(zhuǎn)換為鈣鈦礦薄膜，兼具了溶液法和真空鍍膜法的優(yōu)勢(shì)。
4、生產(chǎn)設(shè)備
鈣鈦礦電池組件生產(chǎn)共需要鍍膜設(shè)備、激光設(shè)備、涂布設(shè)備、封裝設(shè)備四種設(shè)備。鈣鈦礦組件生產(chǎn)中材料、工藝、設(shè)備互相配合鑄就鈣鈦礦企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。目前4類(lèi)設(shè)備，已有部分國(guó)產(chǎn)化選擇。百M(fèi)W級(jí)產(chǎn)線(xiàn)的核心總投資額約1.2億元，其中鍍膜設(shè)備激光設(shè)備涂布設(shè)備封裝設(shè)備投資比例為50%25%15%10%。
（1）鍍膜設(shè)備鍍膜設(shè)備價(jià)值最高，為未來(lái)降本主要途徑
鍍膜設(shè)備主要涉及PVD、PRD、ALD三種，PVD技術(shù)又分為真空蒸鍍法、濺射法和離子鍍法。背電極主要使用蒸鍍PVD，目前已經(jīng)比較成熟，還可使用PRD等離子反應(yīng)設(shè)備制作。電子傳輸層主流使用RPD設(shè)備，或先用RPD或ALD設(shè)備制作阻隔層，再用濺射PVD做傳輸層?？昭▊鬏攲又髁魇褂脼R射PVD，也可使用蒸鍍PVD；玻璃基板襯底使用濺射PVD形成導(dǎo)電層，技術(shù)較為成熟。生產(chǎn)百M(fèi)W級(jí)鈣鈦礦需要鍍膜設(shè)備3臺(tái)，其中包括2臺(tái)PVD，單價(jià)1000萬(wàn)/臺(tái)；1臺(tái)PRD，單價(jià)2000萬(wàn)/臺(tái)。
相應(yīng)的設(shè)備企業(yè)有捷佳偉創(chuàng)、邁為股份、京山輕機(jī)、眾能光電、晟成光伏等。其中捷佳偉創(chuàng)于2022年7月量產(chǎn)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池生產(chǎn)關(guān)鍵量產(chǎn)設(shè)備RPD，并順利出貨了GW級(jí)HJT電池產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備。晟成光伏于2021年5月與業(yè)內(nèi)鈣鈦礦電池領(lǐng)先企業(yè)開(kāi)展開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略合作，目前公司研發(fā)的鈣鈦礦電池團(tuán)簇型多腔式蒸鍍?cè)O(shè)備現(xiàn)已量產(chǎn)，并成功應(yīng)用于多個(gè)客戶(hù)端。
（2）涂布設(shè)備主流方法采用狹縫涂布機(jī)制備
涂布設(shè)備主要用于制作鈣鈦礦吸光層。目前國(guó)內(nèi)鈣鈦礦層制備工藝主要采用狹縫涂布機(jī)進(jìn)行制備，有協(xié)鑫光電、纖納光電、無(wú)限光電、極電光能、萬(wàn)度光能幾家企業(yè)布局；協(xié)鑫光電、纖納光電、無(wú)限光電、極電光能等廠商同時(shí)進(jìn)行旋涂機(jī)、蒸鍍PVD工藝布局；刮刀涂布、噴涂、CVD、絲網(wǎng)印刷機(jī)屬于少數(shù)技術(shù)選擇方向。
德滬涂膜產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程領(lǐng)先，2022年大尺寸電子級(jí)狹縫涂布設(shè)備市場(chǎng)市占率達(dá)70%以上。公司目前為國(guó)內(nèi)最大的鈣鈦礦電池制造用核心狹縫涂布設(shè)備供應(yīng)商，在大尺寸電子級(jí)狹縫涂布設(shè)備領(lǐng)域市場(chǎng)占有率達(dá)70%以上，技術(shù)指標(biāo)與全球同類(lèi)企業(yè)產(chǎn)品相當(dāng)；并向供應(yīng)協(xié)鑫100MW鈣鈦礦產(chǎn)線(xiàn)供應(yīng)大尺才核心狹縫涂布設(shè)備。
（3）激光設(shè)備產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程較快，國(guó)內(nèi)廠商已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)
