鈣鈦礦電池行業(yè)研究革新性潛力大-產(chǎn)業(yè)化進(jìn)行時(shí)

鈣鈦礦電池行業(yè)研究革新性潛力大_產(chǎn)業(yè)化進(jìn)行時(shí)（報(bào)告出品方/作者：國(guó)海證券，李航、邱迪、彭若恒）一、鈣鈦礦電池：革新材料結(jié)構(gòu)，出眾性能特點(diǎn)鈣鈦礦電池：發(fā)展迅速的第三代太陽(yáng)能電池鈣鈦礦為第三代太陽(yáng)能電池代表：過去在60多年的時(shí)間里，已經(jīng)有三代太陽(yáng)能電池發(fā)展出來。第一代是以硅材料為基本材料的太陽(yáng)能電池，是目前最成熟的主流商業(yè)電池；第二代是薄膜太陽(yáng)能電池，以銅銦鎵硒(CIGS)、碲化鎘(CdTe)電池為代表，相比第一代具有厚度薄、光電轉(zhuǎn)化效率高等的優(yōu)勢(shì)，但部分因素也限制了這類電池的發(fā)展，如部分材料儲(chǔ)量稀少或有毒性，制備過程復(fù)雜等；第三代為新型太陽(yáng)能電池，主要包括鈣鈦礦太陽(yáng)能電池、染料敏化太陽(yáng)能電池、有機(jī)太陽(yáng)能電池和量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池。諸多出眾特性，從問世起至至備受高度高度關(guān)注，變成產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界熱點(diǎn)：鈣鈦礦電池在2009年才首次問世，但因其在理論轉(zhuǎn)換效率、發(fā)電能力、低生產(chǎn)成本、多應(yīng)用領(lǐng)域場(chǎng)景等方面的優(yōu)秀潛力，在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界受到了大量的高度高度關(guān)注和著重。從2021年至2022年，鈣鈦礦領(lǐng)域投資額已經(jīng)相符100億元。在之前的幾年中，據(jù)WebofScience統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其上的鈣鈦礦文章的數(shù)量增加至了不可思議的10000篇/每年。鈣鈦礦晶體：離子化合物半導(dǎo)體，出眾吸光性能鈣鈦礦材料就是兩大類具有ABX3結(jié)構(gòu)離子化合物的統(tǒng)稱。鈣鈦礦最初指代CaTiO3礦物，以俄羅斯礦物學(xué)家Perovski的名字命名，現(xiàn)在已經(jīng)變成兩大類具有ABX3相近結(jié)構(gòu)化合物的統(tǒng)稱。從晶體結(jié)構(gòu)來看，A十一位陽(yáng)離子占據(jù)正方體的八個(gè)頂點(diǎn)，陰離子X填充在晶格6個(gè)面的中心邊線，而B十一位陽(yáng)離子則座落在正方體晶格的體心邊線，其中BX3又構(gòu)成了一個(gè)正八面體。光伏領(lǐng)域鈣鈦礦材料通常為有機(jī)無機(jī)鹵化物鈣鈦礦材料。1）A十六位正一價(jià)的有機(jī)或無機(jī)陽(yáng)離子，主要為甲胺離子（CH3NH2+，直和MA+）、甲脒離子（CH(NH2)2+，直和FA+）和金屬銫離子（Cs+），2）B十六位正二價(jià)的金屬離子，涵蓋亞鉛離子（Pb2+）、亞錫離子（Sn2+）和亞鍺距子（Ge2+）等，3）X十六位正數(shù)一價(jià)的鹵素陰離子，主要為碘離子（I-），溴離子（Br-），氯離子（Cl-）。鈣鈦礦材料用做制作太陽(yáng)能電池具備出眾的光電性能。