鈣鈦礦電池行業(yè)市場分析

崛起的第三代太陽能電池，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程再提速

1.引言

光伏發(fā)電已進(jìn)入了平價時代，下一步即是向光儲平價時代邁進(jìn)，在這

個過程中，行業(yè)降本增效的訴求更為強(qiáng)烈。實(shí)現(xiàn)降本增效的主要路徑

即是在制造端不斷進(jìn)行技術(shù)迭代，我們認(rèn)為把握新技術(shù)發(fā)展為光伏行

業(yè)主要推薦投資主線之一。目前太陽能電池技術(shù)正在從傳統(tǒng)P型

PERC電池向TOPCon>HJT、xBC等N型技術(shù)過渡。更遠(yuǎn)期來看，

從效率來看，晶硅電池埋論極限轉(zhuǎn)換效率為29.43%,單結(jié)/疊層鈣鈦

礦電池理論轉(zhuǎn)換效率將達(dá)到33%/45%,鈣鈦礦電池具有更大的效率

提升潛力；從成本來看，在原材料成本低、能耗低、生產(chǎn)效率高等助

力下，大規(guī)模量產(chǎn)后的鈣鈦礦組件生產(chǎn)成本僅為晶硅組件極限成本的

50%o鈣鈦礦電池的發(fā)展有望推動行業(yè)進(jìn)一步降本增效，向光儲平價

時代邁進(jìn)。鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)目前仍處于從0到1的階段，但產(chǎn)'業(yè)化進(jìn)

程正在不斷提速：今年多家企業(yè)百兆瓦產(chǎn)線落地投產(chǎn)，預(yù)計GW級

設(shè)備招標(biāo)有望在年內(nèi)啟動，GW級產(chǎn)線有望在明后年落地。從投資角

度來看，我們認(rèn)為鈣鈦礦主題有望受到持續(xù)關(guān)注，相關(guān)設(shè)備及核心輔

材將率先迎來投資機(jī)遇。

2.簡介：第三代新型太陽能電池，轉(zhuǎn)換效率飛速提升

2.1.定義及原理：鈣鈦礦指具有ABX3型化學(xué)組成的化合物，發(fā)電原

理基于光生伏特效應(yīng)

鈣鈦礦誕生于1839年，廣義鈣鈦礦指具有ABX3型化學(xué)組成的化合

物。1839年，鈣鈦礦(Perovskite)被俄羅斯科學(xué)家發(fā)現(xiàn)并以其名字

來命名。1978年，Weber將甲俊離子引入晶體中，便形成了具有三

維結(jié)構(gòu)的有機(jī)■無機(jī)雜化鈣鈦礦材料(為鈣鈦礦太陽能電池的重要原

材料)。鈣鈦礦太陽能電池是利用鈣鈦礦型的有機(jī)金屬鹵化物半導(dǎo)體

作為吸光材料的太陽能電池。廣義的鈣鈦礦是指具有ABX3型的化學(xué)

組成的化合物，其中A(A=Pb2+,Na+,Sn2+,Sr2+,K+,Ca2+,Ba2+

等)是大半徑的陽離子，B(B=Ti4+,Mn4+,Zr4+,Fe3+,Ta5+等)是

小半徑的陽離子，X(X=F-,CI-,Br?,l-Q2-等)為陰離子。

ABX3有機(jī)■無機(jī)雜化鈣鈦礦材料更適用于光伏領(lǐng)域，其具有三維結(jié)構(gòu)。

在眾多鈣鈦礦材料類型里，具有高介電常數(shù)的BaTQ3或一些金屬氧

化物鈣鈦礦(如PbTiO3、SrTiO3.BiFeO3等)吸光能力較差，在

收集自由電荷方面效率較低，不適用于光伏領(lǐng)域。相比之下，Weber

首次發(fā)現(xiàn)的具有三維結(jié)構(gòu)的有機(jī)■無機(jī)雜化鈣鈦礦材料具有合成方法

簡單、光電性能優(yōu)異等優(yōu)勢，更適用于光伏領(lǐng)域。從鈣鈦礦材料具體

形態(tài)結(jié)構(gòu)來看，典型的ABX3有機(jī)■無機(jī)鈣鈦礦材料中，A位為有機(jī)