激光工藝涉及到整個(gè)鈣鈦礦薄膜電池的制備流程，起分片效果。鈣鈦礦電池需要分別進(jìn)行3次平行激光刻蝕（P1-P3），并完成P4的清邊，整體價(jià)值量約10~20%。在P1-P3的刻蝕環(huán)節(jié)，激光設(shè)備主要用于激光劃線(xiàn)，刻劃鈣鈦礦吸收層、鈣鈦礦層及電極層，去除TCO層以及進(jìn)行清邊絕緣。
激光企業(yè)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程較快。帝爾激光的激光設(shè)備在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池TCO層、氧化物層、電極層的生產(chǎn)制程中均有應(yīng)用，目前已有小批量訂單并已完成交付。邁為股份2021年已經(jīng)交付用于單結(jié)鈣鈦礦電池的激光設(shè)備，未來(lái)將對(duì)單結(jié)鈣鈦礦會(huì)加大裝備布局。德龍激光2020年推出針對(duì)鈣鈦礦薄膜太陽(yáng)能生產(chǎn)整段設(shè)備（包括P1、P2、P3激光劃線(xiàn)設(shè)備以及P4激光清邊設(shè)備），目前設(shè)備已投入客戶(hù)量產(chǎn)線(xiàn)使用，率先實(shí)現(xiàn)百兆瓦級(jí)規(guī)?；慨a(chǎn)。
（4）封裝設(shè)備光伏組件供應(yīng)商有望受益
為了避免外部環(huán)境因素和分解泄漏等導(dǎo)致鈣鈦礦結(jié)構(gòu)或其它功能層被破壞，封裝是一種最有效的解決方法。目前鈣鈦礦太陽(yáng)能電池常見(jiàn)封裝技術(shù)有兩種第一代封裝技術(shù)通過(guò)使用蒸發(fā)金屬?lài)娚淦骱秃附咏饘賻㈦娏鲝碾姵貍鲗?dǎo)到外部，并密封金屬帶邊緣。第二代封裝技術(shù)通過(guò)透明的氧化銦錫電極將鈣鈦礦電極與金屬電極分開(kāi)，以保證電極與印刷電路板之間有一定的橫向間隙。封裝面直接是ITO電極，可以更好的密封整個(gè)器件。
鈣鈦礦通常用POE而非EVA封裝。由于鈣鈦礦材料比較敏感，因此鈣鈦礦電池在封裝的要求相比晶硅電池更高，一般采用POE膠膜而不能采用EVA膠膜
光伏組件供應(yīng)商有望受益弗斯邁能為鈣鈦礦組件龍頭廠商提供整線(xiàn)解決方案，主要提供精確裁覆膜設(shè)備、貼絕緣膠帶機(jī)器、貼導(dǎo)電膠帶機(jī)、匯流條貼數(shù)機(jī)、層壓機(jī)等封裝設(shè)備。眾能光電擁有層壓機(jī)、用于光電器件鈍化的ALD設(shè)備。京山輕機(jī)與華中科技大學(xué)合作達(dá)成合作，共同開(kāi)發(fā)光伏原子鍍膜裝備。
5、應(yīng)用
（1）BIPV鈣鈦礦電池為理想材料
BIPV為光伏未來(lái)應(yīng)用的重要場(chǎng)景光伏建筑一體化（BIPV）為將光伏組件集成到建筑上的分布式發(fā)電系統(tǒng)，主要應(yīng)用場(chǎng)景包括屋頂、幕墻、窗戶(hù)、圍欄等，其中立面和光伏屋頂為主要應(yīng)用方向。
鈣鈦礦為BIPV應(yīng)用的理想材料1）鈣鈦礦組件更輕薄、柔韌性好更好，可塑性高，可以任意彎曲，在BIPV中應(yīng)用更廣泛；2）相較于晶硅電池透光性更強(qiáng)，可以滿(mǎn)足建筑物對(duì)于不同光照強(qiáng)度的要求；3）鈣鈦礦組件具有顏色可調(diào)的特點(diǎn)，可以根據(jù)需求生產(chǎn)出不同顏色的組件，美觀性更強(qiáng)；4）在陰天和人造光環(huán)境下也有較高的轉(zhuǎn)換效率，發(fā)電較為穩(wěn)定。
（2）CIPV目前尚處于起步階段
CIPV目前尚處于起步階段車(chē)載光伏發(fā)電系統(tǒng)（CIPV）為在汽車(chē)上安裝整套的離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，該領(lǐng)域目前處于起步階段，僅有幾款車(chē)型配備了光伏集成全景天窗；同時(shí)初創(chuàng)公司EV Solar Kits正在為特斯拉開(kāi)發(fā)車(chē)載光伏設(shè)計(jì)方案，可以安裝在Model 3和Model Y汽車(chē)的車(chē)頂上，成本為5000元，加裝后可讓汽車(chē)每天多跑100公里。
