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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。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。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。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。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。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。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。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%。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。.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？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。CCTC®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。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。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。
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。四、钙钛矿光伏电池在全球的发展现状
a. 美国能源部太阳能技术办公室通过不同的项目支持了处于不同发展阶段的各种钙钛矿初创公司。这些公司包括Beyond Silicon、BlueDot Photonics、CubicPV、能源材料公司、First Solar、GVD Corporation、Nanosonic、nTact、Optigon、Swift Solar和Tandem PV。为了增加从事钙钛矿商业化工作的公司的多样性，美国能源部太阳能技术办公室推出了钙钛矿创业奖，为新公司（2020 年 10 月 16 日之后成立）提供种子资金。更成熟的初创公司有资格获得由科学办公室和美国能源部太阳能技术办公室和竞争力团队联合开展的小企业创新研究 (SBIR) 资助计划。b. 2021年4月25日，美国能源部(DOE)在其网站公布了2021年钙钛矿太阳能电池研发和量产资助项目: (网页链接) OE共资助总金额达4000万美元（约2亿7千万人民币），资助项目22项。资助项目分为：第一组：器件研发（转换效率和稳定性）（TOPIC AREA 1: Device R&D (Efficiency and Stability)）；第二组：量产开发（TOPIC AREA 2: Manufacturing R&D）；第三组：验证和融资中心（TOPIC AREA 3: Validation and Bankability Center）。这些项目将促进钙钛矿光伏器件和制造研发的发展，并通过新建一个1400万美元的测试中心对新型钙钛矿器件的性能进行中立、独立的验证。 2022年4月，美国钙钛矿公司Tandem PV完成了1200万美元A轮融资的前半部分，此前，公司称600万美元资金将用于在加州San Jose总部建设一处试点生产厂。专注于美国市场的Tandem PV公司将使用这笔投资生产其首个商业级串联太阳能组件，旨在为客户提供更高效、更实惠的太阳能
Tandem PV专门从事“超高效”串联金属钙钛矿太阳能组件生产。通过利用钙钛矿涂层的前玻璃，将硅太阳能组件转变为高效串联太阳能组件
Tandem PV是由材料学博士Colin Bailie和太阳能行业的中坚力量、韩华(Hanwha)太阳能前CTO Chris Eberspacher共同创立的联合创始人兼首席执行官Bailie表示，'我们获得了户用太阳能安装商、终端用户、设备分销商和公用事业公司的强大市场推动力。这一行业为使用更可持续、更高效和更经济的太阳能电池组件做好了准备。'Eberspacher表示：“Tandem PV正在全美和全球快速开发、演示并实现钙钛矿和硅串联太阳能组件的商业化。”Tandem在一份媒体报道中表示，本轮融资由早期风险投资公司Bioeconomy Capital通过其新的Planetary Technologies基金牵头，参与方包括一家国际太阳能制造商和一家美国公用事业公司。