陽離子，如甲鐵離子，甲瞇離子，占據(jù)了正方體的八個定點(diǎn)；B位為

二價金屬陽離子，如Pb2+、Sn2+等，處于正方體的休心；X是鹵素

離子，如Br-、I-和Cl?，占據(jù)了面心。目前較為常見的鈣鈦礦太陽能

電池原材料為碘鉛甲胺(MAPbl3)。

圖表2.有機(jī)?無機(jī)雜化的鈣線礦材料晶體結(jié)構(gòu)

鈣鈦礦太陽能電池發(fā)電原理基于光生伏特效應(yīng)，利用電子和空穴對產(chǎn)

生電流。鈣鈦礦太陽能電池是利用鈣鈦礦型的有機(jī)金屬鹵化物半導(dǎo)體

作為吸光材料的太陽能電池，其工作基于半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)，即

在光照條件下鈣鈦礦材料內(nèi)部處于發(fā)射區(qū)、勢壘區(qū)和基區(qū)的價帶電子

會吸收入射光子的能量而躍遷至導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生電子?空穴對。具體

來看，當(dāng)鈣鈦礦層受到光照后，內(nèi)部激子發(fā)生分離產(chǎn)生電子和空穴對,

電子通過電子傳輸層導(dǎo)出，空穴通過空穴傳輸層導(dǎo)出，當(dāng)器件外加負(fù)

載便能夠形成完整的回路。

22發(fā)展歷程：誕生十余年，單結(jié)轉(zhuǎn)換效率從3.8%躍升至25.7%

鈣鈦礦太陽能電池誕生十余年，單結(jié)轉(zhuǎn)換效率從3.8%躍升至25.7%。

從鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展歷程來看，2009年，日本科學(xué)家Kojima

和Miyasaka將鈣鐵礦這種材料應(yīng)用到染料敏化太陽能電池中，并實(shí)

換效率為24.16%,由美國國家可再生能源實(shí)驗室于2020年研發(fā)。

從理論極限效率來看，疊層電池的理論轉(zhuǎn)奧效率可達(dá)45%o

圖表5,鈣鈦獷/晶硅疊層電池轉(zhuǎn)換效率進(jìn)展

2.3,分類及結(jié)構(gòu)：第三代新型太陽能電池，反式平面型為較常見結(jié)構(gòu)

鈣鈦礦太陽能電池屬于第三代新型電池，未來發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｌ柲?/p>

電池可以分為以下三類：1）第一代晶硅電池，包括多晶硅、單晶硅

電池，目前技術(shù)成熟度和商業(yè)化進(jìn)程均位居各類太陽能電池之首，但

該類別電池仍具有難以解決的問題，例如其制備依賴于高純度的硅料,

高純度硅料價格昂貴，疊加硅基電池制備及封裝工藝繁瑣；2）第二

代化合物薄膜電池，包括銅錮錢硒太陽能電池（CIGS）,硅化鎘薄

膜太陽能電池（GdTe）,碑化線太陽能電池（GaAs）,磷化錮太陽

能電池（InP）等。該類電池較晶硅電池具有轉(zhuǎn)換效率高和質(zhì)量輕等

優(yōu)點(diǎn)，但該類電池的的活性層含有部分稀有元素和重金屬元素，價格

昂貴且難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)；3)第三代新型電池，包括鈣鈦礦太陽

能電池(PSC),染料敏化太陽能電池(DSSC),有機(jī)太陽能電池

(OSC),量子點(diǎn)太陽能電池等。該類電池具有原料無毒且儲量豐

富、成本低、工藝簡單且可柔性制備等優(yōu)點(diǎn)，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展?jié)摿薮?

目前發(fā)展仍處于中試線階段。

鈣鈦礦太陽能電池根據(jù)電荷傳輸方向不同分為n-i-p型(正式結(jié)構(gòu))

和p-i-n型(反式結(jié)構(gòu))，根據(jù)傳輸層結(jié)構(gòu)不同分為介孔結(jié)構(gòu)和平面

結(jié)構(gòu)。具體來看：1)n-i-p介孔型，此結(jié)構(gòu)從下到上分別是：透明導(dǎo)

電基底，致密的TiO2電子傳輸層，TiO2介孔層，鈣鈦礦層，空穴傳

輸層和金屬電極。早期的鈣鈦礦太陽能電池多采用此結(jié)構(gòu)，但該結(jié)構(gòu)