鈣鈦礦材料作為一種半導(dǎo)體材料，不僅可以通過光生伏特效應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)型為電能，還具有獨(dú)特性能：1）載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度長(zhǎng)，激子結(jié)合能低，更容易解離為民主自由載流子，有利于形成有效率光電流，2）光吸收系數(shù)高，鈣鈦礦為輕而易舉提著隙半導(dǎo)體光吸收系數(shù)比硅低于很多，有效率減小了吸光層所需的厚度和收集光生載流子的難度，3）非電磁輻射無機(jī)低，鈣鈦礦晶粒的大小和晶界在一定范圍站內(nèi)對(duì)瑕疵密度的影響不是非常小，有利于高開壓和高效率。工作原理：光生載流子同時(shí)同時(shí)實(shí)現(xiàn)分拆，調(diào)節(jié)器提著隙打破晶硅效率上限鈣鈦礦材料提著隙根據(jù)組分的相同可以在非常大的范圍內(nèi)已已連續(xù)調(diào)節(jié)。與硅、砷化鎵等具備緊固帶隙的半導(dǎo)體材料相同，鈣鈦礦晶體成分本身具有多樣性，因此其禁帶寬度也并不套管，而是隨ABX3結(jié)構(gòu)中各元素類型和含量相同而變化，理論范圍少于1.15-3.06eV，并能同時(shí)同時(shí)實(shí)現(xiàn)已已連續(xù)調(diào)節(jié)器。具體內(nèi)容來看，通在常A十一位陽(yáng)離子半徑越大，鈣鈦礦材料提著隙越大，B位隨用Sn替代Pb的含量增加，提著隙將可以減小，X十一位Br離子的摻雜則可以并使提著隙增大。在鈣鈦礦材料的帶隙全面全面覆蓋范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)單結(jié)太陽(yáng)能電池最輕理論效率。提著隙就是同意半導(dǎo)體利用太陽(yáng)光能力的似乎因素之一，因?yàn)橄嗤l率太陽(yáng)光的能量相同，窄帶隙半導(dǎo)體的電子無法被長(zhǎng)波光所喚醒，寬帶隙半導(dǎo)體雖然可以利用的光波范圍廣，但光子能量的利用率低，根據(jù)肖克利-奎瑟音速（Shockley–Queisserlimit），單結(jié)太陽(yáng)能電池的理想提著隙必須為1.4eV，該提著隙下降太陽(yáng)光能量轉(zhuǎn)換為電能的轉(zhuǎn)換效率為33.7%。較之之下，硅的帶隙僅為1.12eV，理論轉(zhuǎn)換效率為29.4%，因此鈣鈦礦電池在轉(zhuǎn)換效率方面多于晶硅電池。電池結(jié)構(gòu)：通常五層基本結(jié)構(gòu)，可以制作疊層電池相同提著隙半導(dǎo)體材料構(gòu)成疊層電池，可以獲得多于40%的轉(zhuǎn)換效率。單一半導(dǎo)體材料對(duì)太陽(yáng)光能量的利用能力非常非常有限，而相同帶隙的材料對(duì)太陽(yáng)光中相同波長(zhǎng)部分的利用能力相同，因此如果將兩種以上的材料上下疊層放置，把帶隙較寬的材料放到上方以主要吸收利用短波長(zhǎng)的光，提著隙較寬材料放到下方以主要利用長(zhǎng)波長(zhǎng)的光，則能提升太陽(yáng)光全系列光譜的吸收率，更大程度的利用太陽(yáng)光能量，獲得更高的轉(zhuǎn)換效率，根據(jù)理論計(jì)稱得上，兩種材料疊層電池的效率可以達(dá)致40%以上。鈣鈦礦較寬且可以調(diào)節(jié)的帶隙就是生產(chǎn)電池的較好材料。鈣鈦礦材料提著隙可以達(dá)致1.5eV以上，就是作為疊層頂上電池的較好挑選出，可以與晶硅等窄帶隙材料進(jìn)行搭配，另一方面，兩種相同帶隙的鈣鈦礦材料也能相互融合，制作全系列鈣鈦礦疊層電池。