鈣鈦礦行業(yè)分析鈣鈦礦電池：

第三代太陽能電池，優(yōu)勢明顯，應(yīng)用前景廣闊鈣鈦礦簡介及鈣鈦礦電池工作原理狹義的鈣鈦礦指CaTiO3這種礦物，廣義的鈣鈦礦指具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的ABX3型化合物。鈣鈦礦電池中的鈣鈦礦層通常指有機(jī)/無機(jī)金屬鹵化物ABX3。其中A代表一價(jià)有機(jī)或無機(jī)陽離子（如甲胺離子CH3NH3+、銫離子Cs+、銣離子Rb+等）；B代表二價(jià)金屬陽離子（如鉛離子Pb2+、錫離子Sn2+、鍺離子Ge2+）；X代表一價(jià)鹵素陰離子（如溴離子Br-、碘離子I-、氯離子Cl-）。鈣鈦礦電池的工作原理與晶硅電池類似。光生電動勢的物理過程為：鈣鈦礦吸光層吸收光子之后，電子吸收能量從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，形成電子-空穴對。電子與空穴對在吸光層內(nèi)部迅速分開，分別通過電子傳輸層（ETL）、空穴傳輸層(HTL)輸送到陰極、陽極，隨著電子和空穴在陽極和陰極堆積，兩極之間產(chǎn)生光生電動勢，進(jìn)而產(chǎn)生光電流。鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池可分為單節(jié)太陽能電池和疊層太陽能電池兩種技術(shù)路線。單節(jié)鈣鈦礦太陽能電池：主要由電子傳輸層（ETL）、鈣鈦礦吸光層、空穴傳輸層（HTL）以及電極組成。鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)可以分為正式結(jié)構(gòu)（n-i-p）和倒置結(jié)構(gòu)（p-i-n）兩種類型，其中n代表電子傳輸層（ETL），i代表鈣鈦礦吸光層，p代表空穴傳輸層（HTL）。ETL：電子傳輸層，必須滿足與鈣鈦礦層良好接觸，使得電子在傳輸過程中的潛在勢壘降低，并且在完成電子傳輸?shù)耐瑫r(shí)阻止空穴向陰極傳輸；目前多采用介孔層結(jié)構(gòu)，采用TiO2或Al2O3，還可起到結(jié)構(gòu)支撐作用。HTL：空穴傳輸層，需要與鈣鈦礦層有良好的異質(zhì)結(jié)接觸界面，減少空穴傳輸過程中的潛在勢壘，完成空穴傳輸?shù)耐瑫r(shí)阻止電子向陽極移動?？昭▊鬏攲涌梢詾橛袡C(jī)物（比如spiro-OMeTAD小分子材料），也可以為無機(jī)化合物（比如碘化銅、氧化鎳等）。n-i-p結(jié)構(gòu)中，可包含致密層結(jié)構(gòu)（一般為TiO2、ZrO2或其他金屬化合物

），主要起收集與傳輸電子和阻擋空穴的作用，其厚度可以對電池性能產(chǎn)生重要影響。透明電極：一般選用商業(yè)化的ITO（氧化銦錫）或者FTO氧化物（氟摻雜氧化錫）導(dǎo)電玻璃。其在可見光波段的透光率高達(dá)80-90%、導(dǎo)電能力強(qiáng)、功函數(shù)合適。鈣鈦礦層是光吸收層，吸收光并產(chǎn)生電子空穴對，通常為有機(jī)金屬鹵化物?？傮w而言，鈣鈦礦電池屬于第三代電池，優(yōu)點(diǎn)眾多對比染料敏化電池、全固態(tài)薄膜電池等，鈣鈦礦優(yōu)勢明顯：成本低廉、低碳、綜合性能優(yōu)良、可形成疊層電池、可制備高效柔性器件、極限效率更高等。染料敏化電池為保證光能的充分吸收，吸收層厚度至少要在10μm以上，但載流子和空穴對擴(kuò)散長度沒那么長，因此染料敏化電池對光吸收利用有局限。鈣鈦礦具備極高的消光系數(shù)，400nm厚的薄膜即可吸收紫外-近紅外光譜范圍內(nèi)的大部分光子。同時(shí)，載流子、空穴對擴(kuò)散長度可高達(dá)1μm，極大減小載流子復(fù)合，進(jìn)而使鈣鈦礦的開路電壓、短路電流及填充因子均有提升，電池性能明顯改善。