光伏行業(yè)深度報(bào)告：鈣鈦礦東風(fēng)漸起或?yàn)楣夥K極路線

光伏行業(yè)深度報(bào)告：鈣鈦礦東風(fēng)漸起，或?yàn)楣夥K極路線1.鈣鈦礦：生態(tài)鏈快速建設(shè)，產(chǎn)業(yè)從0到1爆發(fā)前夕1.1.第三代太陽(yáng)能電池，或?yàn)楣夥罱K路線第三代太陽(yáng)能電池，轉(zhuǎn)換效率大幅提升。第一代光伏電池以單晶硅和多晶硅為主，根據(jù)硅片類型可進(jìn)一步劃分為P型和N型，P型代表為單晶PERC，為當(dāng)前主流技術(shù)路線。N型代表則為TOPCon和HJT，極限效率分別為28.7%和27.5%,目前光伏產(chǎn)業(yè)鏈正處于N型快速擴(kuò)張時(shí)期；第二代則是以砷化鎵為代表的薄膜型電池，但是制備成本較高；而鈣鈦礦為代表的第三代薄膜電池，具有PCE高和成本低廉的雙重優(yōu)勢(shì)。單結(jié)鈣鈦礦極限效率約為33%，疊層可達(dá)到40%以上。直接隙材料優(yōu)勢(shì)明顯，光吸收系數(shù)較高。鈣鈦礦材料性能優(yōu)異主要來(lái)自于其獨(dú)特的面心立方體結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的光電性質(zhì)-吸光系數(shù)高、帶隙可調(diào)、激子結(jié)合能低和擴(kuò)散距離長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，其結(jié)構(gòu)式可表示為AMX3，當(dāng)前對(duì)鈣鈦礦材料的研究多集中在甲胺鉛鹵化物(MAPbX3)、甲脒鉛鹵化物(FAPbX3)、銫鉛鹵化物(CsPbX3)和銫錫鹵化物(CsSnX3)等。介孔層增強(qiáng)載流子收集能力。鈣鈦礦電池沿用燃料敏化太陽(yáng)能電池的叫法，把電子傳輸層在底下的為正式結(jié)構(gòu)，反之則為反式結(jié)構(gòu)。再根據(jù)介孔層-(MesoporousLayer)進(jìn)一步劃分為介孔和平面。介孔層的作用主要是為鈣鈦礦提供沉積支架和傳輸電荷，通過(guò)降低傳輸距離增強(qiáng)載流子收集能力并阻止漏電。但是介孔層會(huì)限制晶粒生長(zhǎng)，反而降低開(kāi)路電壓（Voc）和短路電流密度（Jsc）。PSCs發(fā)展速度遠(yuǎn)超晶硅，大尺寸組件開(kāi)始突破。鈣鈦礦2009年首次應(yīng)用時(shí)效率僅為3.8%，2016年電池效率就突破20%。2023年3月，極電光能官方公眾號(hào)發(fā)布其809.8cm2大尺寸鈣鈦礦光伏組件經(jīng)國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)JET檢測(cè)認(rèn)證，其轉(zhuǎn)換效率達(dá)到19.9%。目前公司在16.7cm2鈣鈦礦組件轉(zhuǎn)換效率也已經(jīng)突破22.9%。1.2.鈣鈦礦VS晶硅：效率大幅提升，降本潛力遠(yuǎn)超晶硅1.2.1.效率端：前沿效率不斷刷新，效率接近轉(zhuǎn)換極限實(shí)驗(yàn)室效率日新月異，疊層進(jìn)展迅速。根據(jù)美國(guó)NREL統(tǒng)計(jì)，自上世紀(jì)70年代發(fā)明晶硅電池以來(lái)，當(dāng)前晶硅路線HJT最高效率為26.81%（隆基，2022/11）。而鈣鈦礦自14.1%（EPFL，2013/06）僅僅用9年就達(dá)到了25.7%（UNIST，2022/01）；鈣鈦礦/硅疊層更是達(dá)到了32.5%。在極限效率上，單結(jié)鈣鈦礦的效率極限為33%，而晶硅電池的理論轉(zhuǎn)換效率極限為29.4%，疊層鈣鈦礦更可以達(dá)到40%以上。