鈣鈦礦行業分析鈣鈦礦電池：

第三代太陽能電池，優勢明顯，應用前景廣闊鈣鈦礦簡介及鈣鈦礦電池工作原理狹義的鈣鈦礦指CaTiO3這種礦物，廣義的鈣鈦礦指具有鈣鈦礦結構的ABX3型化合物。鈣鈦礦電池中的鈣鈦礦層通常指有機/無機金屬鹵化物ABX3。其中A代表一價有機或無機陽離子（如甲胺離子CH3NH3+、銫離子Cs+、銣離子Rb+等）；B代表二價金屬陽離子（如鉛離子Pb2+、錫離子Sn2+、鍺離子Ge2+）；X代表一價鹵素陰離子（如溴離子Br-、碘離子I-、氯離子Cl-）。鈣鈦礦電池的工作原理與晶硅電池類似。光生電動勢的物理過程為：鈣鈦礦吸光層吸收光子之后，電子吸收能量從價帶躍遷到導帶，形成電子-空穴對。電子與空穴對在吸光層內部迅速分開，分別通過電子傳輸層（ETL）、空穴傳輸層(HTL)輸送到陰極、陽極，隨著電子和空穴在陽極和陰極堆積，兩極之間產生光生電動勢，進而產生光電流。鈣鈦礦太陽能電池結構鈣鈦礦太陽能電池可分為單節太陽能電池和疊層太陽能電池兩種技術路線。單節鈣鈦礦太陽能電池：主要由電子傳輸層（ETL）、鈣鈦礦吸光層、空穴傳輸層（HTL）以及電極組成。鈣鈦礦太陽能電池結構可以分為正式結構（n-i-p）和倒置結構（p-i-n）兩種類型，其中n代表電子傳輸層（ETL），i代表鈣鈦礦吸光層，p代表空穴傳輸層（HTL）。ETL：電子傳輸層，必須滿足與鈣鈦礦層良好接觸，使得電子在傳輸過程中的潛在勢壘降低，并且在完成電子傳輸的同時阻止空穴向陰極傳輸；目前多采用介孔層結構，采用TiO2或Al2O3，還可起到結構支撐作用。HTL：空穴傳輸層，需要與鈣鈦礦層有良好的異質結接觸界面，減少空穴傳輸過程中的潛在勢壘，完成空穴傳輸的同時阻止電子向陽極移動?？昭▊鬏攲涌梢詾橛袡C物（比如spiro-OMeTAD小分子材料），也可以為無機化合物（比如碘化銅、氧化鎳等）。n-i-p結構中，可包含致密層結構（一般為TiO2、ZrO2或其他金屬化合物

），主要起收集與傳輸電子和阻擋空穴的作用，其厚度可以對電池性能產生重要影響。透明電極：一般選用商業化的ITO（氧化銦錫）或者FTO氧化物（氟摻雜氧化錫）導電玻璃。其在可見光波段的透光率高達80-90%、導電能力強、功函數合適。鈣鈦礦層是光吸收層，吸收光并產生電子空穴對，通常為有機金屬鹵化物?？傮w而言，鈣鈦礦電池屬于第三代電池，優點眾多對比染料敏化電池、全固態薄膜電池等，鈣鈦礦優勢明顯：成本低廉、低碳、綜合性能優良、可形成疊層電池、可制備高效柔性器件、極限效率更高等。染料敏化電池為保證光能的充分吸收，吸收層厚度至少要在10μm以上，但載流子和空穴對擴散長度沒那么長，因此染料敏化電池對光吸收利用有局限。鈣鈦礦具備極高的消光系數，400nm厚的薄膜即可吸收紫外-近紅外光譜范圍內的大部分光子。同時，載流子、空穴對擴散長度可高達1μm，極大減小載流子復合，進而使鈣鈦礦的開路電壓、短路電流及填充因子均有提升，電池性能明顯改善。從各類電池的極限轉換效率來看，鈣鈦礦單層、鈣鈦礦/硅雙節層、鈣鈦礦三節層電池電能極限效率分別為31%、35%、45%，高于其他結構類型電池。相關缺點：鈣鈦礦電池暴露在空氣中時會與水發生反應，抗熱、抗濕能力差，且其中含有的鉛溶于水還會造成環境污染。效率、穩定性與產業規模化是發展核心鈣鈦礦電池效率發展迅速，2015年以來效率快速提升鈣鈦礦電池的產業化需要滿足效率高、穩定性好和產線規?；齻€前提條件。在效率提升方面，僅用13年的時間，鈣鈦礦電池的光電轉換效率就由3.8%提升至31.3%，鈣鈦礦電池發展較為迅速。近期，鈣鈦礦硅疊層光伏電池技術轉化率再創新高：洛桑聯邦理工學院（EPFL）和瑞士電子與微技術中心（CSEM）創造的最新記錄為31.3％。國內團隊在鈣鈦礦疊層電池研發進度較快，目前南京大學譚海仁團隊鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層太陽能電池最高認證效率達到28%（0.049cm2）。穩定性：鈣鈦礦電池穩定性持續提升新型鈣鈦礦太陽能電池在潮濕、光照條件下穩定性較差，由此會產生分解，最終降低器件的效率。當太陽光為鈣鈦礦電池提供產生電能所需的光子能量時，也損害了鈣鈦礦電池的穩定性。隨著時間的推移，會影響效率的表現。如果有足夠的光照，會引發連鎖反應，在連鎖反應中，越來越多的碘化物在富含碘化物的地區聚集，越來越多的溴化物被擠出。隨后化合物的分離傾向于在這些低帶隙區域捕獲產生電的光載流子，嚴重阻礙電池的效率。此外，由于鈣鈦礦電池一般為有機金屬鹵化物鈣鈦礦電池，有毒鉛的存在對環境和健康也有害。穩定性對于降低成本也有重要意義：纖納光電科技CEO姚冀眾博士表示，若鈣鈦礦太陽能組件能夠保持30年穩定性的，即使轉換效率和PERC組件相當，大規模應用后，也能將太陽能度電成本（LCOE）降低至0.2元。目前國內外MPP穩定性水平（鈣鈦礦電池在最大光功率輸出點MPP處的長期運行穩定性時間）一般在幾千小時。近年來，鈣鈦礦電池穩定性已有很大提升。鈣鈦礦電池產能成本更具優勢晶硅太陽能電池需要經歷硅料、硅片、電池、組件四個環節，在每個環節都出現了不同的龍頭企業。而鈣鈦礦的生產流程可以在一間工廠內完成，將玻璃、膠膜、靶材、化工原料加工成組件。傳統晶硅太陽能電池供應鏈需要在多個工廠、多個環節流轉，耗時最少需要三天，而鈣鈦礦可在單一工廠內45分鐘走完全部流程。鈣鈦礦生產流程更簡單，鈣鈦礦組件不需要經歷串焊等生產過程。鈣鈦礦電池產能成本更具優勢。光伏企業投資1GW產能GaAs（Tum-key線）需要金額約50億元；投資1GW產能晶硅電池需要合計投資金額10億元左右；工藝成熟條件下測算，1GW產能鈣鈦礦電池投資金額約5億元，約為晶硅電池投資金額的50%，GaAs（Tum-key線）的10%。電池生產設備：