中空穴傳輸材料會填充在TiO2介孔層和鈣鈦礦形成的孔洞中，導(dǎo)致

有電子傳輸能力的TiO2顆粒與空穴傳輸層材料接觸，最終致使開路

電壓下降，疊加該類電池需要經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)，耗能嚴(yán)重且不利于產(chǎn)業(yè)

化，布局該類電池的企業(yè)包括萬度光能；2)n?i-p平面型，又名正式

平面結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)從下至上分別是：透明導(dǎo)電基底，n型電子傳輸層，

鈣鈦礦層，p型空穴傳輸層和金屬電極。與介孔結(jié)構(gòu)相比，平面型結(jié)

構(gòu)具有制備工藝簡單、開路電壓更高等優(yōu)勢；3)p-i-n平面型，又名

反式平面結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)從下至上分別是：透明導(dǎo)電基底，p型空穴傳

輸層，鈣鈦礦層，n型電子傳輸層和金屬電極。該類結(jié)構(gòu)制備工藝簡

單、可低溫制備、成本低，可用于鈣鈦礦疊層器件的制備，且遲滯現(xiàn)

象幾乎可以忽略，但具有效率不高的缺點(diǎn)，布局該類電池的企業(yè)包括

協(xié)鑫光電、極電光能等。目前反式平面結(jié)構(gòu)為鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程

中較為主流的選擇。

圖表7.鈣鈦礦電池類型

(a)介禮P(b)?????p+?P

3.優(yōu)點(diǎn)及產(chǎn)業(yè)化痛點(diǎn)：降本增效為最主要優(yōu)勢，仍存在穩(wěn)定性差和大

面積效率下降的挑戰(zhàn)

3.1,優(yōu)點(diǎn)：成本低+轉(zhuǎn)換效率高+應(yīng)用場景廣泛

鈣鈦礦太陽能電池具有成本低的優(yōu)勢，鈣鈦礦組件成本是晶硅組件極

限成本的50%。鈣鈦礦太陽能電池具有成本低的顯著優(yōu)勢，其低成

本主要表現(xiàn)在：1）原材料成本較低，a）鈣鈦礦層原材料均為基礎(chǔ)化

工材料，儲量較豐富且價格較低；b）原材料用量少，鈣鈦礦層厚度

僅有500nm左右，單晶硅電池硅片平均厚度在150微米；c）鈣鈦

礦材料對于提純要求不高，對比硅基太陽能電池必須使用99.9999%

高純硅，太陽能級鈣鈦礦材料純度要求95%以上即可；2）制備過程

可低溫進(jìn)行，能耗較低，鈣鈦礦電池可以采用溶液法制備，生產(chǎn)工藝

流程溫度不超過150℃,而晶硅材料的鑄錠和拉晶都需要1500℃以

上高溫，生產(chǎn)能耗差距較大，每瓦單晶組件制造的能耗約是1.52KWh,

而每瓦鈣鈦礦組件能耗約為0.12KWh,單瓦能耗只有晶硅的1/10；3）

生產(chǎn)效率高，鈣鈦礦電池從原材料到最后的組件制備，整個生產(chǎn)流程

僅需要約45分鐘，生產(chǎn)效率大幅提升。從鈣鈦礦組件成本構(gòu)成來看，

鈣鈦礦占比約為5%,玻璃、靶材等占到另外的2/3,總成本約為

0.5-0.6元/瓦，是晶硅組件極限成本的50%。

鈣鈦礦太陽能具有高轉(zhuǎn)換效率和發(fā)電量的優(yōu)勢，疊層更具效率發(fā)展?jié)?/p>

力。鈣鈦礦太陽能電池理論極限效率高達(dá)33%,實(shí)驗室最高效率為

25.7%；疊層極限效率更是高達(dá)45%,實(shí)驗室最高效率為29%。鈣

鈦礦太陽能電池的高轉(zhuǎn)換效率及發(fā)電量主要得益于：1）鈣鈦礦材料

帶隙更接近最優(yōu)帶隙，Shockley-Queisser限制下，單結(jié)太陽電池轉(zhuǎn)