1.2.2.成本端：產(chǎn)業(yè)鏈一體化提升，效率接近轉(zhuǎn)換極限降本增效持續(xù)推進(jìn)。根據(jù)極電光能測(cè)算，百M(fèi)W鈣鈦礦成本已經(jīng)低于晶硅組件。百M(fèi)W階段的成本有望控制在1-1.5元/瓦之間；GW級(jí)別生產(chǎn)時(shí)，成本可降到0.8元/瓦；10GW級(jí)別降到約0.6元/瓦。若鈣鈦礦組件效率在達(dá)到17%同時(shí)保持成本在1.3元/瓦以內(nèi)，并且壽命穩(wěn)定25年則將擁有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。產(chǎn)業(yè)鏈投資進(jìn)一步集中，約為晶硅線路的50%。光伏晶硅產(chǎn)業(yè)鏈涉及硅料廠-硅片廠-電池廠-組件廠合計(jì)四個(gè)環(huán)節(jié)，合計(jì)投資額約9.6億元，中間考慮運(yùn)輸環(huán)節(jié)需要耗時(shí)3日以上。而鈣鈦礦從原材料到組件出廠僅需要一個(gè)工廠，耗時(shí)45分鐘左右。預(yù)計(jì)未來(lái)在GW級(jí)別投產(chǎn)情況下，鈣鈦礦電池投資額可降至晶硅線路的一半，GaAs的十分之一。壓縮極限成本，材料成本占比約56%。長(zhǎng)期來(lái)看，鈣鈦礦組件成本可降低至0.5-0.6元/瓦。同時(shí)鈣鈦礦電池原材料均屬于基礎(chǔ)化工材料，可通過(guò)人工合成，不含有稀有元素，對(duì)比晶硅路線的硅料更加廉價(jià)易得。從外，鈣鈦礦材料對(duì)雜質(zhì)敏感度低，對(duì)原材料的純度要求低于晶硅。在工藝上，鈣鈦礦生產(chǎn)溫度不超150度，相比于晶硅1000度左右的高溫可以做到降低能耗的作用。目前FTO導(dǎo)電玻璃約占材料成本的65%，但透明導(dǎo)電玻璃屬于成熟產(chǎn)品，隨著下游需求的擴(kuò)張，產(chǎn)能可迅速擴(kuò)張。1.2.3.應(yīng)用端：電站建設(shè)成本進(jìn)一步降低，下游BIPV應(yīng)用廣泛發(fā)電量占優(yōu)，光伏電站建設(shè)成本降低。根據(jù)研究表明，得益于超高的吸光系數(shù)和禁帶寬度，轉(zhuǎn)換效率在17.9%的鈣鈦礦組件發(fā)電量約等于轉(zhuǎn)換效率20.4%的晶硅組件。建設(shè)成本方面，假定鈣鈦礦組件轉(zhuǎn)換效率為15%，晶硅組件轉(zhuǎn)換效率20.5%。鈣鈦礦組件的建設(shè)成本約為3.12元/瓦，對(duì)比單晶硅組件的3.33元/瓦，其中組件上約有0.7元/瓦的優(yōu)勢(shì)，但在支架成本和土建成本上稍高于晶硅。綜合考慮，鈣鈦礦較晶硅在電站建設(shè)上約有0.21元/瓦的優(yōu)勢(shì)。BIPV打開(kāi)下游應(yīng)用空間。BIPV，即光伏建筑一體化是指將太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)品集成到建筑上的技術(shù)。基于鈣鈦礦電池材料的輕薄性、透光性、吸光能力，鈣鈦礦產(chǎn)品可以較好的適配各類使用場(chǎng)景，尤其對(duì)于有采光要求的辦公樓等墻體。1.3.鈣鈦礦制備：穩(wěn)定性及大面積制備有望突破1.3.1.大面積制備：濕法經(jīng)濟(jì)性顯著，干法效果好但成本較高干法均勻性高，設(shè)備為主要瓶頸。常見(jiàn)的干法工藝為氣相沉積法，在真空的環(huán)境下通過(guò)蒸鍍的方式制備鈣鈦礦薄膜。相比于濕法工藝，氣相沉積法可以通過(guò)控制蒸發(fā)源精確調(diào)控鈣鈦礦中各組分的化學(xué)計(jì)量比，從而保證薄膜的均勻性。