（3）地面電站產(chǎn)業(yè)化曙光初現(xiàn)
技術(shù)逐漸成熟有助于推進(jìn)大規(guī)模應(yīng)用，未來(lái)鈣鈦礦應(yīng)用空間廣闊。鈣鈦礦效率上限高，光學(xué)及電學(xué)性能，且成本約為傳統(tǒng)光伏的5%，大規(guī)模應(yīng)用后有望推進(jìn)光伏平價(jià)上網(wǎng)，但因其穩(wěn)定性較差、壽命較低，大規(guī)模應(yīng)用存在技術(shù)難度。2023年2月15日，衢江區(qū)鈣鈦礦集中式光伏電站一期項(xiàng)目在衢州市衢江區(qū)開(kāi)工，裝機(jī)容量12MW，計(jì)劃投資6000萬(wàn)元，是全球首個(gè)鈣鈦礦地面光伏電站，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用曙光初現(xiàn)，鈣鈦礦地面電站應(yīng)用空間廣闊。
（4）柔性光伏、穿戴光伏等
鈣鈦礦的吸收層吸光系數(shù)強(qiáng)，只需很薄就可完成可見(jiàn)光譜吸收。除應(yīng)用于集中式電站，分布式電站外，還可進(jìn)行柔性的，可穿戴，可折疊的制備。柔性太陽(yáng)能電池由于重量輕、可彎曲、安裝成本低等優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)物體、便攜式設(shè)備以及航空航天領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用空間。
04
鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢(shì)及制約因素
1、產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢(shì)
鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢(shì)在于其增效降本遠(yuǎn)超晶硅。從光電轉(zhuǎn)化率的角度來(lái)看，鈣鈦礦幾乎只用了10年時(shí)間走過(guò)了晶硅50年的發(fā)展路程。鈣鈦礦與晶硅的技術(shù)之爭(zhēng)本質(zhì)是幾十萬(wàn)種鈣鈦礦材料，和一種晶硅材料的競(jìng)爭(zhēng)。
根據(jù)前文產(chǎn)業(yè)鏈分析，鈣鈦礦電池一間工廠僅45分鐘走完全部流程，生產(chǎn)效率顯著提升。
產(chǎn)線(xiàn)建設(shè)成本約為晶硅50%。光伏企業(yè)投資1GW產(chǎn)能GaAs（Tum-key線(xiàn)）需要金額約50億元；投資1GW產(chǎn)能晶硅電池需要合計(jì)投資金額7.5-10億元左右；工藝成熟條件下測(cè)算，1GW產(chǎn)能鈣鈦礦電池投資金額可降至約5億元，約為晶硅電池投資金額的50%，GaAs（Tum-key線(xiàn)）的10%。
鈣鈦礦電池生產(chǎn)能耗不及晶硅組件1/10。晶硅在拉單晶的過(guò)程中需要900℃以上的溫度將硅料融化，而鈣鈦礦各功能層的加工溫度不超過(guò)180℃，且大多數(shù)環(huán)節(jié)也無(wú)需真空條件。制造1W單晶組件的能耗大約為1.52kWh，而每瓦鈣鈦礦組件的生產(chǎn)能耗僅為0.12kWh，不及晶硅組件能耗的1/10。
2、產(chǎn)業(yè)化制約因素
鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢(shì)明顯，但是同時(shí)也存在一定制約因素。目前研究人員針對(duì)于制約因素已經(jīng)尋找到一些解決方式，未來(lái)仍需不斷探索。
（1）材料穩(wěn)定性先天缺陷
鈣鈦礦電池相較晶硅電池有顯著降本增效優(yōu)勢(shì)，但鈣鈦礦及電池器件各材料穩(wěn)定性存在先天缺陷，容易導(dǎo)致組件在運(yùn)行過(guò)程中壽命衰減。