韩国贸易，工业和能源部（MOTIE）已发布了针对国内太阳能组件行业的新路线图，该路线图计划大力投资于高效，昂贵的产品，例如基于串联太阳能电池的面板。根据该文件，韩国国内太阳能制造商和研究机构期望基于硅和钙钛矿的串联太阳能电池技术将成为下一代光伏产品最有希望的候选者。据MOTIE称，韩国半导体和显示行业可能会通过提供其在硅产品和薄膜开发方面的专业知识，在这一过渡中发挥决定性作用MOTIE表示，未来五年，约有1900亿韩元（1.597亿美元）的公共投资将用于串联光伏技术的研究，希望到2023年达到26％的效率，到2030年达到35％的效率。此外，计划再拨款250亿韩元，建设100兆瓦的研发设施，以测试TOPCon，异质结和串联太阳能技术。2021年，韩国太阳能组件制造商韩华QCells电池公司将在未来五年内投资1.5万亿韩元（12.8亿美元），以扩大太阳能组件的制造能力，并增加其本国的研发活动。此次投资承诺中的部分资金将投向TOPCon和tandem钙钛矿技术，扩大的生产能力将包括钙钛矿和TOPCon生产线，但目前还不确定具体的生产能力，没有提供进一步的细节。2021年12月，韩华 Q Cells 牵头的钙钛矿-晶硅叠层电池技术被选中参与一项为期三年的韩国国家项目，开发和商业化具有高耐久性和高效率的钙钛矿晶硅太阳能电池韩国业界普遍认为，通过将钙钛矿电池串联在晶硅电池表面，可以最大化利用太阳能光谱能量，获得比单纯晶硅电池或钙钛矿电池更高的光电转化效率。而这也被认为是第三代太阳能电池技术与第二代太阳能电池技术完美的结合，只需将单独的电池串联连接，保证通过每个电池的电流相同。目前的钙钛矿主流产业化研究都看重叠层电池的未来，晶硅技术研究人员，特别是异质结电池技术研究人员也非常认可钙钛矿-晶硅叠层技术韩华 Q Cells作为全球晶硅组件出货量前十的海外玩家，最初收购Q CELLS的目的就是为了保持电池技术的领先优势，但最近几年除了与隆基、晶科等为了PERC专利权屡屡纠缠外，很少见其它技术上的突破。为了确保韩国光伏技术的竞争优势，韩国能源技术评估与规划研究所 (KETEP)和两家研究机构、三所大学等与韩华签署了一项协议，共同研究钙钛矿-晶硅电池叠层技术，确保韩国拥有基础材料的原创技术，促进下一代太阳能电池组件的商业化，提升在全球太阳能市场的竞争力。2021年，日本国会参议院正式通过了修订后的《全球变暖对策推进法》，以立法的形式明确了日本政府提出的到2050年实现碳中和的目标。成为又一公布碳中和期限的光伏强国在重点任务中，《全球变暖对策推进法》对于光伏发展的看法，认为要加快包括钙钛矿太阳电池在内的具有发展前景的下一代太阳电池技术研发、示范和部署；加大太阳能建筑的部署规模，推进太阳能建筑一体化发展钙钛矿太阳电池属于第三代太阳能电池，钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池，和目前主流的晶硅太阳能电池在成本和技术路线上都有较大区别CCTC®日本想要通过发展钙钛矿太阳能电池为碳中和目标助力，很有可能包含了要避开中国光伏企业的意图，但目前在钙钛矿太阳能电池没有较为领先的企业。2019年11月，日本松下公司的钙钛矿组件效率创新高，在800-6500cm²级别的组件面积上获得16.1%的光电转换效率。日本电子制造商东芝Toshiba2021年9月宣布，基于703 cm² 的聚合物薄膜钙钛矿光伏组件的光电转换效率达到了15.1% 欧洲光伏产业正在持续失去阵地。欧洲的光伏电池和组件制造商数量目前处于两位数的低位。而破产案例的数量则持续攀升。欧洲钙钛矿倡议行动（EPKI）的成员国们认为钙钛矿技术可以弥补这一差距。考虑到欧洲光伏产业在过去的10-12年中的灾难性记录，如今愿意投资光伏技术的欧洲企业实在是太少了。在欧盟，钙钛矿研究被分散在许多国家，其中EPKI伞下有超过65个研究机构。中国国家能源局与科学技术部在2022年4月发布 十四五能源领域科技创新规划其中在太阳能发电技术中明确指出 要开展高效钙钛矿电池制备与产业化生产技术中国科技部于2022年初公示 国家重点研发计划“高端功能与智能材料”重点专项立项项目第一项就为由南方科技大学牵头，昆山协鑫光电材料有限公司、中国科学院合肥物质科学研究院、中国科学院物理研究所、华中科技大学作为课题承担单位，宁德时代新能源科技股份有限公司、北京大学、天津大学、上海交通大学作为参与单位的 2021年度国家重点研发计划“高端功能与智能材料”重点专项，“新一代钙钛矿太阳能电池关键材料及宏量制备技术”（项目编号2021YFB3800100），近日获得立项公示。项目总预算超9000万元，协鑫光电承担子课题“百兆瓦级钙钛矿组件的中试生产”的研究任务。昆山协鑫光电是协鑫集团的子公司，前身为清华大学化学系硕士、瑞士洛桑联邦理工学院博士范斌与几名志同道合的好友创立的惟华光能，专注钙钛矿太阳能电池产品开发。 2011年12月，成立不足一年半的惟华光能企业已经向中国专利局提交了9项专利申请，涉及太阳能电池的封装结构、有机太阳能电池结构、有机太阳能电池保护结构等。