但是干法工藝對(duì)真空環(huán)境要求極高，需要較長(zhǎng)的抽真空時(shí)間，這也使得干法工藝成本上升，單臺(tái)產(chǎn)能下降（制備時(shí)間長(zhǎng)）。濕法核心在于形核結(jié)晶，狹縫涂布或成主流。早期實(shí)驗(yàn)室制備鈣鈦礦多使用一步或兩步溶液旋涂工藝。一步法操作簡(jiǎn)單先制備溶液并將混合前驅(qū)體旋涂于襯底上，退火結(jié)晶（溫度100-150℃），形成純相、無(wú)針孔、致密的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)層。兩步法與之類似，分開(kāi)旋涂后再在熱臺(tái)上退火。隨著大面積制備需求顯現(xiàn)，濕法工藝逐漸發(fā)展出了刮刀涂布、狹縫涂布、絲網(wǎng)印刷、噴涂法、噴墨打印法。通常濕法步驟包括溶劑揮發(fā)→溶液過(guò)飽和+成鍵→溶質(zhì)析出/形成晶核（同質(zhì)隨機(jī)形核）→晶粒生長(zhǎng)→形成固態(tài)多晶薄膜。鈣鈦礦的形核和工藝窗口窄，并且隨著面積的放大控制難度上升。旋涂法薄膜組分均勻同時(shí)晶粒大小調(diào)控簡(jiǎn)單但是不適合大規(guī)模量產(chǎn)，而狹縫涂布法溶液利用率高，適合大面積生產(chǎn)，但在均勻性控制上仍需改進(jìn)。1.3.2.穩(wěn)定性進(jìn)展可期，材料及封裝技術(shù)持續(xù)優(yōu)化穩(wěn)定性驗(yàn)證順利，材料技術(shù)優(yōu)化穩(wěn)步推進(jìn)。目前部分企業(yè)鈣鈦礦組件已經(jīng)通過(guò)多項(xiàng)IEC61215晶硅光伏組件標(biāo)準(zhǔn)。普林斯頓大學(xué)通過(guò)2D-PVSK界面鈍化以及雙重封裝技術(shù)在1sun/35-110℃標(biāo)準(zhǔn)下T80＞30年；萊斯大學(xué)利用3D/PP-2Dbilayer，在1sun/60℃/75%RH的老化條件下實(shí)現(xiàn)T99＞2000h。長(zhǎng)期穩(wěn)定性優(yōu)化路徑清晰，頭部企業(yè)進(jìn)展可期。纖納光電2019年底通過(guò)全球首次IEC標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定性測(cè)試；2020年7月在濕熱實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，將組件老化時(shí)間由1000小時(shí)提升至3000小時(shí)。纖納α組件通過(guò)IEC61215和IEC61730穩(wěn)定性全體系認(rèn)證。長(zhǎng)期角度來(lái)看，鈣鈦礦通過(guò)優(yōu)化材料體系/無(wú)機(jī)電荷傳輸層/金屬氧化物電荷傳輸層阻擋/采用復(fù)合電極以及優(yōu)化組件封裝技術(shù)進(jìn)一步加強(qiáng)鈣鈦礦組件穩(wěn)定性。2.鈣鈦礦疊層：提升效率極限，多路徑共同發(fā)展疊層技術(shù)百花齊放，全鈣鈦礦疊層成本占優(yōu)。按照電極的連接方式可分為兩端/三端/四端疊層，兩端結(jié)構(gòu)為子電池串聯(lián)，機(jī)械堆疊的四端疊層子電池獨(dú)立運(yùn)行，不比考慮二者兼容性，但是寄生吸收大，成本高；按照材料選擇可進(jìn)一步細(xì)分為鈣鈦礦-晶硅疊層/全鈣鈦礦疊層/鈣鈦礦-有機(jī)疊層/鈣鈦礦-CIGS疊層。目前產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度較快的是全鈣鈦礦疊層和鈣鈦礦-晶硅疊層。