【中睿行业分享】浅谈钙钛矿电池

张鑫宇   2023-05-29 本文章3617阅读

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2022616日,据科技日报最新一期《科学》杂志报道,美国普林斯顿大学研究人员开发出了第一个具有商业可行性的钙钛矿太阳能电池,这标志着一种新兴的可再生能源技术的重要里程碑,引发二级市场大量关注。


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 那么,什么是钙钛矿?

钙钛矿其实和钙、钛、矿三个字都没什么关系,光伏领域的所谓钙钛矿,指的是一类与钙钛矿(CaTiO3)晶体结构类似的“ABX3”化合物。这种结构长成下面这个样子:


不同于晶硅电池,钙钛矿电池效率提升的曲线极为陡峭,2009年,当日本科学家Tsutomu Miyasaka首次用钙钛矿太阳能电池发电时,光电转换效率仅为3.8%,彼时晶硅电池实验室转化效率已经达到了18%左右。仅仅12年过去,钙钛矿实验室转换效率的最高纪录已经达到29.8%,超过目前效率最高的异质结、TOPCon等晶硅技术的效率极限,而晶硅电池这一进程用了接近40


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 除了效率,钙钛矿电池有什么优势?

一、钙钛矿电池的理论设备投资更低,产业链更短。

   晶硅太阳能电池需要经历硅料、硅片、电池、组件四个环节,在每个环节都出现了不同的龙头企业,如通威、中环、隆基等。传统晶硅太阳能电池供应链需要在多个工厂、多个环节流转,耗时最少需要三天,而钙钛矿可在单一工厂内45分钟走完全部流程。而钙钛矿的生产流程可以在一间工厂内完成,将玻璃、胶膜、靶材、化工原料加工成组件。也就是说做钙钛矿的电池厂非常容易实现一体化

二、生产成本更低

晶硅电池材料要求纯度高,铸锭和拉晶的工艺都需要高温,与之相比,钙钛矿材料来源丰富、原材料成本低,且材料配方可调,比例选择空间大,因此制造成本更低,MW规模的生产线的生产成本可达到1/W,而 GW规模的生产线可以做到0.6/W,不到当前组件价格的一半。

三、原材料不存在瓶颈

钙钛矿太阳能电池的原材料均为基础化工材料,不含稀有元素。晶硅类太阳能电池对硅料纯度要求需达 99.9999%。晶硅类太阳能电池的生产每年约需要 50 万吨硅料,而若全部替换为钙钛矿太阳能电池,大约只需要 1000 吨钙钛矿原料。

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 当前钙钛矿商业化的卡点在哪里?

一、稳定性不足,IRR受限于使用寿命

钙钛矿太阳能电池作为历史上发展最快的光伏技术,在效率及成本端均较晶硅类电池有优势,但主要缺点是寿命短(稳定性低)。目前钙钛矿太阳能电池的 T80寿命(效率下降到初始值的 80%)约 4000 小时,距当前主流光伏技术的25年寿命相差甚远。

目前的研究主要致力于提升钙钛矿的稳定性,近年来,钙钛矿电池稳定性已有很大提升。纤纳光电科技CEO姚冀众博士表示,若钙钛矿太阳能组件能够保持30年的稳定性,即使转换效率和PERC组件相当,大规模应用后,也能将太阳能度电成本(LCOE)降低至0.2元。

二、大面积制备工艺不成熟

目前钙钛矿大面积模块的效率仍远低于小面积,是制约产业化的另一难题。在实验室制备一小块高效率的钙钛矿电池相对容易,但要实现对晶硅电池的替代就必须要解决工业化生产的大面积制备与低成本,目前看大面积钙钛矿太阳能电池的光电转换效率与晶硅电池差距仍然较大。

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 钙钛矿投资机会梳理:


   整体来看,钙钛矿产业的规模还比较小,头部企业产能也还处于中试阶段,产品在终端的验证数据可以说非常少,所以,大部分终端用户对该技术还处于观望状态。但作为目前最有可能取代晶硅电池成为下一代光伏电池的钙钛矿,其前景是值得期待的,其发展阶段可以类比2017-2019年的HJT电池,目前可以重点关注头部企业在大面积制备和稳定性上的进展以及设备、材料类企业的投资机会:


一、头部钙钛矿企业

1、纤纳光电(连续7次刷新世界纪录,中国长江三峡集团曾领投)

纤纳光电成立于2015年,是全球知名的钙钛矿光伏技术领军企业,总部设在杭州,是国内第一批从事钙钛矿商业化研究的机构,也是全球首家实现百兆瓦级钙钛矿组件制造和商业应用的公司。

目前公司将钙钛矿产业基地建在浙江衢州,首条100MW钙钛矿规模化产线已于2022年初建成投产,5月率先发布了全球首款钙钛矿商用组件α,量产效率达到20.2%7月首批产品正式出货。近期完成D轮融资,由招银国际和杭开集团领投,资金主要用于钙钛矿前沿技术开发和GW级产线扩建,公司虽然还未上市,但市场关注度极高。

2、协鑫光电(背靠协鑫集团)

协鑫光电原身为惟华光能,成立于 2010 年,昆山协鑫光电材料有限公司成立于2019年底,为协鑫集团子公司,在建100MW钙钛矿太阳能电池生产线。技术团队是中国从事钙钛矿组件产线开发较早的团队

3、杭萧钢构

杭萧钢构系国内钢结构龙头企业,收购合特光电进军异质结叠层钙钛矿电池+bipv 组件生产。202111月投产100万平方米 bipv 组件产线;计划 2022 年底投产首条异质结-钙钛矿叠层电池中试线(产能 100MW),一期目标量产转换效率28%