鍍膜、涂布、激光設備PVD設備：設備技術相對成熟，在HJT已有應用鍍膜設備：根據膜層使用的材料，制備透明導電薄膜、空穴傳輸層、電子傳輸層、電極可使用PVD&RPD鍍膜設備。部分企業鈣鈦礦電池包含陽極緩沖層、陰極緩沖層設計亦可使用鍍膜設備。PVD&RPD設備技術相對成熟，在HJT已有應用。PVD設備：采用直流磁控濺射的方式，氬氣離子在電場與磁場引導下達到靶材上，將靶材原子分子濺射到襯底以制備透明氧化物導電薄膜，可以采用自上朝下或自下朝上的沉積結構。設備價格便宜，鍍膜膜厚均勻易控制，工藝穩定可控，重復性較好，靶材壽命較長，適合連續生產，但離子轟擊可能對其他膜層造成損傷。RPD設備：使用等離子體經磁場偏轉后轟擊到靶材上，等離子束將靶材原子分子轟擊出來，升華后沉積到樣品上形成透明導電薄膜。RPD工藝具有低離子體轟擊損傷、低沉積溫度、高解離率、具有大面積沉積和高鍍膜速率。目前RPD設備售價相對較高。鈣鈦礦薄膜制備工藝：一步溶液法鈣鈦礦薄膜的結晶度是影響器件性能的關鍵因素，因此鈣鈦礦制備工藝的核心是如何提高薄膜質量。傳統一步溶液旋涂法中，溶劑較長時間殘留在鈣鈦礦薄膜里，導致碘化鉛形成晶體析出，使鈣鈦礦晶體較多針孔，影響成膜質量。使用快速結晶去除溶劑的方法，可以讓前驅物幾乎同時析出，碘化鉛能迅速和有機配合物反應形成鈣鈦礦結構而不會析出?？焖俳Y晶的工藝包括滴涂法、氣體輔助法兩類。退火也有助于改善成膜質量，通過晶體重新結晶，可以對薄膜進行較好修復。早期多采用熱退火方式，近年激光退火因可以在樣品上實現大面積超快退火而被關注。激光設備：激光開槽在鈣鈦礦電池有多道應用激光在鈣鈦礦電池應用主要為激光開槽，打開部分膜層，達到阻斷導電，形成單模塊、電池分片的目的。打開透明導電薄膜：PVD沉積透明導電薄膜后，第一道激光開槽打開透明導電薄膜，并沉積空穴傳輸層或者鐵電絕緣層，將導電薄膜分割成多個子單元。依次制備空穴傳輸層、鈣鈦礦層及電子傳輸層后，第二道激光打開空穴傳輸層、鈣鈦礦層、電子傳輸層。在此基礎上，在槽內及電子傳輸層表面采取蒸鍍方式制備電極金屬。電極金屬沉積完成后，第三道激光打開電極金屬層、空穴傳輸層、鈣鈦礦層、電子傳輸層，以完成鈣鈦礦電池片的分片。第四道激光主要將電池邊緣的各層沉積膜去除，起到激光清邊的作用。涂布設備競爭格局及近期進展涂布設備：應用于鈣鈦礦層涂布環節。此外，根據電子傳輸層、空穴傳輸層、電子緩沖層、空穴緩沖層等材料的選擇不同，亦可采用涂布工藝。行業內主要企業為德滬涂膜、眾能光電、大正微納等，其中，德滬涂膜開發的全球首套用于鈣鈦礦-晶硅疊層核心涂膜設備系統于2022年3月驗收