從各類電池的極限轉(zhuǎn)換效率來看，鈣鈦礦單層、鈣鈦礦/硅雙節(jié)層、鈣鈦礦三節(jié)層電池電能極限效率分別為31%、35%、45%，高于其他結(jié)構(gòu)類型電池。相關(guān)缺點(diǎn)：鈣鈦礦電池暴露在空氣中時(shí)會與水發(fā)生反應(yīng)，抗熱、抗?jié)衲芰Σ?，且其中含有的鉛溶于水還會造成環(huán)境污染。效率、穩(wěn)定性與產(chǎn)業(yè)規(guī)?；前l(fā)展核心鈣鈦礦電池效率發(fā)展迅速，2015年以來效率快速提升鈣鈦礦電池的產(chǎn)業(yè)化需要滿足效率高、穩(wěn)定性好和產(chǎn)線規(guī)?；齻€前提條件。在效率提升方面，僅用13年的時(shí)間，鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)換效率就由3.8%提升至31.3%，鈣鈦礦電池發(fā)展較為迅速。近期，鈣鈦礦硅疊層光伏電池技術(shù)轉(zhuǎn)化率再創(chuàng)新高：洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）和瑞士電子與微技術(shù)中心（CSEM）創(chuàng)造的最新記錄為31.3％。國內(nèi)團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦疊層電池研發(fā)進(jìn)度較快，目前南京大學(xué)譚海仁團(tuán)隊(duì)鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層太陽能電池最高認(rèn)證效率達(dá)到28%（0.049cm2）。穩(wěn)定性：鈣鈦礦電池穩(wěn)定性持續(xù)提升新型鈣鈦礦太陽能電池在潮濕、光照條件下穩(wěn)定性較差，由此會產(chǎn)生分解，最終降低器件的效率。當(dāng)太陽光為鈣鈦礦電池提供產(chǎn)生電能所需的光子能量時(shí)，也損害了鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性。隨著時(shí)間的推移，會影響效率的表現(xiàn)。如果有足夠的光照，會引發(fā)連鎖反應(yīng)，在連鎖反應(yīng)中，越來越多的碘化物在富含碘化物的地區(qū)聚集，越來越多的溴化物被擠出。隨后化合物的分離傾向于在這些低帶隙區(qū)域捕獲產(chǎn)生電的光載流子，嚴(yán)重阻礙電池的效率。此外，由于鈣鈦礦電池一般為有機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦電池，有毒鉛的存在對環(huán)境和健康也有害。穩(wěn)定性對于降低成本也有重要意義：纖納光電科技CEO姚冀眾博士表示，若鈣鈦礦太陽能組件能夠保持30年穩(wěn)定性的，即使轉(zhuǎn)換效率和PERC組件相當(dāng)，大規(guī)模應(yīng)用后，也能將太陽能度電成本（LCOE）降低至0.2元。目前國內(nèi)外MPP穩(wěn)定性水平（鈣鈦礦電池在最大光功率輸出點(diǎn)MPP處的長期運(yùn)行穩(wěn)定性時(shí)間）一般在幾千小時(shí)。近年來，鈣鈦礦電池穩(wěn)定性已有很大提升。鈣鈦礦電池產(chǎn)能成本更具優(yōu)勢晶硅太陽能電池需要經(jīng)歷硅料、硅片、電池、組件四個環(huán)節(jié)，在每個環(huán)節(jié)都出現(xiàn)了不同的龍頭企業(yè)。而鈣鈦礦的生產(chǎn)流程可以在一間工廠內(nèi)完成，將玻璃、膠膜、靶材、化工原料加工成組件。傳統(tǒng)晶硅太陽能電池供應(yīng)鏈需要在多個工廠、多個環(huán)節(jié)流轉(zhuǎn)，耗時(shí)最少需要三天，而鈣鈦礦可在單一工廠內(nèi)45分鐘走完全部流程。鈣鈦礦生產(chǎn)流程更簡單，鈣鈦礦組件不需要經(jīng)歷串焊等生產(chǎn)過程。鈣鈦礦電池產(chǎn)能成本更具優(yōu)勢。光伏企業(yè)投資1GW產(chǎn)能GaAs（Tum-key線）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10億元左右；工藝成熟條件下測算，1GW產(chǎn)能鈣鈦礦電池投資金額約5億元，約為晶硅電池投資金額的50%，GaAs（Tum-key線）的10%。電池生產(chǎn)設(shè)備：