二、设备

钙钛矿的制备工艺相较于晶硅光伏电池更为简单,工艺流程也相对简单,从协鑫光电公布的制备流程来看,整个工艺需要9步,核心设备为PVD设备、涂布设备、激光设备。

其中,涂布设备难度更大。因为钙钛矿是把卤化物溶液涂在玻璃或者是硅片上,溶液结晶,形成光伏的吸光材料;目前没有任何的生产活动,需要这样的结晶工艺。PVD设备价值量最高,占比50%左右(2-3亿元/GW)不仅应用在钙钛矿电池,晶硅电池的生产也需要,其他的行业生产也有可能会用到PVD技术。激光设备需求也较为明确。

当前钙钛矿制备设备工艺尚处于验证阶段;从产业角度来看,钙钛矿电池设备厂商大多采用和电池厂合作的模式。比如晟成光伏(京山轻机全资子公司)与协鑫光电在钙钛矿叠层电池工艺和设备进行合作,由晟成光伏提供工艺和封装设备;杰普特为大正微纳定制柔性钙钛矿模切设备已经通过验收并进行生产。

1、德沪涂布

德沪涂膜是上海市嘉定区引进的高科技项目,是目前中国唯一可以参与世界竞争的电子级涂膜设备公司,对标世界前五德日韩狭缝涂布设备公司。公司聚焦太阳能电池、平板显示、电子信息、集成电路先进封装、氢电池等行业,提供研发、中试到量产的系列精密溶液成膜设备、系统和全解决方案。

狭缝涂布技术能在玻璃、不锈钢片、塑料等基体上沉积各种液体化合物,通过精确控制液体流量和移动的相对速度,来制备所需技术指标的薄膜。公司获得 2019 年国家科技部重大科技专项,主持开发钙钛矿量产核心涂膜设备。在钙钛矿太阳能电池领域,公司的核心涂膜设备全球市占率最大。

2、京山轻机

苏州晟成光伏设备有限公司成立于 2010 年,是京山轻机的全资子公司,坐落于苏州高新区,现有员工 1000 多人,其中技术研发人员超过 300 人。主要从事光伏行业智能化装备的研发、制造、销售及服务,目前产品已远销美、德、法等全球 20 多个国家和地区。目前公司钙钛矿电池团簇型多腔式蒸镀设备现已量产,并成功应用于多个客户端。


在钙钛矿领域,公司目前已布局PVD、蒸镀、ALD等核心镀膜设备,以及玻璃清洗机、干燥机、封装设备,是目前上市公司中在钙钛矿设备领域布局较为全面的企业之一。其中公司推出的PVD溅射设备已成熟,蒸镀设备也已实现多个客户的出货,此外公司与高校合作开发的空间式ALD设备正在客户端验证,该设备解决了传统ALD设备效率低的问题,有望在电子传输层中实现应用。


三、材料类

钙钛矿电池所需的材料包括封装材料和电极材料,其中 TCO 玻璃是最核心的材料,从成本构成来看,玻璃及其他封装材料占比最高,占比 34%,另外是电极材料(靶材),占比约 30.9%


TCO 玻璃按照导电氧化物的不同主要分为 ITOFTO AZO 三种。

ITO 玻璃是掺杂锡的氧化铟(In2O3:Sn)导电玻璃,技术发展非常成熟。初期曾应用于光伏电池的前电极,但随着光吸收性能要求的提高,现已不再是光伏电池主流的电极玻璃,而主要运用在显示屏、触控面板领域。

FTO 是掺杂氟的氧化锡(SnO2:F)导电玻璃,发展较为成熟,主要通过化学气相沉积法生产,是当下薄膜电池主流的电极材料,尽管导电性略差于 ITO 玻璃,但具有成本低、激光刻蚀容易、光学性能适宜等优点。

AZO 是掺杂铝的氧化锌(ZnO:Al)导电玻璃,与 ITO 玻璃相比,AZO 玻璃光电性能接近,且原材料易得,生产成本较低,在等离子体中性能更为稳定,与 FTO 玻璃相比,AZO 玻璃的导电性、光透过率更优,日后有替代 ITOFTO 的可能,但 AZO 玻璃也存在膜层偏软、耐潮性差等缺点,现阶段市场空间仍较小。

其中确定性最高的公司为金晶科技,是目前国内少数能够量产 TCO 玻璃的企业。2021年,金晶科技完成了超白TCO镀膜玻璃基片的研发,后又在此基础上推出3.2mm2.65mm型号产品。

金晶科技与纤纳光电也进行了战略合作:根据纤纳光电未来的钙钛矿扩产规划,投资建设相应的 TCO 玻璃产线,以满足纤纳光电生产需求。纤纳光电未来若每增加 1GW 的钙钛矿电池产能规划,在双方就阶段性采购数量达成共识的情况下,金晶科技需配套不低于 500 万平米/ TCO 玻璃产能。同时,在金晶科技作为主要供应期间,纤纳光电享受金晶科技战略合作伙伴专享的优惠价格。

不过中长期来看,由于TCO玻璃原片—超白浮法玻璃产能已严禁新增,因此没有原片产能储备的企业较难参与TCO玻璃市场,但目前具备超白浮法玻璃原片产能的企业也有进入该行业的可能,如南玻、旗滨、信义等,后续还需关注该环节的竞争格局衍化情况。






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中睿合银

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