二、產(chǎn)業(yè)化潛力：著重先天優(yōu)勢(shì)，核心挑戰(zhàn)等候解決科研端的轉(zhuǎn)換效率突破快速，較弱發(fā)電能力潛力著重高理論潛力下，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率進(jìn)步迅速，研發(fā)進(jìn)展遠(yuǎn)超晶硅電池。自日本學(xué)者TsutomuMiyasaka在2009年第一次將鈣鈦礦電池制作而成，在過去十多年里鈣鈦礦電池的效率在科研端進(jìn)步十分迅速，完成了晶硅電池五十年的突破歷程。最初鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)換效率僅3.8%，后續(xù)隨材料、結(jié)構(gòu)、工藝等方面的持續(xù)優(yōu)化，在3年左右的時(shí)間里便將效率記錄提升到了10%以上，6年左右便達(dá)到了20%以上。在2023年7月，中國(guó)學(xué)者再次完成重大突破，將單結(jié)鈣鈦礦電池的認(rèn)證效率記錄提升到了26.1%，逼近隆基綠能公司不久前所創(chuàng)造的晶硅電池效率記錄26.81%的效率記錄。生產(chǎn)端的材料養(yǎng)胃、生產(chǎn)鏈意味深長(zhǎng)，平添產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)步入成熟階段后，鈣鈦礦組件成本預(yù)期可以降至0.5-0.6元/W，極具競(jìng)爭(zhēng)力：按照通常新技術(shù)發(fā)展規(guī)律，隨其鈣鈦電池技術(shù)的不斷明朗和大規(guī)模運(yùn)用，組件的效率、生產(chǎn)良率等都除了提升空間，規(guī)模效應(yīng)下運(yùn)營(yíng)成本將不斷下降，設(shè)備端的也料持續(xù)降本，根據(jù)協(xié)鑫光電此前數(shù)據(jù)，百兆瓦級(jí)鈣鈦礦產(chǎn)線下組件效率料在近一兩年內(nèi)陸續(xù)突破18%、20%，單瓦生產(chǎn)成本將大于1元/W，當(dāng)鈣鈦礦電池達(dá)致5-10GW級(jí)別量產(chǎn)后，成本可以降至0.5-0.6元/W，屆時(shí)較之晶硅電池就可以說明出明顯優(yōu)勢(shì)。規(guī)模量產(chǎn)核心挑戰(zhàn)——穩(wěn)定性與大尺寸制作鈣鈦礦電池的使用壽命非常大程度受限于穩(wěn)定性，變成產(chǎn)業(yè)化主要挑戰(zhàn)：太陽(yáng)能電池的發(fā)電能力通常可以隨其工作時(shí)間的增加而逐步弱化，維持一定的基本轉(zhuǎn)換效率水平的時(shí)間就是電池的壽命，在一定的初始成本下，太陽(yáng)能電池的壽命愈長(zhǎng)，生命周期總計(jì)發(fā)電量就越多，度電成本LCOE也越高。但由于鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性極差，使用壽命相對(duì)比較短，早期僅有幾分鐘，在過去的報(bào)導(dǎo)中通常較長(zhǎng)也僅有幾千小時(shí)，而當(dāng)下晶硅電池的壽命長(zhǎng)少于25年以上，因此穩(wěn)定性變成鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)化的主要挑戰(zhàn)。鈣鈦礦電池的不穩(wěn)定性來源于鈣鈦礦材料本身的無法均衡，以及電池整體材料結(jié)構(gòu)的無法均衡，對(duì)環(huán)境因素十分虛弱。鈣鈦礦晶體屬于離子晶體，工作中鹵素離子容易發(fā)生移動(dòng)水解，同時(shí)還可能將將與傳輸層、電極材料發(fā)生負(fù)面反應(yīng)，進(jìn)一步導(dǎo)致電池的水解失靈。