起底钙钛矿，以及钙钛矿太阳能电池产业化之路（一） $隆基股份(SH601012)$ $京山轻机(SZ...

$隆基股份(SH601012)$      $京山轻机(SZ000821)$      $宁德时代(SZ300750)$     

         最近钙钛矿光伏电池热度很大：5月5日，宁德时代董事长曾毓群在业绩说明会上称，公司钙钛矿光伏电池研究进展顺利，正在搭建中试线。5月8日st华钰因为一种钙钛矿与硒化锑叠层的电池制备技术而荣登雪球杀猪榜。趁此机会给感兴趣的朋友们普及下钙钛矿相关的知识以及钙钛矿太阳能电池产业化之路。

            一、什么是钙钛矿

        钙钛矿与“面非面”异曲同工，其实和钙、钛、矿三个字都没什么关系，光伏领域的所谓“钙钛矿”，指的是一类与钙钛矿（CaTiO3）晶体结构类似的“ABX3”化合物。这种结构长成下面这个样子：

钙钛矿结构可以用ABX3表示，简而言之，钙钛矿材料不是指用狭义的“钙钛矿”做的材料，而是具有某种特定结构的材料之总称。为防止歧义，下文所述“钙钛矿”，如无特殊说明，均指代这种类钙钛矿结构的光伏材料，而非字面意义的钙钛矿（CaTiO3）。

         2009年，当日本科学家Tsutomu Miyasaka首次用钙钛矿太阳能电池发电时，光电转换效率仅为3.8%，彼时晶硅电池实验室转化效率已经达到了18%左右。仅仅12年过去，钙钛矿实验室转换效率的最高纪录已经达到29.8%，超过目前效率最高的异质结、TOPCon等晶硅技术的效率极限，将同为薄膜电池的其它技术路线甩开几条街。

         二、钙钛矿光伏电池的优势

        1.相比晶硅，钙钛矿材料具有可设计性。

         材料可以不断迭代是钙钛矿最大的优势。1954年，硅晶体管问世，从彼时到今天，晶硅材料从未发生丝毫变化，钙钛矿则不同。2009年，日本科学家首次用钙钛矿太阳能电池发电，此后十年间，它的配方多次更迭，已发生天翻地覆的变化。

         钙钛矿光电转化效率是一个渐进过程，但相比晶硅，演进速度则快了很多。如下图所示，钙钛矿用了大概10年左右的时间，将转换效率从最初的3.8%提升至目前超过29%的实验室效率记录（21年底），赶上了过去晶硅四五十年的发展，这在光伏技术发展史上，从未有过。支持这种快速进步的，正是钙钛矿材料和结构的不断改善。

       2.光电转换效率极限值高。

         经过几十年的改进，太阳能电池在继续提高晶硅电池的转换效率方面遇到了重大瓶颈；光伏材料在将太阳能转化为电能方面有一个极限。这个极限的高低取决于它们的“带隙”，即将电子从材料中释放出来，使其成为电荷载流子在电路中流动所需的能量。晶体硅的带隙为1.1 eV，这意味着来自太阳、能量小于1.1 eV的光子不能释放电子，高于1.1 eV的光子仍可产生电荷载流子，但超过1.1 eV的部分光子能量将以热能的形式浪费掉。从1954 年美国贝尔实验室研制出第一个实用的晶硅太阳能电池起，其在实验室可实现的最高转换效率就在27%左右。

目前晶硅组件不同技术的理论极限分别为：

晶体硅太阳能电池理论极限效率：29.43%；

普通单晶硅电池理想条件下最高效率为24.5％；

TOPCon电池理想条件下最高效率为27.5％；

HJT电池具有更加高的效率上限：28.2%-28.7%

         钙钛矿是直接带隙材料，吸光能力远高于晶硅材料。新式钙钛矿光伏电池的单层理论效率可达31%，钙钛矿双结叠层电池转换效率可达35%，钙钛矿三结叠层电池理论效率可达45%以上。而如果掺杂新型材料，钙钛矿电池的转换效率最高能达到惊人的50%，是目前晶硅电池的2倍左右。

3.从生产端，钙钛矿电池的重要优势——显著缩短产业链。

         目前，根据协鑫光电透露：100兆瓦的单一钙钛矿电池工厂，从玻璃、胶膜、靶材、化工原料进入，到组件成型，总共只需45分钟。

         而对于晶硅来说，硅料、硅片、电池、组件需要四个以上不同工厂生产加工，倘若所有环节无缝对接，一片组件完工大概也要三天左右时间，用时差异很大。

4. 从产能投资来看，钙钛矿电池有巨大优势

         以1GW产能投资来对比，晶硅的硅料、硅片、电池、组件全部加起来，需要大约9亿、接近10亿元的投资规模，而钙钛矿1GW的产能投资，在达到一定成熟度后，约为5亿元左右，是晶硅的1/2。

5.原料优势

         从原材料视角，钙钛矿是直接带隙材料，吸光能力远高于晶硅材料。 晶硅组件中的硅片，厚度通常为180微米，而钙钛矿组件中，钙钛矿层厚度大概是0.3微米，这里有三个数量级的差异。对比晶硅，如果把50万吨硅料完全替换成钙钛矿，大概1000吨就可以满足需求，所以，钙钛矿原料没有任何瓶颈，一是用量少，二是不存在稀缺性。

