什么是鈣鈦礦電池

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）是利用鈣鈦礦型材料作為吸光層的新型化合物薄膜太陽(yáng)能電池。鈣鈦礦的命名取自俄羅斯礦物學(xué)家Perovski的名字,結(jié)構(gòu)為ABX3以及與之類似的晶體統(tǒng)稱為鈣鈦礦物質(zhì)。鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池,即perovskite solar cells，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(yáng)能電池。

鈣鈦礦電池

鈣鈦礦并不是專指一種含鈣和鈦的某種化合物，而是一類具有ABX3結(jié)構(gòu)的晶體材料的總稱，可選的材質(zhì)種類眾多。

鈣鈦礦電池的結(jié)構(gòu)主要由以下幾個(gè)關(guān)鍵部分組成：透明導(dǎo)電基底、電子傳輸層、鈣鈦礦吸光層、空穴傳輸層和金屬電極。這些組成部分共同協(xié)作，使得鈣鈦礦電池能夠有效地吸收太陽(yáng)光并將其轉(zhuǎn)化為電能。

透明導(dǎo)電基底：這是鈣鈦礦電池的基礎(chǔ)，通常采用摻氟的氧化錫（FTO）或摻銦的氧化錫（ITO）等材料制成，具有高透光性和良好的導(dǎo)電性。它的主要作用是引入太陽(yáng)光并收集產(chǎn)生的電流。透明導(dǎo)電基底的選擇對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能至關(guān)重要，因?yàn)樗粌H影響光線的入射，還影響電流的導(dǎo)出。

電子傳輸層：位于透明導(dǎo)電基底和鈣鈦礦吸光層之間，主要作用是傳輸電子。常用的電子傳輸層材料包括二氧化鈦（TiO2）、氧化鋅（ZnO）等，這些材料具有良好的電子遷移率和穩(wěn)定性，能夠?qū)⑩}鈦礦吸光層中產(chǎn)生的電子傳輸?shù)酵该鲗?dǎo)電基底上。

鈣鈦礦吸光層：這是鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的核心部分，主要由ABX3結(jié)構(gòu)的有機(jī)鹵化物鈣鈦礦材料構(gòu)成。這些材料具有優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換性能，能夠有效地將太陽(yáng)光的能量轉(zhuǎn)化為電能。鈣鈦礦吸光層的制備工藝和性能對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的整體性能具有決定性影響。

空穴傳輸層：位于鈣鈦礦吸光層和金屬電極之間，主要作用是傳輸空穴。常用的空穴傳輸層材料包括Spiro-OmetaD等，這些材料能夠有效地提取和傳輸光生空穴，從而提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

金屬電極：這是鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的最后一道工序，主要負(fù)責(zé)傳輸電荷并連接外電路。通常是在空穴傳輸層外面蒸鍍一層金、銀或鋁制成，以提高電極的導(dǎo)電性能。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)分類多樣，每種結(jié)構(gòu)都有其獨(dú)特的特點(diǎn)和適用場(chǎng)景，通常包括正式介孔結(jié)構(gòu)、正式平面結(jié)構(gòu)以及反式平面結(jié)構(gòu)。

鈣鈦礦電池的發(fā)展階段

HJT電池的發(fā)展歷程可以分為技術(shù)雛形期、技術(shù)累積期、快速發(fā)展期、爆發(fā)期四個(gè)階段。

鈣鈦礦電池的優(yōu)勢(shì)

相比較晶硅而言，鈣鈦礦具備三大核心優(yōu)勢(shì)即光電轉(zhuǎn)換效率高、原材料豐富且易于合成、生產(chǎn)工藝流程短、應(yīng)用場(chǎng)景豐富。

光電轉(zhuǎn)換效率高

資料顯示，單結(jié)晶硅電池的理論極限效率約為29%，而鈣鈦光伏電池的單結(jié)理論效率可達(dá)31%；鈣鈦礦疊層電池，包括晶硅/鈣鈦礦的雙結(jié)疊層轉(zhuǎn)換效率可達(dá)35%，鈣鈦礦三結(jié)層電池理論效率可達(dá)45%以上，因此被業(yè)內(nèi)認(rèn)為有望成為下一代主流光伏技術(shù)。

材料豐富且易于合成

晶硅電池的基礎(chǔ)原料是多晶硅，需要消耗大量能源從提純?cè)脊璨牧?。而鈣鈦礦電池制作過(guò)程無(wú)需硅料，制作金屬鹵化物鈣鈦礦所需原材料儲(chǔ)量豐富，價(jià)格低廉，且前驅(qū)液的配制不涉及任何復(fù)雜工藝，對(duì)純度要求不高，后續(xù)組件對(duì)加工環(huán)境要求也不高，組件生產(chǎn)過(guò)程不需要晶硅電池的千度左右的加工溫度，在生產(chǎn)過(guò)程中的能耗比較低，多數(shù)環(huán)節(jié)也不需要真空環(huán)境。目前，鈣鈦礦組件成本結(jié)構(gòu)占比最多的是電極材料，達(dá)37%，鈣鈦礦自身材料成本占比僅為5%，鈣鈦礦組件未來(lái)仍有較大的降本空間。