換效率的理論值最高為33.7%（對應(yīng)帶隙1.34eV）,傳統(tǒng)的鉛基鈣

鈦礦材料的禁帶寬度在1.5?1.7eV范圍內(nèi)，傳統(tǒng)晶硅電池的帶隙約為

1.12eV,鈣鈦礦的帶隙更為接近最優(yōu)帶隙。以CH3NH3Pbi3為例，

鈣鈦礦薄膜作為直接帶隙半導(dǎo)體，禁帶寬度為1.55eV,電導(dǎo)率為

10-3S/m3,載流子遷移率為50cm2/（V-s）,吸收系數(shù)105,消光系數(shù)較

高，幾百納米厚薄膜就可以充分吸收800nm以內(nèi)的太陽光，對藍(lán)光和

綠光的吸收明顯要強(qiáng)于硅電池，且鈣鈦礦晶體具有近乎完美的結(jié)晶度,

極大地減小了載流子復(fù)合，增加了載流子擴(kuò)散長度；2）帶隙可調(diào)，適

合疊層電池的制備，疊層電池具有更高的轉(zhuǎn)換效率天花板，疊層電池

理論極限轉(zhuǎn)換效率高達(dá)45%；3）鈣鈦礦的溫度系數(shù)趨近于0：晶硅

組件的溫度系數(shù)是。3%/℃左右，即溫度每上升1度，功率下降0.3%；

而鈣鈦礦的溫度系數(shù)為-0.001%/℃,趨近于0,故而其實(shí)際發(fā)電效率

顯著高于晶硅。

圖表10.鈣鐵礦型化合物帶隙對比

>

g

d

。e

up

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圖1?9鈣鈦礦型化合物CH3NH3B<XY2（X-S,Se,Te;Y-CI,BrJ）虎線代表■佳帶隙（Shockley?Qu@8?

鈣鈦礦太陽能電池具有輕質(zhì)和柔性特點(diǎn)，下游應(yīng)用場景廣泛。鈣鈦礦

太陽能電池下游應(yīng)用場景廣泛主要得益于鈣鈦礦材料吸光系數(shù)大，厚

度較薄就能實(shí)現(xiàn)對太陽光的有效利用（傳統(tǒng)晶硅電池硅片厚度在150

微米左右，鈣鈦礦層厚度在500納米左右），鈣鈦礦材料特性決定

了鈣鈦礦電池的制作可采用輕薄、柔性基底。輕質(zhì)和柔性特點(diǎn)使鈣鈦

礦太陽能電池適用于更廣泛的應(yīng)用場景，比如BIPV、汽車光伏等。

此外，鈣鈦礦太陽能電池的帶隙可調(diào)性使其具有室內(nèi)光伏電池理想的

寬帶隙，將鈣鈦礦電池的下游應(yīng)用范圍拓展至弱光及室內(nèi)光伏，進(jìn)而

可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能家居和智能出行等領(lǐng)域。目前已有

相關(guān)企業(yè)布局該應(yīng)用領(lǐng)域的研究，經(jīng)國家光伏產(chǎn)業(yè)計量測試中心認(rèn)證，

廣東脈絡(luò)能源科技有限公司研發(fā)的鈣鈦礦室內(nèi)光伏電池光電轉(zhuǎn)換效

率在1000luxU30光源照射下達(dá)到44.72%,為當(dāng)前世界最高值。

3.2.產(chǎn)業(yè)化痛點(diǎn)：穩(wěn)定性差導(dǎo)致壽命短、大面積制備效率低

鈣鈦礦太陽能電池具有不穩(wěn)定，主要系鈣鈦礦材料本身和各功能層相

互影響所致。影響鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性的因素主要包括：1）鈣

鈦礦材料本身具有不穩(wěn)定性（決定性因素）。鈣鈦礦材料易在水、氧

氣、熱、光等環(huán)境作用下加快分解；2）器件中各功能層（空穴傳輸

層、電子傳輸層、電極）與鈣鈦礦層易產(chǎn)生相互影響。在正式結(jié)構(gòu)中，

多用TiO2和ZnO等金屬氧化物做電子傳輸層，這兩種材料在光照下

會產(chǎn)生光生空穴并催化分解鈣鈦礦材料。Spiro-OMeTAD是空穴傳輸

層的常用材料，其對碘離子比較敏感，鈣鈦礦材料中的碘離子擴(kuò)散到

Spiro-OMeTAD后，會降低其電荷傳輸性能。金屬頂電極為目前較主

流的選擇，但金屬原子可以通過擴(kuò)散作用進(jìn)入到鈣鈦礦層中，引起鈣

鈦礦材料發(fā)生分解，且光生伏特效應(yīng)所形成的內(nèi)建電場會加劇原子的

擴(kuò)散，從而加速分解。此外，鈣鈦礦材料中的鹵素離子會擴(kuò)散到金屬

電極并造成腐蝕，從而影響性能。任何一個環(huán)節(jié)材料性能失效都會導(dǎo)