2013年3月，公司建设国内第一条钙钛矿太阳能电池卷对卷印刷生产线，生产了国内第一片钙钛矿太阳能电池组件，初步建立起了整个工艺流程的专利保护体系2016年底，惟华光能已成长为国内第一家专门从事有机光伏技术开发的企业，被国内行业巨头协鑫集团并购，同时成立苏州协鑫纳米科技有限公司。范斌与团队把创业重心完全转移至更利于企业发展的苏州。2019年，企业发布了其在钙钛矿光伏组件技术方面的突破性进展：率先建成10MW级别大面积钙钛矿组件中试生产线，完成了相关材料合成及制造工艺的开发。据了解，该10MW中试生产线所制造的钙钛矿光伏组件尺寸为45cm×65cm，光电转化效率达到15.3％，这不仅是当时全世界范围内最大面积的钙钛矿光伏组件，也是效率最高的大面积钙钛矿组件2019年12月，昆山协鑫光电材料有限公司正式成立。2020年底，昆山协鑫光电材料有限公司正式筹建全球首条100MW 钙钛矿组件量产线。2021年，企业完成100MW量产生产线并进行试生产，将钙钛矿光伏组件面积扩大至1m×2m（已经达到晶硅组件的面积），组件光电转化效率提高至18％以上，使光伏发电的成本低于火电，推动清洁能源对以火电为代表的传统高污染能源的大规模替代。这是全球范围内第一条100MW 钙钛矿量产线，实现了从无到有的突破，随着后续产能、效率爬坡等不断地优化和调试，计划2023年下半年会推出成熟产品，从而加速规模化应用公司是全球唯一一家取得钙钛矿组件实用化产品商业认证的企业。
昆山协鑫光电钙钛矿光伏项目，于今年2月获得江苏省碳中和科技创新专项资金2000万昆山协鑫光电同时也为宁德时代入股的唯一一家钙钛矿光伏电池公司，目前宁德时代透露，其钙钛矿光伏电池正在搭载中试线。杭州纤纳光电科技有限公司，三峡能源入股，其位于衢州的100MW量产线也已经破土动工，并且于今年2月，开建全球首个钙钛矿地面光伏电站。极电光能在钙钛矿光伏组件上取得新突破。其研发团队在300cm²的大尺寸钙钛矿光伏组件，创下了新的转换效率世界纪录，达到了18.2%，该记录已经中国计量科学研究院检测认证。极电光能正在建设150MV钙钛矿试制线，预计在今年可进行投产，效率将不低于18%，且该项目产品尺寸达到了1.2×0.6平方米。该公司更看重钙钛矿在光伏建筑一体化(BIPV)上的应用，其表示会首先切入BIPV领域，开发钙钛矿幕墙产品。2021年6月，其总投资高达60亿元的钙钛矿太阳能电池项目正式落地，这是迄今为止，最大的钙钛矿电池投资项目。该项目共分为两期，一期产能为200MW，顺利量产后，万度光能计划扩充至10GW。该公司已有150MW试制线，预计今年预计三季度设备可完成调试，开始试生产。该线是目前我国钙钛矿电池行业产能最大的生产线。另外，该公司的量产线项目也在全力推进中，预计将在2023年一季度启动建设。高瓴资本投资，曜能科技成立于2017年，是全球最早进行钙钛矿太阳电池产业化研发的团队之一。公司团队自2013年起在美国开始进行钙钛矿电池技术研发，专注于钙钛矿叠层电池工艺和材料稳定性提升等核心技术领域，实验室效率一直维持在全球Top3水平。2019年，在北京建成高标准研发中心并投入使用，加速推进产业化进程。一是大面积效率不如小面积效率，主要原因是：涂覆不均匀，涂膜设备需要突破。二是稳定性问题，主要原因是：用于沉积TCO膜的磁控溅射法（PVD），能量太大，造成膜层表面粗糙，不利于稳定性。从设备端来看，目前产业化的思路是采用反应等离子沉积法（RPD）替代磁控溅射法（PVD），因为用RPD产生的TCO膜，具有低离子轰击损伤及其高迁移率、高质量的膜层特性综上钙钛矿光伏电池制备的设备主要有：涂覆机、RPD或PVD设备、蒸镀机以及封装用的层压机1.涂覆机——目前国内量产设备主要来源是上海德沪，以及钙钛矿光伏电池企业——众能光电（产能相对小）。2.PVD设备——供应商众多，且价格相对较低，但是PVD工艺对薄膜损伤大，转换效率相对低，国内包括迈为股份、钧石能源、捷佳伟创、理想万利晖等。3.RPD设备——价格高、厂家目前有捷佳伟创、晟成光伏（京山轻机子公司）。晟成光伏于2021年7月专门成立了一个承接钙钛矿高端光伏设备的子公司——昆山晟成光电科技有限公司。2022年昆山晟成光电申请了一个名为：“一种集成RPD和PVD的镀膜设备”的专利晟成光伏与昆山协鑫光电紧密合作，早已经进入到RPD及其相关更先进设备的研发中，并申请了相关专利，目前晟成的RPD设备应该也在协鑫光电的产线中反复测试。4.蒸镀机——价值量略低与涂膜机和RPD设备，目前公开信息查询，只有京山轻机的子公司——晟成光伏发布了可量产，具备成熟供货能力的消息。晟成光伏的钙钛矿蒸镀设备，经过昆山协鑫光电的产线的反复验证，已经非常成熟。5.激光划刻设备——国内厂商包括杰普特、帝尔激光、迈为股份，其中杰普特已有设备投入相关产品使用。
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