生產(chǎn)工藝流程短

晶硅電池一般需要硅料、硅片、電池、組件四個(gè)生產(chǎn)制造階段，此過(guò)程需要至少耗時(shí)3天，而鈦礦電池的生產(chǎn)流程簡(jiǎn)單，可在45分鐘內(nèi)將玻璃、膠膜、靶材、化工原料在單一工廠內(nèi)加工成為組件，產(chǎn)業(yè)鏈顯著縮短，價(jià)值高度集中。

應(yīng)用場(chǎng)景豐富

鈣鈦礦具有輕質(zhì)、柔性、弱光性高等特點(diǎn)，下游應(yīng)用場(chǎng)景廣闊。包括光伏建筑、發(fā)電幕墻，、發(fā)電石材、車頂光伏、移動(dòng)設(shè)備和電子產(chǎn)品、聯(lián)網(wǎng)傳感器等。隨著技術(shù)的推進(jìn)，鈣鈦礦應(yīng)用場(chǎng)景充滿想象空間。

鈣鈦礦電池工藝

鈣鈦礦電池吸光層制備工藝總體參照硅基薄膜、銅銦鎵硒薄膜等薄膜光伏制備工藝，分為濕法工藝和干法工藝兩大類。其中，濕法工藝又包括狹縫涂布和絲網(wǎng)印刷。

通常情況下鈣鈦礦電池企業(yè)在實(shí)驗(yàn)室階段各種技術(shù)路線均會(huì)嘗試進(jìn)行初步論證，而走向大面積100MW中試產(chǎn)線時(shí)目前大多數(shù)企業(yè)選用濕法工藝進(jìn)行鈣鈦礦組件制備，少數(shù)企業(yè)選擇干法或涂布加蒸鍍兩步法工藝。

除吸光層外，單結(jié)鈣鈦礦電池核心層還包括電子傳輸層、空穴傳輸層。電子傳輸層和空穴傳輸層沉積技術(shù)路線較為相似，基本包括PVD（包含磁控濺射和蒸鍍法）、反應(yīng)等離子沉積（RPD）和狹縫涂布三種。目前，產(chǎn)業(yè)界制備鈣鈦礦核心層主流路線包括PVD→狹縫涂布（絲網(wǎng)印刷）→RPD（PVD）、PVD→PVD（氣相沉積）→RPD（PVD）、PVD→狹縫涂布+PVD（蒸鍍）→RPD（PVD）三大類，不同技術(shù)路徑均有優(yōu)缺點(diǎn)，尚未形成統(tǒng)一的技術(shù)路徑。

涂布法鈣鈦礦電池整線工藝流程

涂布法鈣鈦礦電池整線生產(chǎn)工藝，分為前段電池制備和后端組件封裝，累計(jì)超過(guò)30多個(gè)環(huán)節(jié)。前段工藝主要包括前電極制備、激光劃線、鈣鈦礦吸光層、電子傳輸、空穴傳輸、背電極制備等，其中鈣鈦礦吸光層最為關(guān)鍵。后段工藝主要包括膠帶貼合、丁基膠涂敷、層壓及接線盒焊接、檢測(cè)等工序。

鈣鈦礦電池的企業(yè)布局

目前，鈣鈦礦電池技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到商業(yè)化量產(chǎn)的前夜。許多專業(yè)化的鈣鈦礦電池研發(fā)制造企業(yè)如協(xié)鑫光電、纖納光電、極電光能、萬(wàn)度光能、仁爍光能等企業(yè)正在積極推進(jìn)鈣鈦礦電池商業(yè)化量產(chǎn)。原有的晶硅電池企業(yè)則在積極推進(jìn)鈣鈦礦、晶硅雙節(jié)電池的研發(fā)。

1、協(xié)鑫光電

協(xié)鑫光電材料有限公司成立于2019年底，公司專注于研發(fā)、生產(chǎn)1m*2 m尺寸的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池組件，2021年建成全球首條100MW鈣鈦礦太陽(yáng)能電池生產(chǎn)線。母公司蘇州協(xié)鑫納米科技有限公司于2017年在蘇州建成一條10 MW級(jí)45cm×65cm鈣鈦礦光伏組件中試產(chǎn)線，通過(guò)采用自主研發(fā)的大面積鈣鈦礦Slot-die涂布方法，輔以大面積鈣鈦礦溶液結(jié)晶成膜技術(shù)和先進(jìn)的內(nèi)聯(lián)集成技術(shù)，可批量生產(chǎn)具有商用化價(jià)值的45cm×65cm產(chǎn)品，目前該產(chǎn)品的效率已超過(guò)15%，在同類產(chǎn)品中處于世界領(lǐng)先水平。

