建筑工程行业新赛道系列2：异质结钙钛矿电池杭萧钢构年底投建

异质结/钙钛矿叠层电池是晶硅电池、薄膜电池后的新一代光伏电池。(1)异质结/钙钛矿叠层电池是新一代光伏电池，组合两种高效单电池拓宽吸收光谱，具更高的极限光电转化效率。(2)异质结钙钛矿电池具备更高的单位面积功率、稳定的发电性能等优点，且具有简单的溶液加工工艺和出色的极端天气表现，可与建筑材料结合实现一体化。(3)异质结、钙钛矿电池当前最高转换效率分别为26.5%、25.8%。叠层电池实现的转化效率已高于单结电池理论极限，当前最高转换效率31.25%。根据CPIA数据，电池转换效率每提升1%，成本可下降7%，转化率提升发电成本下降 异质结电池将达到经济平衡点，光伏发电占比/BIPV渗透率/HJT叠层电池渗透率均逐年提升。(1)测算HJT/PERC电池成本分别为0.9/0.72元/W，硅片成本0.48/0.47元/W，占比53%/65%。(2)随国产设备降本提效、硅片薄片化、银包铜等技术减少银浆消耗量、提高靶材利用率等途径，电池生产成本下降产业化可期。(3)光伏发电占比逐年提升，据国家发改委能源研究所预测，2035年光伏发电成为所有电源类型的第一位，2050年光伏年发电量约6万亿千瓦时，占比全社会用总电量39%。政策提出到2025年新建公共机构建筑、新建厂房屋顶光伏覆盖率力争达到50%。(4)预计异质结电池2022年产能20-30GW，2030年市场占比约33%。 异质结电池转换效率不断提升，钙钛矿电池生产线建设进度加速。(1)HJT电池设备公司迈为股份HJT设备在手订单约18亿元；京山轻机完成首台HJT清洗制绒设备的交付。(2)隆基异质结电池转换效率达26.5%刷新世界纪录，金刚玻璃已实现210尺寸微晶HJT量产平均效率24.95%。(3)钙钛矿电池设备交付量产，迈为股份交付单结钙钛矿电池设备；晟成光伏钙钛矿电池团簇型多腔式蒸镀设备量产。(4)钙钛矿电池在建产能方面，纤纳光电投建首条100MW钙钛矿规模化产线，极电光电建设150MW试验线，众能光电、协鑫光电在建钙钛矿组件生产线预计产能200、100MW/年。 杭萧钢构首条异质结/钙钛矿叠层电池中试线处于设计阶段，目标转化效率28%以上。(1)合特光电的晶硅薄膜技术是自主知识产权技术，该技术可以外延生长超薄硅片(厚度<50um)。公司晶硅薄膜/异质结钙钛矿叠层电池技术，通过新材料新工艺调节半导体材料带隙和界面钝化，可达30%以上转化效率。(2)5月25日公告披露首条异质结+钙钛矿叠层电池中试线正在设计阶段，计划三季度会向设备供应商下采购订单，目标转化效率28%以上，该生产线投产将大幅增加合特光电产品的市场竞争力。(3)异质结及钙钛矿电池标的公司2022平均PE97，杭萧钢构2022PE24。 风险提示：项目推进不及预期，疫情反复等。 1.行业分析：异质结钙钛矿叠层电池是新一代光伏电 池，高光电转化效率是突出优势 1.1.简介：叠层电池组合两种高效单电池拓宽吸收光谱，杭萧钢构中试线22年底投建 1.1.1.异质结/钙钛矿叠层电池是晶硅电池、薄膜电池后的新一代光伏电池，具更高的极限光电转化效率 异质结/钙钛矿叠层电池是晶硅电池、薄膜电池之后的新一代光伏电池，相关专利最早于2018年出现。晶硅电池作为第一代太阳能电池，技术发展较为成熟，随着光电转化效率趋近极限，提升电池效率的边际成本逐渐变高。薄膜电池作为第二代太阳能电池，相比高纯度单晶硅，其材料可有效降低成本。钙钛矿电池是目前新一代高效薄膜太阳能电池取得突破的代表，具有制备工艺简单、对缺陷容忍性好等特点。叠层电池技术继钙钛矿电池得到研究关注，通过组合单电池，可有效拓宽电池的光谱响应，具有比单结电池更高的极限光电转化效率。 图1：太阳能电池技术发展图 P型电池转换效率接近极限，效率提升有限。主流硅基光伏发电已达到其实际效率极限，发电成本下降主要由节省材料成本推动，其增效降本的空间已经很小。钙钛矿/硅叠层太阳电池能够在材料成本增长不大的情况下显著提升电池效率，具有很强的市场竞争力。 图2： 异质结/钙钛矿叠层电池当前最高效率达30.09%，理论极限效率可突破40%，高于单结晶体硅太阳能电池理论极限效率29.43%。根据EcoMat研究表明钙钛矿/硅叠层太阳能电池的理论效率极限为46%，远高于单结晶硅电池极限29.43%。叠层电池提升空间较广，20年4月，NREL制造的六结III-V太阳能电池聚光条件下转换效率达47.1%，单倍太阳光下达39.2%。 表1：太阳能电池分类及技术转换效率 1.1.2.结构及工作原理：叠层电池组合两种高效单电池拓宽吸收光谱，突破单结电池的极限转换效率 异质结电池将P型与N型半导体制作在同一块硅基片上，在交界面形成空间电荷区，即异质结（PN结）。异质结电池中同时存在晶体和非晶体级别的硅，非晶硅能更好地实现钝化效果，提高开路电压和转换效率。 