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為什么關(guān)注鈣鈦礦？

從光伏終局的本質(zhì)角度看，增效與降本是永恒的訴求。

增效

在理論極限上，晶硅太陽(yáng)能電池、PERC單晶硅電池、HJT電池、TOPCon電池的極限轉(zhuǎn)換效率為29.40%、24.50%、27.50%、28.70%。

單結(jié)鈣鈦礦電池理論最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)31%，多結(jié)電池理論效率達(dá)45%。

降本

制備成本，PSCs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。

設(shè)備投資額方面，鈣鈦礦1GW需要的投資金額約為5億元，是晶硅的1/2左右，是第二代GaAs薄膜太陽(yáng)能電池的1/10。

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為什么當(dāng)前時(shí)點(diǎn)要重視鈣鈦礦？

我們認(rèn)為23年行業(yè)至少會(huì)有1GW鈣鈦礦設(shè)備訂單招標(biāo)，這對(duì)光伏企業(yè)來(lái)說(shuō)是具有里程碑意義的事件，有望開(kāi)啟20年以來(lái)HJT設(shè)備長(zhǎng)牛趨勢(shì)。

根據(jù)產(chǎn)業(yè)調(diào)研，協(xié)鑫、纖納有望23年各招標(biāo)1GW；極電第一期1GW將在24年達(dá)產(chǎn)。

我們此前梳理協(xié)鑫及纖納100MW中試線(xiàn)設(shè)備采購(gòu)情況，協(xié)鑫：3臺(tái)pvd+1臺(tái)涂布設(shè)備+1臺(tái)自研結(jié)晶+P1-P4激光設(shè)備+封裝設(shè)備，纖納：1臺(tái)pvd+3臺(tái)涂布設(shè)備+P1-P4激光設(shè)備+封裝設(shè)備。

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當(dāng)前時(shí)點(diǎn)GW級(jí)尚未落地，我們認(rèn)為主要為主題性投資階段

待GW級(jí)招標(biāo)明確落地，有望走出長(zhǎng)牛行情。

鈣鈦礦基礎(chǔ)特點(diǎn)：

光伏行業(yè)所說(shuō)鈣鈦礦專(zhuān)指甲胺、甲脒等與鉛、碘、溴組成的AMX3形八面體結(jié)構(gòu)材料，具有消光系數(shù)高、弱光性能好、壽命高、制備工藝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

消光系數(shù)高

可以做薄，實(shí)現(xiàn)柔性的應(yīng)用；

弱光性強(qiáng)

BIPV(光伏建筑一體化)應(yīng)用前景較好；

制備工藝簡(jiǎn)單

較晶硅電池更低的度電成本。

效率進(jìn)展：

NO.1

單節(jié)效率

小面積：25.7%（0.1cm2）韓國(guó)某大學(xué)

大面積：17.9%（800cm2）松下

國(guó)內(nèi)：?jiǎn)喂?jié)23.7%（1.0cm2）中國(guó)科技大學(xué)

模組22.44%（26cm2）華北電力大學(xué)與瑞士聯(lián)邦理工大學(xué)合作

NO.2

疊層

鈣鈦礦與晶硅疊層：

小面積：未知 （1.1cm2） 瑞士聯(lián)邦理工

大面積：26.8%（274cm2組件）牛津光伏

鈣鈦礦與鈣鈦礦疊層：起步階段

小面積：28%（0.005cm2）南京大學(xué) 譚海仁

大面積：22%（20cm2小組件）南京大學(xué) 譚海仁

NO.3

效率極限

從染料敏化技術(shù)開(kāi)始發(fā)展13年來(lái)，通過(guò)界面修飾等手段，理論效率可以達(dá)到31%，如果做到最佳代謝（1.35-1.38eV），最高達(dá)33.4%，高于HJT/TOPCON等各類(lèi)晶硅電池27%-29.4%的效率。

同時(shí)以1GW中試線(xiàn)為例，組件效率18%時(shí)，鈣鈦礦成本為晶硅的80%；實(shí)際量產(chǎn)如達(dá)到20%組件效率，成本為晶硅的50%。