另一方面，水分、氧氣和紫外光都會(huì)促進(jìn)鈣鈦礦電池的水解，而當(dāng)溫度較低的時(shí)候，鈣鈦礦也可以遭遇水解問題，同時(shí)水氧的水解效果將可以加強(qiáng)。技術(shù)升級(jí)多方面積極探索，可靠性證書時(shí)間檢驗(yàn)制作高效率、均衡的大尺寸鈣鈦礦電池，諸多技術(shù)手段在不斷積極探索：鈣鈦礦電池的效率、穩(wěn)定性和尺寸面積具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，在一定的工藝技術(shù)水平下三者往往難以得后任，就可以贏得一個(gè)最優(yōu)的均衡，為了提升電池經(jīng)濟(jì)性，真正同時(shí)同時(shí)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化，諸多技術(shù)手段在不斷積極探索：1）優(yōu)選材料及組分：進(jìn)一步進(jìn)一步增強(qiáng)鈣鈦礦電池穩(wěn)定性的關(guān)鍵方法，在鈣鈦礦材料層面可以采用混合有機(jī)陽(yáng)離子，或引入長(zhǎng)鏈有機(jī)陽(yáng)離子形成二維/三維鈣鈦礦，提高穩(wěn)定性，傳輸層材料方面可以采用如CuCrO2無機(jī)空穴傳輸材料2）膜層提高與潤(rùn)色工程：鈣鈦礦電池各膜層的質(zhì)量及特性既同意電池效率又能同意其穩(wěn)定性，也就是大尺寸制作的主要痛點(diǎn)，可以通過溶劑工程、界面工程和添加劑工程等方式進(jìn)行優(yōu)化提升，具體內(nèi)容涵蓋采用反溶劑、增加緩沖器層、前驅(qū)體溶液使用添加劑等方式，就是技術(shù)升級(jí)的關(guān)鍵手段。3）提升PCB工藝：水分和氧氣入侵就是鈣鈦礦電池不穩(wěn)定性兩小主要原因，因此可以采用密封性更好的材料和工藝，比如氟硅聚合物凝膠。4）膜層制作新工藝：比如采用真空閃蒸輔助溶液工藝制作大面積鈣鈦礦層。多樣外觀平添價(jià)值，嶄新應(yīng)用領(lǐng)域場(chǎng)景提供更多更多產(chǎn)業(yè)化橋梁鈣鈦礦電池可以展示出多彩、高透明化、柔性化等多樣外觀：鈣鈦礦材料具備較好吸光性能，膜層可以搞得很薄，其材料特性給電池外觀提供更多更多了多樣的研發(fā)空間，比如多樣色彩、半透明、柔性可以彎曲等，同時(shí)也能保證一定的發(fā)電效率。新興光伏運(yùn)用場(chǎng)景發(fā)電收益及使用壽命建議相對(duì)較低，料變成鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化先期突破口：鈣鈦礦組件產(chǎn)品受當(dāng)前轉(zhuǎn)換效率、長(zhǎng)期使用壽命等因素管制，在通常光伏電站領(lǐng)域經(jīng)濟(jì)性尚難與晶硅產(chǎn)品較之。但在BIPV（建筑光伏一體化）、CIPV（車載光伏）、消費(fèi)電子等光伏應(yīng)用領(lǐng)域領(lǐng)域，高發(fā)電收益并不一定就是單一的主要考量因素，使用壽命也并不一定仍須太短，而鈣鈦礦電池多樣的外觀優(yōu)勢(shì)能贏得較好的充分發(fā)揮，較弱的弱光發(fā)電能力也能在室內(nèi)、早晚等常用場(chǎng)景突顯出優(yōu)勢(shì)，因此料變成培育鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的關(guān)鍵先期市場(chǎng)。