離子晶體結(jié)構(gòu)，鈣鈦礦材料具備不穩(wěn)定性。鈣鈦礦自身的不穩(wěn)定性可分為1）物理不穩(wěn)定性，即材料本身分解能較低，離子容易發(fā)生擴(kuò)散，溫度或者組分的差異會(huì)導(dǎo)致鈣鈦礦材料發(fā)生成分偏析或者相分離，影響鈣鈦礦層的光電性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性；2）化學(xué)不穩(wěn)定性，即鈣鈦礦具有離子鍵合特性，并且組成離子均為離子勢(shì)較小的“軟”離子，且含有較易分解的有機(jī)銨離子，這使得鈣鈦礦體系形成能較小、缺陷密度較高、各組分反應(yīng)活性大，容易與環(huán)境中的水分子、空氣發(fā)生反應(yīng)，光照下發(fā)生相分離，同時(shí)大量缺陷的存在也使得離子遷移很容易發(fā)生，是鈣鈦礦太陽(yáng)能電池存在“遲滯”現(xiàn)象的重要原因，離子遷移的累積會(huì)造成鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的崩塌，極大地?fù)p害器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
多層材料疊加，界面接觸復(fù)合反應(yīng)影響電池性能。除鈣鈦礦材料自身的光電穩(wěn)定性對(duì)器件影響之外，器件各層材料之間的接觸面對(duì)器件性能的影響也起到重要作用。界面的不穩(wěn)定性主要存在于鈣鈦礦層與電子、空穴傳輸層之間。1）鈣鈦礦層材料的在結(jié)晶過(guò)程中晶粒間出現(xiàn)空隙，導(dǎo)致當(dāng)電子、空穴材料接觸時(shí)復(fù)合嚴(yán)重，電池性能降低，并影響器件的穩(wěn)定性。2）電子傳輸層常用的是金屬氧化物TiO2，由于其光催化特性，TiO2在光照條件下容易與接觸的鈣鈦礦材料和氧反應(yīng)導(dǎo)致材料分解。
多種途徑彌補(bǔ)先天缺陷，助力鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。由于鈣鈦礦材料的可設(shè)計(jì)性，研發(fā)人員提出了各種應(yīng)對(duì)方案解決穩(wěn)定性問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題采取添加組分及穩(wěn)定劑工程、改進(jìn)封裝材料、尋找化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定、尺寸因子更合適的鈣鈦礦體系等手段來(lái)增強(qiáng)鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性。目前已有多家公司的鈣鈦礦電池產(chǎn)品通過(guò)了在85攝氏度和85%相對(duì)濕度下連續(xù)工作1000小時(shí)的測(cè)試，這是業(yè)內(nèi)著名的針對(duì)晶硅電池的嚴(yán)格測(cè)試。
（2）大面積制備有難度
實(shí)現(xiàn)高效率鈣鈦礦電池的大面積制備是其產(chǎn)業(yè)化的另一大挑戰(zhàn)。實(shí)驗(yàn)室效率進(jìn)展迅速，產(chǎn)業(yè)化階段電池效率會(huì)隨組件面積放大而衰減。目前鈣鈦礦電池實(shí)驗(yàn)室效率進(jìn)展迅速，然而大多為1cm以下的小面積薄膜，對(duì)大多數(shù)光伏技術(shù)來(lái)說(shuō)，大面積制備往往伴隨著電池效率的降低，這主要是由于電池面積增大伴隨著串聯(lián)電阻的線(xiàn)性增大。對(duì)于鈣鈦礦電池而言，這種隨電池面積增加而性能降低的現(xiàn)象更加明顯。除了串聯(lián)電阻的普遍因素外，影響高效率鈣鈦礦電池大面積制備的主要原因是其材料性質(zhì)及制備方法。
溶液旋涂法是實(shí)驗(yàn)室制備鈣鈦礦電池的常用方法，雖然操作簡(jiǎn)單、成膜速度快、重復(fù)性好，但無(wú)法滿(mǎn)足鈣鈦礦太陽(yáng)能電池大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)所需要的大面積、低成本等制造要求。目前常用制備大面積鈣鈦礦生產(chǎn)工藝主要有溶液涂布法、溶液噴涂法、軟膜覆蓋法和氣相沉積法，但大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率與旋涂法相比仍存在差距。
（3）環(huán)保問(wèn)題