致產(chǎn)品性能衰減，從而影響電池的穩(wěn)定性。

鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性差致使其壽命較短，成為制約產(chǎn)業(yè)化的重要

因素之一。根據(jù)《太陽能鈣鈦礦電池技術(shù)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)性分析》中指出，

目前鈣鈦礦電池持續(xù)光照實(shí)驗最長達(dá)到10000h,若按照全天平均日

照時長4h計算，理論壽命也只有6.8年。若再考慮到每天實(shí)際日照

時間會多于4h,以及其他日常損耗，正常壽命將會小于6.8年，與

目前晶硅電池的理論壽命25年相比，仍然有很大差距。雖然纖納光

電的。組件已順利通過IEC61215、IEC61730穩(wěn)定性全體系認(rèn)證（經(jīng)

德國電氣工程師協(xié)會VDE權(quán)威認(rèn)證），行業(yè)內(nèi)仍缺少更多數(shù)據(jù)的佐

證，終端客戶對壽命的顧慮未完全消除。

鈣鈦礦太陽能電池大面積制備效率低，存在效率與面積不可兼得的問

題。目前實(shí)現(xiàn)較高轉(zhuǎn)換效率的鈣鈦礦電池均是較小的實(shí)驗室尺寸（小

于1平方厘米）,單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池轉(zhuǎn)換效率記錄25.7%實(shí)現(xiàn)于

0.1平方厘米的尺寸，商業(yè)化尺寸電池目前平均轉(zhuǎn)換效率在16%左右。

電池面積增加時必然會導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率下降，晶硅、硅化鎘薄膜、染料

敏化太陽能電池和有機(jī)太陽能電池的器件面積每增加一個數(shù)量級，其

轉(zhuǎn)換效率大約下降0.8%,而鈣鈦礦太陽能電池轉(zhuǎn)換效率下降幅度更

大，主要原因系：1）制備大面積鈣鈦礦薄膜時，由制備工藝的局限

性導(dǎo)致鈣鈦礦薄膜均勻性變差，孔洞增加，缺陷增多。實(shí)驗室制備鈣

鈦礦薄膜主要采用溶液旋涂法，該方法中反溶劑的使用量是影響鈣鈦

礦層質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，且本身具有邊緣效應(yīng)，會導(dǎo)致鈣鈦礦薄膜

的厚度不均勻；2）尺寸增大時電池的非光活性死區(qū)（柵線區(qū)、刻蝕

區(qū)）面積增大，使得有效光照面積減小，進(jìn)而導(dǎo)致組件短路電流密度

減?。?）與串并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計和組件工藝相關(guān)，導(dǎo)致組件串聯(lián)電阻增

大，轉(zhuǎn)換效率降低。

系

積關(guān)

件面

和器

效率

轉(zhuǎn)換

光電

電池

陽能

型太

同類

13.不

圖表

功

率

典

換

效

率

面積

，材

提升

大幅

電池

晶硅

率較

產(chǎn)效

備：生

和設(shè)

、技術(shù)

材料

程、

產(chǎn)流

4.生

未定型

設(shè)備均

技術(shù)和

料、

廠完成

單一工

，可在

分鐘

需45

程僅

作過

：制

流程

.生產(chǎn)

4.1

以

鐘。

5分

僅需4

流程

生產(chǎn)

整的

，完

較高

效率

生產(chǎn)

電池

陽能

礦太

鈣鈦

為以下

概括

可以

大致

流程

生產(chǎn)

電池

陽能

礦太

鈣鈦

，單結(jié)

為例

結(jié)構(gòu)

反式

礦

鈣鈦

積——

輸層沉

空穴傳

——

光劃線

P1激

制備——

O層

：TC

環(huán)節(jié)

3

——P

制作

電極

線——

光劃

P2激

積——

層沉

傳輸

電子

——

層沉積

，