成本組成：

以效率為導(dǎo)向，主流結(jié)構(gòu)從介孔向平面轉(zhuǎn)變（萬(wàn)度光源介孔結(jié)構(gòu)效率低，但穩(wěn)定性強(qiáng)）。

平板結(jié)構(gòu)的組件包括透明電極ITO靶材，電子傳輸層氧化錫氧化鈦等，空穴傳輸層的有機(jī)的PTAA或無(wú)機(jī)的氧化亞銅等，電極則在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境使用金銀銅等，實(shí)際投產(chǎn)時(shí)為了降本會(huì)選擇碳電極等。

常規(guī)ITO 中包括銦這一稀有元素，結(jié)合工藝難度成為鈣鈦礦電池成本中占比較高的部分。

量產(chǎn)面臨的困難：

1.穩(wěn)定性差

因?yàn)殁}鈦礦時(shí)離子型的晶體，內(nèi)部會(huì)有很多缺陷，離子會(huì)在內(nèi)部擴(kuò)散導(dǎo)致性能下降。

2.面積放大的問(wèn)題

制造工藝不同于晶硅電池，鈣鈦礦通過(guò)反應(yīng)形成而不是結(jié)晶，在大面積基底上會(huì)出現(xiàn)先后反應(yīng)的情況，成膜均勻性差，提高串聯(lián)電阻，引起效率下降。一旦成膜不好出現(xiàn)孔洞，會(huì)導(dǎo)致電極短接。目前大面積鈣鈦礦的效率是遠(yuǎn)低于小面積的實(shí)驗(yàn)室效率的。

工藝優(yōu)劣：

目前大面積的制備工藝主要包括溶液涂布如狹縫涂布、刮刀涂布，以及真空鍍膜等，或者二者結(jié)合。

1. 溶液涂布（如狹縫涂布或者說(shuō)印刷）：工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備廉價(jià)，效率和穩(wěn)定性高。但厚度和均勻性不好控制。

2. 真空沉積/蒸鍍（如PVD）：厚度和均勻性控制好。但由于兩層沉積材料之間反應(yīng)不徹底產(chǎn)生的殘留會(huì)影響鈣鈦礦的穩(wěn)定性和效率。同時(shí)以碘甲胺為例在真空下在設(shè)備中產(chǎn)生酸性環(huán)境，對(duì)設(shè)備破壞性很大。

當(dāng)前機(jī)構(gòu)常用工藝為先真空沉積一層碘化鉛，再溶液法印刷碘甲胺，但依舊存在反應(yīng)不均勻和殘留問(wèn)題。

大面積鈣鈦礦的主要難點(diǎn)就是如何在溶液中形成大量的結(jié)晶，以提升鍍膜的均勻性。

度電成本：

晶硅與鈣鈦礦電池的材料成本對(duì)度電成本的比較起決定性作用，但晶硅電池的材料成本主要在硅上，鈣鈦礦的材料成本中，碘化鉛和碘甲胺只占到了4%。

鈣鈦礦電池的材料成本主要來(lái)自透明電極、電子傳輸層和空穴傳輸層等。

如使用有機(jī)的PCBM，相比無(wú)機(jī)材料成本上升3倍；如為了提高效率把銅電極換金電極，成本也會(huì)提升2-4倍。

后續(xù)降本方案主要圍繞材料，而設(shè)備花費(fèi)提升對(duì)度電成本影響不大。

由于當(dāng)前鈣鈦礦的穩(wěn)定性遠(yuǎn)未達(dá)到商業(yè)化需求，將度電成本和生命周期進(jìn)行曲線(xiàn)歸一化分析可以發(fā)現(xiàn)，壽命提升對(duì)度電成本下降作用很大。

同樣的，假設(shè)效率從19%提高到21%，度電成本也會(huì)有20-30%的降低。綜上，提升效率和穩(wěn)定性，可以大大降低鈣鈦礦的度電成本。

應(yīng)用方向：

1. 單節(jié)電池；

2. 疊層電池；（尚處于實(shí)驗(yàn)室階段）

3. 弱光環(huán)境；如BIPV（光伏幕墻等）

4. 柔性；由于含鉛等毒性物質(zhì)，消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)可能有較大的推廣阻力

