钙钛矿太阳能电池技术概述

      随着碳达峰、碳中和概念持续发展概念的兴起，行业内部开始将更多的注意力放在低碳环保的创新变革上。在碳达峰和碳中和的计划里，太阳能和风能是重中之重，行业预估到实现碳中和的时间点，两者加起来的发电量大约要占到全部发电量的60%以上，而光伏行业作为利用太阳能发电的重要载体，将更为重视在技术上的研发和创新。近两年，在光伏产业领域的新科技中，我们常听到一个词“钙钛矿太阳能电池”，这是现今通过实验室实验得出的理论上可以超越硅晶材料电池的新发现，对整体光伏发电产业具有重大意义。

      目前，光伏市场规模仍然处于高增长阶段。但是在原材料价格高的情况下，光伏企业如何降本增效、保住利润，是光伏产业要实现长期发展面临的第一个难题。此外，光伏产业想要在能源结构中占据更重要的位置，还需要解决第二个难题，就是提高发电效率。发电效率是指把太阳能转化成电能的比例。几年前，常用的光伏材料的发电效率较低，只有10%—15%。相比起来，火力发电用的燃气轮机发电效率可以达到40%以上。如今，提高光伏发电的效率，已成为全世界的科学团队展开激烈竞争的赛道。

      众所周知，光伏行业中光伏材料主要构成是晶硅，全球95%以上的太阳能电池是晶硅材料，其产业化、可靠性都非常高。在过去的20年，晶硅电池的转换效率已经翻倍增长。从2000年的12%左右，增长到2022年的25.47%，有效提高了光电转化效率。现阶段，光伏行业转换效率已经接近行业天花板。据测算，作为第一代太阳能电池，晶硅电池的理论极限效率是29.4%，与目前实际达到的25.47%只有不到4个百分点的增长空间；另外，在生产成本上，从硅材料变成电池组件的制造成本，占比很高。尤其是在光伏电站初建成期，电池组件硬件占到成本的近40%，是占比最高的成本投入。晶硅电池企业也一直在寻求降低生产成本的方法，过去十几年，通过技术不断迭代创新，组件成本下降超过了90%，现行的成本下降空间所剩无几。而第二代以碲化镉（CdTe）、砷化镓（GaAs）、铜铟镓硒（CIGS）为代表的薄膜太阳能电池，理论效率成本优势大，但量产实现存难度，一个重要原因就是砷、碲、镉、镓元素在地球上相对稀少，价格很难下降，而硅的原料几乎没有限制，地壳中1/4的元素都是硅。所以，薄膜材料的市场份额从2010年的15%下降到了2020年的5%，被硅严重挤压。整体行业进入到了发展的瓶颈期。尽管我国的光伏产业目前领先全球，但如果在成本上不能有效降低，或者说未来不能够将光电转换率再大幅提升，那么我国作为行业翘楚的优势将渐渐被取代，因此寻求技术创新或者新材料替代势在必行。     

      钙钛矿（Perovskite）指一大类化合物，具有与矿物钙钛氧化物相同晶体结构。其化学成分简写为AMX3，其中A通常代表有机分子，M代表金属（如铅或锡），X代表卤素（如碘或氯）。其命名来自俄罗斯矿物学家Perovski的名字。这类物质有一种特殊结构，光电特性非常好，在阳光照射下，很容易释放电子。用来发电的时候，可以把钙钛矿涂在玻璃或者柔性材料上，看起来就像涂了一层墨水。

      钙钛矿的吸光性很强，只需要几百纳米厚，就能吸收大部分阳光。厚度几乎只有头发的1/100。而硅晶体要吸收同样多的阳光，至少要厚上一百倍。如上述情况，钙钛矿材料使用起来很“薄”，这样就容易制成透明材料，和其他材料一起用。比如，钙钛矿可以叠加在晶硅电池表面，一起发电。二者擅长吸收的阳光不同，钙钛矿更能吸收紫外和蓝绿光，而晶硅更能吸收红外光。如果把它们叠串起来，能量利用率更高。理论上，这种组合电池的光电转换效率可达到43%。2021年4月，德国的国家级研究机构——柏林亥姆霍兹中心，利用钙钛矿和晶硅串叠制造的电池，转换效率已经达到29.8%，已超过晶硅电池的理论极限。除了和晶硅一起串联，钙钛矿电池自己也可以多层叠加，效率不低。理论上，三层钙钛矿电池，即把三个钙钛矿电池上下重叠在一起，它的转换效率可达到40%以上，是晶硅效率的两倍。从2009年日本科学家制备出第一个钙钛矿太阳电池到现在，单层钙钛矿电池的效率从3.8%提升到25.8%。而晶硅电池，从1960年就开始发展，耗时60多年，最高效率仅提升到26%左右，作为一个新型材料，钙钛矿的潜力很大。钙钛矿电池优势分析如下表：

      钙钛矿太阳能电池极限转换效率总体高于晶硅电池，优势突出。在理论极限上，晶体硅太阳能电池、普通单晶硅电池、HJT电池、TOPCon电池的极限转换效率为29.40%、24.50%、27.50%、28.70%，而单结钙钛矿、钙钛矿+晶硅、多结钙钛矿电池极限转换率为33%、43%、69%。