6.纯度要求低，低能耗

       太阳能级的硅料，纯度需要达到99.9999%（6个9），现在还有把标准把纯度拉升至了99.99999%的（7个9）。但对于钙钛矿，只需要1个9（95%）即可满足使用需求，这一个9，不仅会降低能耗，同时对于稳定性也会有一个根本提升。

      从能耗角度，有一个数字可供对比——每1瓦单晶组件制造的能耗，大约是1.52KWh，而钙钛矿组件能耗为0.12KWh，单瓦能耗只有晶硅的1/10，这是一个显著优势。

7.制造成本低

         从综合成本角度，相比于晶硅，钙钛矿也有很大优势——单片组件成本结构中，钙钛矿材料占比仅约为5%，总成本约为5毛到6毛钱左右，是晶硅极限成本的50%。

8.实际发电效率高

         从温度系数看，晶硅组件是-0.3左右，这意味着，温度每上升1度，功率会下降0.3%。也就是说，如果出厂标定是20%的效率，在实际应用场合，当温度升到75度，效率大约就只剩16%、17%。而钙钛矿的温度系数为-0.001，非常接近于0，因此它的实际发电效率就会显著高于晶硅。.

三、钙钛矿电池的劣势？？？？

        现在很多对钙钛矿光伏电池了解一些的朋友应该都知道 钙钛矿光伏电池的两个最大的问题 1.稳定性（衰减性） 2.毒性 那这些问题的实际情况到底是怎么样呢？

1.稳定性

         倘若有人要评判钙钛矿的效率或者稳定性，那么请多问一句——你说的是哪一种钙钛矿？前两年，钙钛矿性能的确不太稳定，但时至今日，钙钛矿稳定性一点都不比晶硅差。

         大家对钙钛矿的稳定性提出质疑，这其实源自于对晶体结构的质疑。晶硅是一种金刚石结构，可以扛到1400多度才开始熔解，而钙钛矿是一种六方晶的离子晶体结构，它的分解温度大概是摄氏200度-300度。1000多度，看起来确实是一个很大的差异，但若从实用视角看，则可以得到另外一种结论。我们知道，太阳能电池在地球表面使用，温度很难超过75度-85度这个区间，所以，两三百度足够用，而1400度则成为一个巨大冗余。

         套用木桶效应，晶硅的1400度耐高温，是一块很长很长的长板，但长到一定程度，意义就不大了，而晶硅的短板也很明显——杂质容忍度太低。晶硅的光衰，比如PERC电池的光衰，其实来自硼氧对，即使是百万分之级别的硼氧对存在，也会造成晶硅在75度时，产生1%~4%的效率衰减，而钙钛矿则可容忍1%级别的杂质，这是百万分之一和百分之一的差别。

        事实上，钙钛矿的稳定性是逐年提升的。

        2016年，有高校针对一块巴掌大小的钙钛矿组件做了一个实验——在标准光源下，让该组件连续工作12000个小时，结果没有任何衰减。但国内一些媒体对其进行了错误解读——他们以为钙钛矿寿命只有12000个小时，从而做出了错误的报道。

        2019年，一个更新的进步出现了。

         这次改进是在材料配方层面，配方更加复杂化，同时加入了一些液体，在连续70度、400小时的光照下，没有任何衰减，测试延长到1800个小时，衰减依然低于5%，这个数据非常正面，没有任何一种晶硅可以做到。

          因为不同的封装，会带来不同的衰减效果，2020年，昆山协鑫光电又围绕封装又进行了一系列工作和实验，发现对于封装不好的组件，很快就会衰减，但良好封装的组件，在双85（85℃、85%RH）条件下，2000个小时之内没有任何衰减。

          2020年年底，一个更有力量的实验数据也表明钙钛矿的竞争力。在晶硅IEC61215标准下，钙钛矿组件连续工作9000个小时没有任何衰减，可以明确说，这个结果，同样没有任何一种晶硅能够达到。

         所以，关于钙钛矿太阳能电池的稳定性，钙钛矿在稳定性方面是占优的，或者说，这很可能是钙钛矿的一个优点。

         2019年的9月底到11月上旬，协鑫在连45×65组件上进行75度下，连续1000多小时的实测，大家可以看到上图这条红色的功率曲线，也是没有任何的衰减。

2.毒性（含铅量）

         除了稳定性，钙钛矿还有一个问题被经常质疑——铅含量。有一些学术界的朋友，他们想努力开发一种不含铅的钙钛矿。这可能源自他们对晶硅行业的了解不够，他们觉得，钙钛矿里含铅，是一件大罪过，因此要尽可能用一些别的东西替换掉。

         但实际上，如果对晶硅进行研究，会发现晶硅行业用铅量远远超过了钙钛矿——虽然硅片不含铅，但焊带是铜箔涂铅的，每一块标准尺寸的晶硅组件里大概有18克左右的铅，而同样尺寸的钙钛矿组件，含铅量不会超过两克，钙钛矿的含铅量只有晶硅的1/10，所以，关于饱受争议的含铅量，其实是一个伪问题。