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評(píng)價(jià)RPD優(yōu)勢(shì)？國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程？

傳統(tǒng)的PVD等鍍膜工藝在面板工業(yè)使用廣泛，韓國(guó)等國(guó)外企業(yè)具有一定優(yōu)勢(shì)。

但鈣鈦礦所用鍍膜工藝與傳統(tǒng)有一定區(qū)別，如在沉積鍍膜過(guò)程中溫度不能太高，靶材等材料的變化等等，所以國(guó)內(nèi)還是有搶占專(zhuān)利與市場(chǎng)的機(jī)會(huì)。如捷佳緯創(chuàng)有RPD設(shè)備交付。

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除真空鍍膜和溶液涂布外，是否有新工藝的可能性？

目前無(wú)更優(yōu)工藝。真空蒸鍍有順蒸法和共蒸法，共蒸法在反應(yīng)速度和殘留等方面有優(yōu)勢(shì)。但二者都有有機(jī)鹽在真空下分解，對(duì)真空腔體的腐蝕破壞問(wèn)題。

設(shè)備開(kāi)發(fā)方如果能解決這個(gè)問(wèn)題會(huì)有競(jìng)爭(zhēng)力。

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電子傳輸層和空穴傳輸層使用的主流材料？

電子傳輸層蒸鍍除PVD外還有原子層沉積（ALD）工藝，使用的前驅(qū)體會(huì)有差異，四甲基胺基錫？PVD的話(huà)就是用靶材，加入一些摻雜（鎂、鋁、銅）提升穩(wěn)定性，摻雜比例尚待研究。

在電子傳輸層使用溶液法的話(huà)需要較貴的有機(jī)材料，效率高但穩(wěn)定性不好，存在開(kāi)發(fā)既穩(wěn)定有便宜材料的空間。

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離子遷移問(wèn)題？

不同于晶硅電池，鈣鈦礦對(duì)缺陷的容忍度較高，比如10的15次方到17次方每立方厘米的缺陷都能實(shí)現(xiàn)較高的光電轉(zhuǎn)化效率。

這些缺陷會(huì)導(dǎo)致離子在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中運(yùn)動(dòng)，使得整體產(chǎn)生破壞或崩解，或是遷移到其他層。

解決方法有：

1）在鈣鈦礦材料中加入一些促進(jìn)結(jié)晶、減少缺陷的鈍化材料；以及進(jìn)行界面層的開(kāi)發(fā)，也叫類(lèi)封裝，類(lèi)似于HJT的鈍化；

2）電極也會(huì)在工作時(shí)產(chǎn)生擴(kuò)散，如碘和銀很容易反應(yīng)，需要在銀電極和載流層間加一層阻隔層，也叫內(nèi)封裝層。

3）鈣鈦礦怕水怕氧，需要外封裝。學(xué)術(shù)界提出封裝材料的透過(guò)率指標(biāo)如使用晶硅電池的，是否適用，鈣鈦礦可能需要更嚴(yán)格。

可能需要開(kāi)發(fā)透過(guò)率更低的封裝材料。萬(wàn)度光源的介孔結(jié)構(gòu)電池特殊，可以通過(guò)IEC61215的測(cè)試；纖納光電最近宣布一款電池通過(guò)了雙85試驗(yàn)，但該試驗(yàn)只是1000小時(shí)，基于此能否推出20-25年的使用壽命，學(xué)術(shù)界是有爭(zhēng)議的。

因?yàn)榫Ч枋址€(wěn)定，但鈣鈦礦是離子型的，在光照和暗光環(huán)境的內(nèi)建電場(chǎng)不同，IEC標(biāo)準(zhǔn)是沒(méi)有光-暗設(shè)計(jì)的，而實(shí)際環(huán)境下光暗往復(fù)的應(yīng)力對(duì)壽命影響是非常大的。