      四、钙钛矿的相关政策及市场情况
      国内钙钛矿领域投融资活跃度及产能扩张动作自2020年开始显著加速：一方面受益于国内钙钛矿科研成果突破，另一方面也得益于国内双碳相关政策对赛道的加持背书。
      政策方面，双碳目标奠定了光伏未来主体能源地位，其中国家部委出台两个规划、一个方案明确提及发展钙钛矿新型技术：2022年4月，国家能源局、科学技术部出台《“十四五”能源领域科技创新规划》明确研究高效钙钛矿电池制备与产业化生产技术等五项光伏技术。2022年6月，国家九部门联合印发《“十四五”可再生能源发展规划》，强调加强可再生能源前沿技术攻关，掌握钙钛矿等新一代高效低成本光伏电池制备及产业化生产技术。2022年8月，国家科技部、发改委、工信部等九部门出台的《科技支撑碳达峰碳中和实施方案（2022—2030 年）》再次提到研究基于新材料（钙钛矿）和新结构的光伏电池新技术。
      科研方面，我国钙钛矿太阳能电池研发成果位居国际前列，贡献了全球48%的钙钛矿领域发表论文，目前有近十个国内高校团队正在将科研成果转化为产能落地，相关投融资活动密集，叠加前期耕耘多年的几家钙钛矿初创企业，国内钙钛矿领域初创企业的合计估值或已超过百亿元。
      产能方面，有2家企业（协鑫光电、纤纳光电）已于2022年中率先投产百兆瓦量产中试线，进行产线调试和良率爬坡工作；另有3家企业（极电光能、万度光能、众能光电参股无锡项目）正在开展百兆瓦量产中试线设备搬入工作。
      目前以协鑫光电，纤纳光电，极电光能等为首的钙钛矿先行企业纷纷布局，在电池结构、材料体系、制备工艺、生产设备等方面各显神通，力图突破稳定性、大面积制备、效率的三角难题。预计首批百兆瓦量产中试线若顺利实现产线调通、产能爬坡以及良率提升，目标效率16%、成本1.51元/瓦，对应度电成本0.38元/度，较晶硅高23%。后续若能进入GW级量产时代，通过采购量和转换效率提升摊薄成本，目标实现效率18%、成本1.1元/瓦，度电成本较硅差距缩窄至6%。
      资本市场投入情况：2020年以来，密集的政策出台引导了一二级资本对钙钛矿领域初创企业的投入。
      下图为钙钛矿太阳能电池一级市场布局情况概览：

      五、钙钛矿太阳能电池面临的挑战及风险
      核心问题一，效率提升问题。针对此问题，技术方案主要有：在钙钛矿层和导电层之间放置电子传输层及添加甲胺基溴化铅；从阴离子空位缺陷入手，利用阴离子工程概念抑制存在于晶界和钙钛矿薄膜表面的阴离子空位缺陷等策略实现转换效率的提升。
      核心问题二，长期稳定性问题。针对此问题，技术方案主要有：通过整体界面稳定策略，对钙钛矿层和空穴传输层、电子传输层和器件封装等相关层和界面进行修饰；通过将苯甲基肼盐酸盐添加到制备钙钛矿电池的前驱体溶液中；通过向甲脒－铯混合阳离子钙钛矿中添加过量的甲脒/铯和碘等方式实现钙钛矿层稳定性提升。
      核心问题三，大面积可拓展制备问题。针对此问题，技术方案为：通过甲脒铯钙钛矿前驱体溶液中添加事苯亚砜稳定前驱体膜；通过可扩展的，可正交加工的喷涂方法在表面区域以明确的组成梯度；采用狭缝涂布印刷工艺等策略实现大面积薄膜的高质量可拓展制备。
      虽然目前钙钛矿太阳能电池是光伏行业的新兴热点技术，但由于该技术目前还未完全成熟，更多技术成果还存在于理论实验室中，因此在转换为实际大规模的生产力之前，存在一定的风险：
      （一）钙钛矿大面积制备工艺突破不如预期。目前钙钛矿最需要解决的工艺难点在于大面积制备方面，如果无法突破，钙钛矿量产时间可能持续推迟。
      （二）钙钛矿商业化不如预期。目前产业还处于孵化阶段，以资金驱动结合技术研发为主，尚未形成明确的商业化场景。
      （三）钙钛矿企业融资不如预期。钙钛矿的技术突破需要下游钙钛矿电池企业与上游设备公司相互配合，早期仍需要一定的初始投资资金支持。相关企业融资不顺利可能会延缓钙钛矿相关技术的突破。
      六、相关建议
      新能源行业多年来一直是投资领域关注的热点板块，我国将新能源行业发展列为国家级发展战略，在碳达峰碳中和要求下，实现能源产业升级将成为未来发展趋势。但从目前科技转化成功率来看，早期新技术还有待实践验证。建议持续关注新能源行业发展，借力国家发展规划，在光伏发电、风能、电能等可替代能源中寻找合适的投资机会。