三、量產(chǎn)生產(chǎn)方案已經(jīng)已經(jīng)開始明朗，多種路線同步大力大力推進(jìn)單結(jié)鈣鈦礦電池：工業(yè)化生產(chǎn)已形成基本工藝方案單結(jié)鈣鈦礦電池與組件為一體器件，生產(chǎn)工序一體化，已形成基本方案。鈣鈦礦電池還處于產(chǎn)業(yè)化比較早期階段，諸多技術(shù)工藝細(xì)節(jié)尚未定型，但對(duì)于單結(jié)鈣鈦礦電池而言，基本的制作流程已經(jīng)證實(shí)，由于單結(jié)鈣鈦礦電池與組件呈現(xiàn)一體化特點(diǎn)，制作電池的工序同時(shí)也就是制作組件的工序，整個(gè)組件的制作工藝可以分為陳文杰電池的制作和后道PCB兩部分：陳文杰電池制作：主要就是在玻璃基板上制作鈣鈦礦電池的各個(gè)功能層，并利用激光將整塊電池劃分為若干子電池，形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)。后道組件PCB：利用膠膜、玻璃蓋板等將內(nèi)部結(jié)構(gòu)密封保護(hù)，并安裝接線盒等與外部電路相連接的設(shè)備，不少工序與晶硅組件相近，其中層壓就是最核心的工序，膠膜方面必須使用力阻水性強(qiáng)的POE，同時(shí)還仍須協(xié)同使用丁基膠進(jìn)一步防止水汽步入。鈣鈦礦層：狹縫涂敷相對(duì)主流，蒸鍍法潛力大濕法工藝制作大面積鈣鈦礦層。將鈣鈦礦的組分原料制成溶液，通過涂敷或者噴涂等方式涂覆在基底上，隨后原料相互反應(yīng)形成鈣鈦礦晶體薄膜。濕法工藝可以分為：1）一步法，將鹵化鉛碘化鉛PbI2和碘甲銨MAI等組分原料制成前驅(qū)體溶液，一次性涂覆后輕而易舉結(jié)晶形成鈣鈦礦層，2）兩步法，先將碘化鉛PbI2等鹵化物在傳輸層基底上制成薄膜，再在其上時(shí)涂覆浸潤(rùn)碘甲銨鹽MAI等另外的組分溶液，形成鈣鈦礦晶體層?？傮w來看，一步法工藝直觀，但仍須通過吹氣、堿液反華溶劑等對(duì)結(jié)晶進(jìn)行掌控，存一定難度，兩步法制作出的鈣鈦礦膜層平整度更好、晶粒更大、重復(fù)性強(qiáng)。傳輸層：干法真空鍍膜居多，PVD融合RPD運(yùn)用最甚廣真空鍍膜就是鈣鈦礦電池傳輸層相對(duì)主流的制作方式。傳輸層可以挑選出的材料相對(duì)多樣，但考量產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，除了仍須具備較好的載流子傳輸能力，更仍須考量長(zhǎng)時(shí)間使用的穩(wěn)定性、材料的只須性和大規(guī)模制作的工藝情況。當(dāng)前真空鍍膜干法中的PVD和RPD就是制作傳輸層相對(duì)主流的方法：磁控濺射物理氣象沉積（PVD）：即為在一個(gè)電場(chǎng)與磁場(chǎng)相互縱向的真空中，將擾動(dòng)的氬氣電離為氬離子（Ar+）和電子，氬離子在磁場(chǎng)的促進(jìn)作用下飛向靶材，靶原子被火山爆發(fā)后崩潰原來晶格的束縛氣化，逐步熔化至基板表面沉積成膜。其特點(diǎn)就是：1）技術(shù)相對(duì)明朗，能噴發(fā)物的材料廣為，2）成膜較快且光滑性不好，能大面積成膜，3）靶材利用率較低，通常嚴(yán)重不足40%，4）粒子能量較低，可能將將對(duì)基底引致空襲損壞。反應(yīng)式等離子體沉積（RPD）：本質(zhì)也就是PVD的一種，不過就是通過等離子發(fā)生器升空等離子流，經(jīng)過磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)打在坩堝中的靶材上，并使之升華后沉積在基片上。其特點(diǎn)就是：1）鍍膜過程中粒子能量小，避免基底損壞；2）可以在相對(duì)低溫條件下沉積高質(zhì)量薄膜；3）原材料利用相對(duì)較低；4）技術(shù)壁壘較低，專利被日本住友掌控。