鈣鈦礦電池制備過(guò)程中前驅(qū)體溶液含鉛。鈣鈦礦薄膜的厚度與前驅(qū)體溶液濃度之間存在直接關(guān)系，制造高效鈣鈦礦太陽(yáng)電池需要相對(duì)高濃度的含鉛前驅(qū)體。由于鈣鈦礦電池含鉛，并且所含碘化鉛具有水溶性，老化鈣鈦礦電池如未采取合適的回收方式，其中包含的碘化鉛浸出進(jìn)入土壤后，被植物所吸收進(jìn)入食物鏈，相對(duì)于其他人類(lèi)活動(dòng)帶入環(huán)境中的鉛其遷移性要高10倍以上。
目前鈣鈦礦含鉛不可避免。在鹵化鈣鈦礦中存在過(guò)量的碘化鉛是鈣鈦礦電池效率超過(guò)20％的關(guān)鍵。目前無(wú)鉛化是鈣鈦礦材料研究的重要方向之一，但到目前為止尚未找到光電效應(yīng)能與鉛基鈣鈦礦電池匹配的其他材料電池，錫基鈣鈦礦可以達(dá)到16%左右的效率，但目前技術(shù)仍不太成熟。且含鉛鈣鈦礦更適合低溫制備，目前仍然是鈣鈦礦電池商業(yè)化的優(yōu)先選項(xiàng)。
05
產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展及相關(guān)公司
1、單結(jié)組件率先突破
目前，單結(jié)鈣鈦礦組件產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展較為領(lǐng)先，其中協(xié)鑫、纖納率先完成100MW單結(jié)鈣鈦礦組件中試線(xiàn)安裝，極電光能756cm2大尺寸鈣鈦礦光伏組件轉(zhuǎn)換效率目前達(dá)到18.2%。
（1）協(xié)鑫光電背靠協(xié)鑫，學(xué)者科研實(shí)力加持
公司成立于2010年，前身為廈門(mén)惟華光能，于2016年被協(xié)鑫集團(tuán)收購(gòu)并成立協(xié)鑫納米科技有限公司。公司在鈣鈦礦電池研發(fā)上共有64項(xiàng)專(zhuān)利已獲授權(quán)，其中發(fā)明專(zhuān)利17項(xiàng)，實(shí)用新型專(zhuān)利47項(xiàng)。
公司技術(shù)路線(xiàn)選擇尺寸為2m×1m的大尺寸單結(jié)鈣鈦礦。是目前唯一一家產(chǎn)業(yè)化階段實(shí)現(xiàn)大尺寸組件生產(chǎn)的鈣鈦礦廠家。22年上半年，應(yīng)用協(xié)鑫光電1米×2米大尺寸鈣鈦礦組件的Project Y鈣鈦礦小屋亮相張家口，目前，其投建的全球首條100MW量產(chǎn)線(xiàn)已在昆山完成廠房和主要硬件建設(shè)，公司計(jì)劃22年投入量產(chǎn)，預(yù)計(jì)在工藝和產(chǎn)能穩(wěn)定后，23年量產(chǎn)組件產(chǎn)品光電轉(zhuǎn)化效率將超過(guò)18%，未來(lái)鈣鈦礦組件的效率預(yù)計(jì)將進(jìn)一步提升至25%以上；目前公司GW級(jí)產(chǎn)線(xiàn)已在規(guī)劃中，目標(biāo)24年下半年落地。
（2）纖納光電產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度領(lǐng)先，政策重點(diǎn)支持
公司成立于2015年，是國(guó)內(nèi)第一批從事鈣鈦礦商業(yè)化研究的機(jī)構(gòu)，以及全球首家實(shí)現(xiàn)百兆瓦級(jí)鈣鈦礦組件制造和商業(yè)應(yīng)用的公司。公司承擔(dān)了三項(xiàng)科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，三項(xiàng)浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和浙江省領(lǐng)軍型創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目，累計(jì)申報(bào)知識(shí)產(chǎn)權(quán)專(zhuān)利300多項(xiàng)。
