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商业化时点提前到来,钙钛矿搅动光伏的下一次降本革命丨见智研究

2022-06-23 09:10

近两年钙钛矿不断吸引资本的眼球,既有光伏业内企业纷纷研究布局,又有业界外大佬宁德时代的切入。作为HJT和TOPCon的下一代技术,钙钛矿拥有更高的转换效率,是大佬们争相追捧的重要原因。近期喜迎钙钛矿发展加速的消息,钙钛矿设备龙头京山轻机已实现装备突破,晟成光伏团簇型多腔式蒸镀设备迎来量产交付,为钙钛矿的商业化加速打了一剂强心针。今天见智研究带大家了解一下钙钛矿。

什么是钙钛矿?

自P型电池转换效率达到瓶颈后,N型电池开始成为市场研究的主流。目前市场主要N型电池包括HJT、TOPCon和IBC等,HJT最高转化效率目前已超26%,目前平均量产效率超24%。TOPcon量产效率也已经能达到24.6%,晶科能源最新N型TOPCon电池转化效率达25.4%。

但是就理论极限而言,晶硅电池理论极限效率为29.4%,TOPCon电池理论极限效率为28.7%,理想条件下最高效率在27.5%;HJT效率上限在28.2%-28.7%。晶硅电池29.4%的理论效率可能在十年内就会遇到瓶颈,所以未来N型电池需要叠加钙钛矿层来突破晶硅电池效率极限。HJT相对于其他N型电池而言,更适合采用叠层和钙钛矿技术,这也是市场对HJT认可的重要原因之一。

(捷佳伟创行业会议演示材料,中银国际证券)

钙钛矿其实和“钙钛矿”字面意思并没有什么关联。真正的意思是指与钙钛矿(CaTiO3)晶体结构类似的“ABX3”化合物。所谓钙钛矿电池即利用一种新兴的钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料,进行光电转换的光伏器件。钙钛矿主要分为单层和叠层,新式单层钙钛电池理论效率可达31%,超过晶硅电池极限;而叠层电池包括晶硅/钙钛矿的双节叠层转换效率可达35%,钙钛矿三节层电池理论效率可达45%以上。

(上海电力大学—太阳能研究所)

钙钛矿电池优缺点有哪些?

1)优点

钙钛矿最大的优点就是效率高。因为钙钛矿材料吸光性能远强于晶硅,能量转换过程损耗低,在室内或者弱光的条件下依旧可以实现高能量转换,所以近十年的时间钙钛矿电池转换效率飞速增长,完胜铜铟镓硒等薄膜电池。

第二个优点是成本低。低成本主要体现在原材料和加工两个环节,原材料储量丰富,且电池加工过程的环境和能耗均较晶硅低。其他优点还包括由于其可以制成彩色和半透明薄膜,可以实现不同的彩色效果,因此可以应用到BIPV上,应用更多样。

2)缺点

钙钛矿最大的缺点耐用性差。由于钙钛矿属于离子晶体材料,所以比晶硅脆弱且稳定性差,有易氧化和不耐高温等缺点,寿命短和衰减率高是其一直没有进入工业化的重要原因,因为需要额外支付其他成本提高其稳定性和耐用性。

其次是涂覆技术不成熟导致制造困难。因为涂覆技术不成熟,钙钛矿层没法均匀涂抹在设备表面,对器件性能有明显负面影响,需要提升喷涂工艺。

第三,虽然实验效率高,但实际转化效率可能低。因为普遍使用TCO(透明导电氧化物)薄膜收集电流,而此类材料的一些物理性质会造成光损失,且随着面积的增大愈发明显,这导致钙钛矿组件的效率会明显低于单体电池。

最后还有因为原材料元素含铅等有毒金属物而导致不环保。

众多企业入局,钙钛矿实现产业化要多久?

此前经国际权威机构JET第三方认证,南京大学谭海仁及其科研团队研制的全钙钛矿叠层电池稳态光电转换效率高达28.0%,在国际上首次超越单晶硅电池的最高效率26.7%,创造了人类光伏发展的新的历史。近期钙钛矿技术发展迎来加速。

见智研究统计,目前能布局钙钛矿的主流企业(上市和非上市)已超过20家,其中上市企业布局钙钛矿的在10家左右。其中老牌光伏企业隆基、通威、东方日升等均在钙钛矿技术方面已有布局,除光伏龙头外,锂电池龙头宁德时代也涉足钙钛矿领域,并在今年业绩说明会上表示,目前钙钛矿的研究进展顺利,且已经正在搭建中试线。

(见智研究整理)

除了光伏电池公司外,钙钛矿光伏设备公司似乎目前更受关注。因为生产电池前需要设备,所以在电池实现商业化量产前先要布局产能,所以设备要先行于电池产品。目前上市公司中,国内钙钛矿设备的公司有京山轻机、捷佳伟创、迈为股份、杰普特,其中京山轻机是国内钙钛矿设备的领头羊。

近期钙钛矿陆续传来好消息,其中最重要的是钙钛矿设备龙头,京山轻机子公司晟成光伏团簇型多腔式蒸镀设备量产交付,晟成光伏钙钛矿电池团簇型多腔式蒸镀设备也已具备成熟的供货能力。

京山轻机本是做瓦楞纸包装机械的龙头,2021年其子公司晟成光伏投资10亿新建智能装备制造中心,项目用于新增高端光伏组件设备生产线以及建立制备异质结和钙钛矿叠层电池核心设备研发机构。同年5月又牵手协鑫光电推进钙钛矿叠层电池技术合作开发。一年的时间完成了钙钛矿设备的量产交付,可以说钙钛矿的进展超出了业内预期。

但见智研究认为,虽然目前钙钛矿技术进展较快,但离大规模量产预计至少要3年的时间,预计今年全球钙钛矿产能规模在1.5-2GW之间。国内协鑫光电投建的全球首条100MW量产线已在昆山完成厂房和主要硬件建设,将在今年投入量产。

整体而言,见智研究认为,光伏作为非常重视降本增效的行业,效率最高、成本低、易量产的技术路线才能在最终胜出。目前看钙钛矿与晶硅的叠层电池至少在效率层面是最优的,但是仍需要考虑成本以及投产难度等等问题,但近期钙钛矿效率和产业成绩的持续突破反应进展在加速,钙钛矿量产速度或将提前。

 

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香港大学国际工商管理硕士,中国有色金属硅业协会专家委员会副主任,SEMI中国光伏标准委员会联合秘书长。十年国有商业银行和二十年可再生能源产业经历,其中从事多晶硅硅光伏产业十三年,曾任保利协鑫能源副总裁。

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