協(xié)鑫光電鈣鈦礦疊層組件

圖片來(lái)源：協(xié)鑫光電

2、纖納光電

2015年，三位浙江大學(xué)校友姚冀眾、顏步一博士、楊旸聯(lián)合創(chuàng)辦了纖納光電，成為最早一批研發(fā)并制造鈣鈦礦電池的公司。2016年纖納光電研發(fā)的的鈣鈦礦光伏組件光電轉(zhuǎn)換率達(dá)到15.24%，，刷新了日本科學(xué)家創(chuàng)造的12.1%的世界紀(jì)錄。2017年5月，纖納光電創(chuàng)造了16.0%的新的世界紀(jì)錄；2017年12月，纖納光電將這一紀(jì)錄提升至17.4%。從2017年到2022年，纖納光電又將鈣鈦礦的轉(zhuǎn)換效率從17%，提升至21.8%。

纖納光電發(fā)布α2鈣鈦礦組件

圖片來(lái)源：纖納光電

3、極電光能

極電光能是一家專業(yè)從事鈣鈦礦光伏、鈣鈦礦光電產(chǎn)品研發(fā)和制造的創(chuàng)新型高科技企業(yè)。公司起源于長(zhǎng)城控股集團(tuán)，2018年開始鈣鈦礦技術(shù)研發(fā)，2020年正式獨(dú)立面向全行業(yè)發(fā)展。極電光能建成首條全球規(guī)模最大、智能化程度最高的150MW鈣鈦礦光伏組件標(biāo)桿生產(chǎn)線。全球首條GW級(jí)鈣鈦礦光伏組件量產(chǎn)線建設(shè)中。

極電光能鈣鈦礦光伏產(chǎn)品

圖片來(lái)源：極電光能

4、仁爍光能

仁爍光能成立于2021年底，專注高效率鈣鈦礦光伏電池的研發(fā)與制造。鈣鈦礦單結(jié)及疊層技術(shù)全球領(lǐng)先，連續(xù)七次創(chuàng)造鈣鈦礦電池光電轉(zhuǎn)換效率的世界紀(jì)錄，已申請(qǐng)核心專利60余件。2022年建成全球首條10MW全鈣鈦礦疊層研發(fā)中試線，2023年底投產(chǎn)150MW量產(chǎn)線，2024年規(guī)劃建設(shè)GW級(jí)大規(guī)模量產(chǎn)線。

仁爍光能正在與眾多車企積極洽商汽車頂棚鈣鈦礦光伏電池業(yè)務(wù)合作

圖片來(lái)源：仁爍光能

5、眾能光電

杭州眾能光電科技有限公司創(chuàng)立于2015年8月，由清華校友創(chuàng)辦，專注于鈣鈦礦太陽(yáng)能器件和相關(guān)裝備的產(chǎn)業(yè)化，成為國(guó)內(nèi)第一家大面積組件效率突破15%的光電企業(yè)。

眾能光電MW級(jí)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池全自動(dòng)產(chǎn)線

圖片來(lái)源：眾能光電

鈣鈦礦電池的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

目前，行業(yè)普遍認(rèn)為鈣鈦礦與晶硅電池組成的疊層電池是未來(lái)重要的技術(shù)方向。因此行業(yè)普遍看好鈣鈦礦電池的發(fā)展趨勢(shì)，而且鈣鈦礦電池也受到光伏企業(yè)以及資本的青睞。行業(yè)預(yù)計(jì)2030年鈣鈦礦電池產(chǎn)能將達(dá)到461GW。

據(jù)光伏頭條（微信號(hào)：PV-2005）不完全統(tǒng)計(jì)，2023年距今，脈絡(luò)能源、眾能光儲(chǔ)、黑晶光電、仁爍光能、極電光能等企業(yè)共計(jì)15次融資事件。融資金額少則數(shù)千萬(wàn)元，多則上億元。

對(duì)于鈣鈦礦電池技術(shù)而言，其最大的優(yōu)勢(shì)在于未來(lái)性，這使其具有潛在的投資價(jià)值，因此也受到各大資本、投行的重視。

內(nèi)容資料參考來(lái)源： 儲(chǔ)能蓄電池、勢(shì)銀、智研咨詢、協(xié)鑫光電、纖納光電、極電光能等