公司技術(shù)路線(xiàn)選擇尺寸為0.6m×1.2m的單結(jié)鈣鈦礦，最高功率可達(dá)130W。是目前唯一一家實(shí)現(xiàn)第三代鈣鈦礦光伏組件（纖納α組件）量產(chǎn)的公司，先發(fā)優(yōu)勢(shì)明顯。公司與金晶科技達(dá)成戰(zhàn)略合作，確保公司在TCO玻璃上的需求供應(yīng)。其主打的α組件順利通過(guò)IEC61215、IEC61730穩(wěn)定性全體系認(rèn)證，采用纖納獨(dú)立開(kāi)發(fā)的溶液打印技術(shù)，具有功率高、穩(wěn)定性好、溫度系數(shù)低、熱斑效應(yīng)小、不易隱裂等特性。公司2020年3月20MW中試線(xiàn)落地；2021年12月100MW產(chǎn)線(xiàn)落成；2022年7月5000片α組件實(shí)現(xiàn)出貨；預(yù)計(jì)2024年初1GW產(chǎn)線(xiàn)通線(xiàn)（由兩條500MW或多條200MW、300MW產(chǎn)線(xiàn)組成），量產(chǎn)效率預(yù)計(jì)20%。
（3）極電光能深耕光伏行業(yè)，實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)線(xiàn)綜合發(fā)展
公司起源于長(zhǎng)城控股集團(tuán)，2018年開(kāi)始鈣鈦礦技術(shù)研發(fā)，創(chuàng)始人于振瑞博士擁有35年光伏從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，組建了一支覆蓋從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)線(xiàn)的綜合性隊(duì)伍。
公司選擇尺寸為0.6m×1.2m的單結(jié)鈣鈦礦。大尺寸鈣鈦礦組件效率行業(yè)領(lǐng)先。23年目標(biāo)量產(chǎn)效率為15~16%。公司2022年12月150MW產(chǎn)線(xiàn)投產(chǎn)運(yùn)行；2023年Q1計(jì)劃開(kāi)始建設(shè)GW產(chǎn)線(xiàn)；預(yù)計(jì)2026年底達(dá)到10GW產(chǎn)能。
2、晶硅鈣鈦礦疊層前景可期
相較于純鈣鈦礦電池路線(xiàn)，晶硅-鈣鈦礦疊層電池有望率先產(chǎn)業(yè)化。對(duì)于許多有硅技術(shù)積累的公司來(lái)說(shuō)，晶硅疊加鈣鈦礦是一個(gè)既能利用原有產(chǎn)線(xiàn)和技術(shù)積累、又能降本增效的路線(xiàn)。相較與Topcon疊層，鈣鈦礦與HJT疊層更合適，需要做的改造更少，同時(shí)鈣鈦礦/HJT疊層電池為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，輸出超高電壓，提高轉(zhuǎn)換效率。目前HJT-鈣鈦礦疊層電池實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)換效率目前已達(dá)到31.3%，已有多家硅電池廠商涉足。
（1）牛津光伏立足歐洲市場(chǎng)，學(xué)術(shù)背景實(shí)力雄厚
牛津光伏（Oxford PV）是英國(guó)牛津大學(xué)校辦公司，成立于2010年，致力于推動(dòng)歐洲光伏平價(jià)上網(wǎng)，自2012年開(kāi)始推動(dòng)鈣鈦礦晶硅太陽(yáng)能電池的商業(yè)化。聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席科學(xué)官是牛津大學(xué)物理學(xué)教授Henry J.Snaith，其帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)發(fā)表論文和專(zhuān)利600多篇，文章被引近11萬(wàn)，其團(tuán)隊(duì)關(guān)于鈣鈦礦器件的穩(wěn)定性研究對(duì)推動(dòng)鈣鈦礦商業(yè)化有重大影響。
牛津光伏路線(xiàn)選擇鈣鈦礦-HJT疊層電池。實(shí)驗(yàn)室效率處行業(yè)領(lǐng)先，1cm2能達(dá)29.52%，研發(fā)團(tuán)隊(duì)實(shí)力雄勁。公司2023年會(huì)有100MW產(chǎn)線(xiàn)投產(chǎn)；并計(jì)劃籌備2GW產(chǎn)線(xiàn)；目標(biāo)24年實(shí)現(xiàn)10GW產(chǎn)能。
（2）寶馨科技設(shè)立合資公司開(kāi)發(fā)鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)疊層電池