從LCOE角度晶硅/鈣鈦礦疊層約為5.22元，略高于全鈣鈦礦疊層的4.22元?？紤]到目前兩者極限效率差距不顯著，同時(shí)在組件尺寸以及晶硅產(chǎn)業(yè)鏈成熟度來(lái)看，預(yù)計(jì)初期晶硅/鈣鈦礦的進(jìn)度更快，中長(zhǎng)期切入全鈣鈦礦疊層。2.1.結(jié)構(gòu)選擇：兩端、三端or四端？?jī)啥思梢惑wVS四端機(jī)械堆疊。疊層電池通過(guò)寬帶隙電池與窄帶隙電池串聯(lián)，利用全光譜范圍內(nèi)的光子，突破單結(jié)極限效率。目前主流的疊層結(jié)構(gòu)為2端和4端器件，兩端疊層理論P(yáng)CE為45.7%略低于四端疊層的46%。四端機(jī)械堆疊電池，工藝難度上機(jī)械堆疊的四端疊層電池最容易制作，兩個(gè)子電池獨(dú)立制作，僅在光學(xué)耦合/沒(méi)有電氣連接。四端口器件需要的電子元器件翻倍（例如逆變器），寄生吸收大、制造成本高。兩端集成一體電池，兩個(gè)子電池通過(guò)復(fù)合層/隧道結(jié)將子電池串聯(lián)連接，對(duì)比四端機(jī)械堆疊僅需要一個(gè)透明電極，可以直接在硅電池上沉積鈣鈦礦電池，減少電極用料和沉積步驟。但是兩端疊層缺陷在于：子電池串聯(lián)工作，因此二者必須有相似的光電流，電池電流受電流較低的子電池影響。同時(shí)晶硅電池表面的陷光結(jié)構(gòu)也會(huì)增加鈣鈦礦薄膜的沉積難度。三端疊層受限于低帶隙電池Voc過(guò)小，性能和發(fā)展速度慢于其它路線。2.2.材料選擇：全鈣鈦礦疊層or鈣鈦礦/晶硅疊層2.2.1.全鈣鈦礦疊層：窄帶隙材料或?yàn)殛P(guān)鍵瓶頸鈣鈦礦材料帶隙可調(diào)，為理想疊層材料。鹵素鈣鈦礦帶隙從1.2eV到3eV連續(xù)可調(diào)，使用窄帶隙和寬帶隙的鈣鈦礦作為疊層電池可以獲得更高的轉(zhuǎn)換效率。2019年前窄帶隙鈣鈦礦性能差，是限制疊層電池性能的主要原因。因此提升窄帶隙鈣鈦礦薄膜載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度，提升光電流密度成為研究的主要方向。通過(guò)使用缺陷調(diào)控-抑制前驅(qū)體溶液中Sn2+的氧化/增強(qiáng)晶粒表面缺陷鈍化，提升窄帶隙鈣鈦礦電池性能。全鈣鈦礦疊層效率提升路徑清晰。核心為三大路徑-（1）互聯(lián)層/隧穿結(jié)，過(guò)原子層沉積（ALD）制備互聯(lián)層和金屬?gòu)?fù)合層的新型隧穿結(jié)結(jié)構(gòu)（SnO2），金團(tuán)簇層增強(qiáng)載流子復(fù)合，簡(jiǎn)化制作過(guò)程實(shí)現(xiàn)全溶液法制備鈣鈦礦薄膜；（2）窄帶隙電池通過(guò)缺陷調(diào)控，增加窄帶隙鈣鈦礦薄膜載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度，增大光電流密度和開(kāi)路電壓；（3）寬帶隙頂電池，可通過(guò)對(duì)Cs含量調(diào)控，加速形核與結(jié)晶，提升均勻致密性。2.2.2.硅/鈣鈦礦疊層：HJT結(jié)構(gòu)占優(yōu)，與現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)快速融合硅屬于間接帶隙材料，為絕佳的底電池。硅的帶隙為1.12eV，而鹵素鈣鈦礦帶隙從1.2eV到3eV連續(xù)可調(diào)，兩者可相互搭配，同時(shí)晶硅產(chǎn)業(yè)已經(jīng)具備成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，目前晶硅路線進(jìn)入N型元年但也在逐步達(dá)到效率極限，選擇與鈣鈦礦疊層可以百尺竿頭更進(jìn)一步，后期或?qū)⑼ㄟ^(guò)改造方式來(lái)提升效率。