鍍膜、涂布、激光設(shè)備PVD設(shè)備：設(shè)備技術(shù)相對成熟，在HJT已有應(yīng)用鍍膜設(shè)備：根據(jù)膜層使用的材料，制備透明導(dǎo)電薄膜、空穴傳輸層、電子傳輸層、電極可使用PVD&RPD鍍膜設(shè)備。部分企業(yè)鈣鈦礦電池包含陽極緩沖層、陰極緩沖層設(shè)計(jì)亦可使用鍍膜設(shè)備。PVD&RPD設(shè)備技術(shù)相對成熟，在HJT已有應(yīng)用。PVD設(shè)備：采用直流磁控濺射的方式，氬氣離子在電場與磁場引導(dǎo)下達(dá)到靶材上，將靶材原子分子濺射到襯底以制備透明氧化物導(dǎo)電薄膜，可以采用自上朝下或自下朝上的沉積結(jié)構(gòu)。設(shè)備價(jià)格便宜，鍍膜膜厚均勻易控制，工藝穩(wěn)定可控，重復(fù)性較好，靶材壽命較長，適合連續(xù)生產(chǎn)，但離子轟擊可能對其他膜層造成損傷。RPD設(shè)備：使用等離子體經(jīng)磁場偏轉(zhuǎn)后轟擊到靶材上，等離子束將靶材原子分子轟擊出來，升華后沉積到樣品上形成透明導(dǎo)電薄膜。RPD工藝具有低離子體轟擊損傷、低沉積溫度、高解離率、具有大面積沉積和高鍍膜速率。目前RPD設(shè)備售價(jià)相對較高。鈣鈦礦薄膜制備工藝：一步溶液法鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶度是影響器件性能的關(guān)鍵因素，因此鈣鈦礦制備工藝的核心是如何提高薄膜質(zhì)量。傳統(tǒng)一步溶液旋涂法中，溶劑較長時(shí)間殘留在鈣鈦礦薄膜里，導(dǎo)致碘化鉛形成晶體析出，使鈣鈦礦晶體較多針孔，影響成膜質(zhì)量。使用快速結(jié)晶去除溶劑的方法，可以讓前驅(qū)物幾乎同時(shí)析出，碘化鉛能迅速和有機(jī)配合物反應(yīng)形成鈣鈦礦結(jié)構(gòu)而不會析出。快速結(jié)晶的工藝包括滴涂法、氣體輔助法兩類。退火也有助于改善成膜質(zhì)量，通過晶體重新結(jié)晶，可以對薄膜進(jìn)行較好修復(fù)。早期多采用熱退火方式，近年激光退火因可以在樣品上實(shí)現(xiàn)大面積超快退火而被關(guān)注。激光設(shè)備：激光開槽在鈣鈦礦電池有多道應(yīng)用激光在鈣鈦礦電池應(yīng)用主要為激光開槽，打開部分膜層，達(dá)到阻斷導(dǎo)電，形成單模塊、電池分片的目的。打開透明導(dǎo)電薄膜：PVD沉積透明導(dǎo)電薄膜后，第一道激光開槽打開透明導(dǎo)電薄膜，并沉積空穴傳輸層或者鐵電絕緣層，將導(dǎo)電薄膜分割成多個子單元。依次制備空穴傳輸層、鈣鈦礦層及電子傳輸層后，第二道激光打開空穴傳輸層、鈣鈦礦層、電子傳輸層。在此基礎(chǔ)上，在槽內(nèi)及電子傳輸層表面采取蒸鍍方式制備電極金屬。電極金屬沉積完成后，第三道激光打開電極金屬層、空穴傳輸層、鈣鈦礦層、電子傳輸層，以完成鈣鈦礦電池片的分片。第四道激光主要將電池邊緣的各層沉積膜去除，起到激光清邊的作用。涂布設(shè)備競爭格局及近期進(jìn)展涂布設(shè)備：應(yīng)用于鈣鈦礦層涂布環(huán)節(jié)。此外，根據(jù)電子傳輸層、空穴傳輸層、電子緩沖層、空穴緩沖層等材料的選擇不同，亦可采用涂布工藝。行業(yè)內(nèi)主要企業(yè)為德滬涂膜、眾能光電、大正微納等，其中，德滬涂膜開發(fā)的全球首套用于鈣鈦礦-晶硅疊層核心涂膜設(shè)備系統(tǒng)于2022年3月驗(yàn)收