公司主營(yíng)業(yè)務(wù)按行業(yè)分類(lèi)智能制造業(yè)務(wù)、新能源業(yè)務(wù)和節(jié)能環(huán)保業(yè)務(wù)。智能制造業(yè)務(wù)包括光伏制程設(shè)備、重卡換電（車(chē)載/站端）設(shè)備、精密數(shù)控鈑金產(chǎn)品、軌道交通設(shè)備、精密自動(dòng)化設(shè)備、鍋爐配套設(shè)備、電氣設(shè)備、智能作業(yè)機(jī)器人等設(shè)備的設(shè)計(jì)研發(fā)、生產(chǎn)制造及銷(xiāo)售。新能源業(yè)務(wù)包括光伏電池及組件、光伏電站EPC、新能源汽車(chē)充/換電等業(yè)務(wù)。節(jié)能環(huán)保業(yè)務(wù)包括綜合能源調(diào)峰、環(huán)保設(shè)備等產(chǎn)品和項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)。
公司與西電張春福教授團(tuán)隊(duì)合作設(shè)立合資公司，開(kāi)發(fā)鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)疊層電池。新實(shí)驗(yàn)室正在籌劃中，預(yù)計(jì)將于2023年的上半年完成。根據(jù)發(fā)展規(guī)劃，2023年年底前將完成電池效率突破30%任務(wù)；2024年年底開(kāi)始建設(shè)100MW級(jí)產(chǎn)線(xiàn)，效率突破32%；力爭(zhēng)4年內(nèi)實(shí)現(xiàn)GW級(jí)量產(chǎn)線(xiàn)建設(shè)，效率提升率大于15%。
3、全鈣鈦礦疊層一枝獨(dú)秀
全鈣鈦礦疊層優(yōu)勢(shì)在于1）規(guī)避單結(jié)鈣鈦礦缺陷帶來(lái)的電池短路，減少對(duì)放大面積后的效率和穩(wěn)定性的影響，世界紀(jì)錄顯示，隨著面積的放大，疊層鈣鈦礦發(fā)電效率衰減的速度比單結(jié)慢；2）解決晶硅疊鈣鈦礦電池中的晶硅層與鈣鈦礦層壽命不一致的問(wèn)題；3）制作鈣鈦礦層用一步法，相對(duì)晶硅疊鈣鈦礦降低制作工藝難度。全鈣鈦礦疊層壁壘為寬窄帶隙配方、互連層的材料和工藝。
仁爍光能150WM產(chǎn)線(xiàn)正在建設(shè)中，預(yù)計(jì)2023年Q3投產(chǎn)。仁爍光能是目前鈣鈦礦廠家中唯一專(zhuān)注全鈣鈦礦疊層的組件廠商。公司由南京大學(xué)譚海仁教授創(chuàng)立于2021年12月，背靠南京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、中科院等知名高校和科研機(jī)構(gòu)，產(chǎn)業(yè)化管理團(tuán)隊(duì)為協(xié)鑫集團(tuán)原核心管理層之一，技術(shù)團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率方面數(shù)次創(chuàng)造世界紀(jì)錄。
目前公司已研發(fā)成功替代晶硅窄帶隙的鈣鈦礦層配方，成功實(shí)現(xiàn)全鈣鈦礦疊層組件，提效降本優(yōu)勢(shì)明顯；已成功研發(fā)疊層鈣鈦礦互連層配方和工藝；與德滬涂膜合作成功調(diào)試適配公司材料體系及工藝配方的狹縫涂布設(shè)備，快速實(shí)現(xiàn)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。在轉(zhuǎn)換效率上，22年12月仁爍光能官微發(fā)布消息稱(chēng)，經(jīng)日本JET第三方認(rèn)證，公司研發(fā)的全鈣鈦礦疊層電池穩(wěn)態(tài)光電轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)室效率達(dá)到29.0%。產(chǎn)業(yè)化效率單結(jié)能達(dá)到19%，疊層達(dá)到22%，工藝成熟以后可做到30%以上。
在產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)展方面，公司22年8月建成蘇州高新區(qū)10MW疊層產(chǎn)線(xiàn)（研發(fā)為主）；常熟150MW在建，先建單結(jié)產(chǎn)線(xiàn)跑通產(chǎn)線(xiàn)后建疊層，預(yù)計(jì)23Q4出貨，24年滿(mǎn)產(chǎn)；25年投入GW級(jí)，預(yù)計(jì)26年有產(chǎn)出。