四、鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)新星涌現(xiàn)，晶硅企業(yè)著力布局新興電池企業(yè)嘻笑怒罵，從“0至1”生力軍國(guó)內(nèi)新興鈣鈦礦電池企業(yè)涌現(xiàn)，研發(fā)實(shí)力不俗，成果頻出。近年來，國(guó)內(nèi)對(duì)鈣鈦礦電池技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化研究持續(xù)加深，陸續(xù)涌現(xiàn)出以協(xié)鑫光電、纖納光電、極電光能等為代表的一批優(yōu)秀企業(yè)，其創(chuàng)始人、核心技術(shù)團(tuán)隊(duì)通常擁有深厚的研究機(jī)構(gòu)背景和豐富的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，不少在鈣鈦礦領(lǐng)域擁有較強(qiáng)的影響力。而在技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)方面，這些企業(yè)團(tuán)隊(duì)不斷打破鈣鈦礦電池組件認(rèn)證效率記錄，并在大面積和穩(wěn)定性方面持續(xù)取得積極進(jìn)展，部分已經(jīng)開發(fā)出可商業(yè)化運(yùn)用的組件產(chǎn)品。此外，如寶馨科技、寧德時(shí)代上市公司也在搭建核心團(tuán)隊(duì)進(jìn)行布局。百兆瓦級(jí)產(chǎn)線紛紛建立，GW級(jí)產(chǎn)線為“從0至1”關(guān)鍵一步，料在2025年以前已經(jīng)已經(jīng)開始回調(diào)。國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)化研發(fā)團(tuán)隊(duì)的技術(shù)突破也取悅了諸多產(chǎn)業(yè)資本，在融資朝拜下尚無數(shù)條百兆瓦級(jí)鈣鈦礦組件產(chǎn)線投入使用，我們預(yù)計(jì)時(shí)程還可以存越來越多的產(chǎn)線落地。另一方面，光伏電池技術(shù)仍須通過GW級(jí)量產(chǎn)回去突顯產(chǎn)業(yè)化的規(guī)模效應(yīng)，也就是鈣鈦礦電池同時(shí)同時(shí)實(shí)現(xiàn)技術(shù)成熟度和經(jīng)濟(jì)性突破的關(guān)鍵一步，目前未有不少企業(yè)明確提出了GW級(jí)產(chǎn)線的規(guī)劃，我們預(yù)計(jì)在技術(shù)進(jìn)展順利的情況下，GW級(jí)產(chǎn)線建設(shè)料在2025年前已經(jīng)已經(jīng)開始回調(diào)。晶硅電池企業(yè)著力布局，以疊層為主要方向晶硅電池主要企業(yè)皆在研發(fā)端的進(jìn)行布局，疊層電池為主要方向：對(duì)于傳統(tǒng)晶硅電池企業(yè)，無論是隆基、晶科、通威等電池組件龍頭，或是華晟、一道、中來等新生代，基本都存在鈣鈦礦技術(shù)方面存專門的研發(fā)布局，不少已經(jīng)資金投入較長(zhǎng)時(shí)間并贏得階段性成果。布局的重點(diǎn)方向以鈣鈦礦/晶硅兩端疊層居多，晶硅電池企業(yè)本身掌控明朗的晶硅技術(shù)，疊層電池則料并使其舊有產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步沿用，變成下一次關(guān)鍵性技術(shù)運(yùn)算。五、