兩端疊層：成本低、易量產(chǎn)、工藝較復(fù)雜、底電池工藝匹配挑戰(zhàn)較大；四端疊層：制造簡(jiǎn)單、組合靈活、與底電池技術(shù)相互獨(dú)立，系統(tǒng)端設(shè)計(jì)復(fù)雜。早期疊層電池選擇PERC作為底電池，隨著HJTR和TOPCon技術(shù)逐漸成熟，尤其異質(zhì)結(jié)本身結(jié)構(gòu)和低溫工藝，對(duì)鈣鈦礦疊層的適配度更高。硅/鈣鈦礦疊層電池較原有晶硅路線和單結(jié)鈣鈦礦具有更高的轉(zhuǎn)換效率，目前鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)鏈仍處于產(chǎn)業(yè)化初期，因此硅/鈣鈦礦疊層或?qū)⒊蔀榍爸衅谥髁?，隨著對(duì)鈣鈦礦材料體系認(rèn)知逐步深入，再轉(zhuǎn)入全鈣鈦礦疊層。HJT+鈣鈦礦疊層：鈣鈦礦電池能有效利用高能量的紫外和藍(lán)綠可見(jiàn)光。而異質(zhì)結(jié)電池可以有效的吸收鈣鈦礦材料無(wú)法吸收的紅外光。結(jié)構(gòu)上，HJT具備透明導(dǎo)電層（TCO），可與鈣鈦礦疊層完美適配，改造難度小，同時(shí)HJT本身為對(duì)稱結(jié)構(gòu)可以兼容正式和反式鈣鈦礦電池。優(yōu)勢(shì)：自帶TCO；開(kāi)壓高；對(duì)稱結(jié)構(gòu)兼容性強(qiáng)；劣勢(shì)：異質(zhì)結(jié)絨面金字塔與鈣鈦礦涂層仍有匹配問(wèn)題需要解決；代表廠：寶鑫、杭蕭鋼構(gòu)、牛津光伏等。TOPCon+鈣鈦礦疊層：TOPCon正面的氮化硅與氧化鋁不導(dǎo)電，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造優(yōu)勢(shì)：產(chǎn)線投資額低，經(jīng)濟(jì)性高；劣勢(shì)：本身不帶TCO需要改造；增加TCO后失去高電流優(yōu)勢(shì)；代表廠：中來(lái)、黑晶-皇氏集團(tuán)。異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦疊層為研發(fā)主流。由于HJT具備雙面對(duì)稱結(jié)構(gòu)+低溫工藝+自帶TCO，可與鈣鈦礦疊層完美適配，改造難度小，工藝流程簡(jiǎn)單。目前進(jìn)度較快的是合特光電（杭蕭鋼構(gòu)）和寶馨科技。合特光電目前建立中試線目標(biāo)轉(zhuǎn)換效率28%以上，目前產(chǎn)線設(shè)計(jì)能兼容生產(chǎn)166mm和182mm尺寸規(guī)模的晶硅組件；寶馨科技疊層發(fā)展路徑-（1）2023年在2023年上半年完成新實(shí)驗(yàn)線建設(shè)；（2）2024年啟動(dòng)百兆瓦級(jí)別的鈣鈦礦疊層線建設(shè)，目標(biāo)實(shí)驗(yàn)室效率大于32%，加速老化等效外推達(dá)到25年；（3）2026年鈣鈦礦/異質(zhì)結(jié)疊層GW級(jí)產(chǎn)線升級(jí)，實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)210半片鈣鈦礦/異質(zhì)結(jié)疊層電池，電池效率在基底異質(zhì)結(jié)的基礎(chǔ)上提升率大于15%，首年衰減不超過(guò)3%，以后每年衰減不超過(guò)0.5%,量產(chǎn)壽命大于25年。2.3.