4、各組件廠商電池路線(xiàn)、工藝選擇及產(chǎn)能布局情況
06
市場(chǎng)空間展望
1、供給端
（1）2025/2030鈣鈦礦市場(chǎng)空間預(yù)測(cè)
2025年鈣鈦礦組件市場(chǎng)空間達(dá)37.5億元，2030年達(dá)950億元。按照各家廠商發(fā)布的量產(chǎn)規(guī)劃，2023年合計(jì)鈣鈦礦組件產(chǎn)能1.25GW，2025年7.4GW，預(yù)計(jì)組件市場(chǎng)空間約37.5億元，2030年鈣鈦礦組件產(chǎn)能預(yù)計(jì)142GW，對(duì)應(yīng)市場(chǎng)空間約950億元，2022-2030CAGR達(dá)128%。
（2）鈣鈦礦材料端空間測(cè)算
鈣鈦礦需求高增帶動(dòng)設(shè)備及原材料需求空間廣闊，預(yù)計(jì)2030年設(shè)備及原材料空間達(dá)239/490億元。若2030年鈣鈦礦組件產(chǎn)量為95GW，產(chǎn)能對(duì)應(yīng)設(shè)備市場(chǎng)空間為239億元，其中鍍膜/激光/涂布/封裝設(shè)備為別為120/60/36/24億元；對(duì)應(yīng)鈣鈦礦材料市場(chǎng)空間28億元，玻璃市場(chǎng)空間259億元（FTO玻璃182億元，背板玻璃77億元），封裝材料市場(chǎng)空間98億元（POE膠膜及丁基膠各49億元），靶材市場(chǎng)空間105億元，玻璃及靶材因單位成本占比較高，價(jià)值量空間較大。
2、需求端鈣鈦礦需求空間廣闊，預(yù)計(jì)30年達(dá)95GW
光伏裝機(jī)需求向好疊加滲透率高增，鈣鈦礦組件市場(chǎng)空間廣闊。假設(shè)2023/2025/2030年全球光伏裝機(jī)分別為375/585/1319GW，組件在地面電站滲透率由2023年的0%逐步提升至2030年的3.0%，2025/2030年全球地面電站鈣鈦礦需求分別為2.3/25.0GW；在分布式中的滲透率由2023年的0.2%提升至2030年的9.4%，2025/2030全球分布式鈣鈦礦需求分別2.3/70.5GW，2025/2030整體市場(chǎng)空間為2.6/95.5GW，2022-2030CAGR達(dá)146%，市場(chǎng)空間廣闊。
07
趨勢(shì)展望
1、鈣鈦礦組件未來(lái)的生產(chǎn)成本有望大幅降低
未來(lái)隨著鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程不斷提速，鈣鈦礦設(shè)備與組件企業(yè)有望持續(xù)受益。對(duì)于鈣鈦礦組件企業(yè)來(lái)說(shuō)，隨著產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程加速和技術(shù)進(jìn)步，鈣鈦礦組件未來(lái)的生產(chǎn)成本有望大幅降低，屆時(shí)鈣鈦礦組件的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力將顯著提升，市場(chǎng)份額也將不斷提升。
2、疊層鈣鈦礦有望成為光伏領(lǐng)域的終極技術(shù)形態(tài)
憑借超高的光電轉(zhuǎn)換效率，未來(lái)鈣鈦礦與晶硅疊層的電池技術(shù)有望成為光伏領(lǐng)域的終極技術(shù)形態(tài)。
3、產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程加速
目前研發(fā)效率的快速進(jìn)步，正在為鈣鈦礦電池的產(chǎn)業(yè)化鋪路。同時(shí)不同的技術(shù)與設(shè)備路線(xiàn)均有企業(yè)布局，鈣鈦礦的產(chǎn)業(yè)化探索正在大規(guī)模鋪開(kāi)，產(chǎn)業(yè)化將加速發(fā)展。
關(guān)鍵詞： 太陽(yáng)能電池 電池效
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