研究成果表明，相比穩(wěn)定光照條件，鈣鈦礦在光暗變化狀態(tài)會(huì)很快衰減。

另外不確定穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是否關(guān)注了效率之外的遲滯效應(yīng)，比如開(kāi)始正反掃效率都是20%，過(guò)了1000小時(shí)候，正掃是20.1變化不大，但反掃只有18了，這就表明器件已經(jīng)在衰減了，只是效率顯示不出來(lái)。所以產(chǎn)業(yè)界需要一個(gè)鈣鈦礦專(zhuān)用的類(lèi)似IEC的標(biāo)準(zhǔn)。

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鈣鈦礦鈍化與晶硅鈍化的差異？

鈣鈦礦鈍化是通過(guò)化學(xué)上的退位實(shí)現(xiàn)的，比如某個(gè)鉛沒(méi)有碘了，補(bǔ)充一個(gè)跟鉛 退位的氧元素，維持本身的結(jié)構(gòu)。

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考慮暗態(tài)交錯(cuò)會(huì)影響壽命，現(xiàn)在有沒(méi)有公認(rèn)的壽命記錄？

萬(wàn)度光源的結(jié)構(gòu)過(guò)了10000小時(shí)，纖納光電過(guò)了雙85測(cè)試1000小時(shí)，但具體能用多久沒(méi)有更多數(shù)據(jù)。如果不考慮遲滯效應(yīng)，大概就是10000小時(shí)，還是需要一個(gè)適用于鈣鈦礦的類(lèi)似IEC的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)的制定各家都在參與。

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高透明性應(yīng)用，如不同顏色在效率上的影響？

高透明性不會(huì)影響效率，半透明器件兩面透光反而會(huì)提高很高效率，比如透過(guò)幕墻后，分母（光照強(qiáng)度）變小了，得益于弱光性能強(qiáng)，就會(huì)得到40%以上的轉(zhuǎn)化效率。（計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)不同）

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萬(wàn)度的介孔結(jié)構(gòu)優(yōu)劣？

最大的優(yōu)勢(shì)就是高穩(wěn)定性。

劣勢(shì)：

①使用碳電極，厚度大，不能半透明；

②介孔使用氧化鈦，紫外光會(huì)使得氧化態(tài)分解，但有新文獻(xiàn)表明使用氧化錫介孔已經(jīng)解決了這個(gè)問(wèn)題；

③介孔結(jié)構(gòu)沒(méi)有空穴傳輸層，效率上限較低，實(shí)驗(yàn)室17%，萬(wàn)度產(chǎn)品14-15%。

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光伏后續(xù)發(fā)展方向？疊層是否會(huì)高速發(fā)展？

疊層的關(guān)鍵在中間層，厚度不能太厚，怎么在起伏的底面上做300納米左右的成膜是工藝難點(diǎn)。

同時(shí)，穩(wěn)定性是鈣鈦礦單節(jié)和疊層的共性問(wèn)題。

如果能解決穩(wěn)定性問(wèn)題，傳統(tǒng)晶硅龍頭企業(yè)在晶硅已經(jīng)很接近理論效率極限的情況下，可能會(huì)發(fā)力占據(jù)鈣鈦礦/晶硅疊層的先機(jī)。

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鈣鈦礦的理論極限31%和33%兩種說(shuō)法的區(qū)別？

1.48eV的帶隙寬度計(jì)算下是31%，但最好的寬度1.35eV，理論效率能達(dá)到33.4%左右，但需要摻入錫替換鉛，很容易被氧化，產(chǎn)業(yè)應(yīng)用落后于鉛。

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鈣鈦礦疊鈣鈦礦的情況？

專(zhuān)家個(gè)人意見(jiàn)鈣鈦礦/硅疊層率先產(chǎn)業(yè)化，然后是單節(jié)（包括組件，BIPV等），隨后才是鈣/鈣疊層，因?yàn)榧夹g(shù)難點(diǎn)更多，并不是解決單節(jié)的穩(wěn)定性，就能解決疊層的穩(wěn)定性問(wèn)題的（含有易氧化的Sn），推測(cè)落后3-5年左右。

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鈣鈦礦電池的電子空穴來(lái)自于哪種組分？

通常都是碘和鉛（不能具體到鉛或碘，分不開(kāi)）。

原標(biāo)題：為什么關(guān)注鈣鈦礦？