多條中試線建立，產(chǎn)業(yè)政策紛至沓來(lái)頭部企業(yè)多以百兆瓦線為主，GW級(jí)招標(biāo)可期。目前頭部的協(xié)鑫光電、纖納光電和極電光能都基本完成百兆瓦中試線建設(shè)，當(dāng)前首要目標(biāo)是打通工藝，為后續(xù)GW級(jí)擴(kuò)產(chǎn)打下基礎(chǔ)。根據(jù)對(duì)各鈣鈦礦企業(yè)產(chǎn)線建設(shè)規(guī)劃，更多企業(yè)開(kāi)始布局百兆瓦線，頭部企業(yè)在為GW級(jí)擴(kuò)產(chǎn)做準(zhǔn)備，預(yù)計(jì)2024年將出現(xiàn)GW級(jí)別招標(biāo)，同時(shí)鈣鈦礦組件相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也在積極制定，隨著后續(xù)長(zhǎng)期穩(wěn)定性的解決和大面積制備線路確立，鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)將快速完成從0到1的突破快速放量。產(chǎn)業(yè)支持政策持續(xù)落地。目前各部門正在積極出臺(tái)相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策支持鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。國(guó)家能源局分別在《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》以及《工業(yè)和信息化部等六部門關(guān)于推動(dòng)能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》提出推動(dòng)鈣鈦礦及疊層電池制備的技術(shù)研究。工信部也于2023年1月發(fā)布了《推動(dòng)能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》推動(dòng)鈣鈦礦及疊層電池等先進(jìn)技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，提升規(guī)模化量產(chǎn)能力。產(chǎn)業(yè)融資盛況空前，資本合作如火如荼。頭部的協(xié)鑫光電、纖納光電和極電光能均已完成數(shù)輪融資，為后續(xù)鈣鈦礦中長(zhǎng)期發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，同時(shí)具有一定技術(shù)積累與相關(guān)性的企業(yè)也正在融資轉(zhuǎn)型，加速產(chǎn)業(yè)化建設(shè)。3.鈣鈦礦設(shè)備：鍍膜設(shè)備為核心，技術(shù)路線百花齊放3.1.鈣鈦礦生產(chǎn)流程及對(duì)應(yīng)設(shè)備鈣鈦礦生產(chǎn)技術(shù)線路百家爭(zhēng)鳴。通常情況下，鈣鈦礦組件生產(chǎn)需要經(jīng)歷玻璃清洗→沉積導(dǎo)電層（PVD）→沉積電子傳輸層（RPD/ALD+PVD/狹縫涂布）→沉積鈣鈦礦層（刮刀/狹縫涂布）→沉積空穴傳輸層（PVD/狹縫涂布）→組件封裝（層壓機(jī)），若采用涂布工藝則還需配置VCD進(jìn)行鈣鈦礦干燥。根據(jù)協(xié)鑫100MW中試線推測(cè)，目前鈣鈦礦核心裝備為真空鍍膜設(shè)備（PVD/RPD），然后依次為涂布設(shè)備、激光設(shè)備（四道工序）以及封裝設(shè)備。核心為真空鍍膜設(shè)備，工藝選擇仍需探索。鈣鈦礦工藝類似OLED面板制造，TCO層制備通常選擇PVD設(shè)備；HTL-電子傳輸層可使用PVD或狹縫涂布；電