异质结电池制造流程主要分为清洗制绒、硅基薄膜沉积、透明导电薄膜沉积和丝网印刷四道工序，主要通过硅基薄膜沉积环节形成了异质结。 异质结电池目前取得的最高转换效率为隆基的26.50%。 图4 图3 钙钛矿太阳能电池利用钙钛矿型有机金属卤化物半导体作为吸光层材料，目前取得的最高效率达25.8%。常规钙钛矿太阳电池主要由透明导电基底、电子传输层（通常为金属氧化物半导体）、钙钛矿活性层、空穴传输层和金属对电极等功能层组成。太阳光入射到钙钛矿太阳电池，空穴和电子分别被注入到空穴传输层和电子传输层中，分别被对电极和透明电极收集，最终经外电路形成电流，完成工作循环。钙钛矿电池有效避免了硅基太阳电池中载流子复合率高、寿命短的问题，可以实现较高的光电转换效率。21年10月26日，韩国蔚山国家科学技术研究所（UNIST）实现单结钙钛矿太阳能电池转换效率25.8%。 图5：钙钛矿电池实物图 图6：钙钛矿电池结构图 叠层电池组合两种高效单电池，拓宽吸收光谱，突破单结电池的极限转换效率。叠层电池技术通过串联组合方式取得高于顶部和底部单个子电池的转换效率。异质结/钙钛矿叠层电池中，钙钛矿电池比硅电池更有效利用高能量紫外和蓝绿可见光，硅电池可以有效利用钙钛矿材料无法吸收的红外光，从而突破传统硅光伏电池理论效率极限，进一步提升硅光伏电池效率。 图7：钙钛矿/晶硅四端型叠层电池实物图 图8：钙钛矿/硅叠层电池四端串联结构 泰君安证券研究 常见钙钛矿/硅异质结叠层电池由钙钛矿顶电池、中间连接层（隧穿结）和硅异质结底电池三部分组成，各组成部分工作原理如下： TCO：透明导电膜玻璃，作为电池的减反射膜，减少光的反射损失，提高电池的转化效率。 电子传输层：起传输电子、阻挡空穴的作用。 钙钛矿吸收层：钙钛矿材料顶电池的有效光学吸收层主要吸收短波段范围(300— 800nm )的光。 空穴传输层：阻挡电子，增强空穴传输。 中间连接层（隧穿结）：钙钛矿电池与硅异质结电池均为p-n结构，直接串联接触界面会形成反偏的PN结，导致电压相互抵消而不导电。隧穿结也是p-n结构，可以产生隧穿电流，联接两个子电池。 异质结：是将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅基片上，在交界面形成的空间电荷区（PN结），具有单向导电性。 硅基异质结：具有本征非晶层的硅异质结电池片中同时存在晶体和非晶体级别的硅，非晶硅能更好地实现钝化效果，提高开路电压和转换效率。 硅异质结底电池：晶硅(c-Si)作底电池的光学吸收层吸收长波段范围(800— 1200nm )的光。 图9：钙钛矿/晶硅四端型叠层电池实物图 图10：典型叠层太阳能电池的截面扫描电子显微图 图11：硅异质结/钙钛矿叠层太阳能电池的器件设计原理图 图12：钙钛矿/硅异质结叠层电池结构组成 1.1.3.叠层电池实现的转化效率已高于单结电池理论极限，杭萧钢构中试线年底投建 钙钛矿/硅叠层电池转化效率达31.25%，革新太阳电池技术。HJT理论转化极限28.5%，钙钛矿理论转化极限31%。而异质结/钙钛矿具有光电能量转换效率高、制备工艺简单的优点。根据EcoMat钙钛矿-硅异质结叠层太阳能电池2端、4端的理论极限效率分别为45.7%、46%。2022年7月洛桑联邦理工学院(EPFL)和瑞士电子与微技术中心(CSEM)共同创造了钙钛矿-硅叠层光伏电池31.25%的世界纪录。 表2：钙钛矿/硅叠层电池发展历程 杭萧钢构异质结/钙钛矿叠层电池中试线年底投建，目标转化效率28%以上。杭萧钢构子公司合特光电计划在2022年底投建首条异质结/钙钛矿叠层电池中试线，目标效率28%以上。合特光电在研发的叠层电池技术有钙钛矿+CIGS/PERC/SHJ等，公司的异质结/钙钛矿叠层电池技术，通过新材料与新工艺调节半导体材料带隙和界面钝化，优化叠层电池带隙匹配，提升了电池性能，具备更高的效率和单位面积功率，以及柔性化轻质化等优点，可以跟建筑材料完美结合，实现真正意义上的一体化。 图13：合特光电高效异质结组件 图14：合特光电高效异质结电池 1.2.技术分析：异质结钙钛矿电池性能优异，可与建筑材料完美结合 1.2.1.异质结钙钛矿电池具备更高的单位面积功率、稳定的发电性能、柔性化、轻质化等优点 异质结电池具有低热损耗、高效率和高光照稳定性的技术优势。钙钛矿电池则具有更好地广电吸收能力、简单的溶液加工工艺、高效率和出色的极端天气表现。 表3：异质结电池与钙钛矿电池优势 n型高效单晶硅和薄膜两类太阳能电池优势逐渐显现,效率高于当前主流的PERC电池。异质结电池和钙钛矿电池在同类型太阳能电池中均取得最高的实验室效率。在新兴的结合技术中，异质结+钙钛矿电池更是达到了高达31.25%的实验室效率。 图1 5：光伏电池理论、实验室和量产效率对比 根据国际能源网，构建叠层电池是大幅提升电池效率的最有效途径，双结叠层电池的理论效率可达45%，远高于单结电池的S-Q极限效率33%。 相较于单结钙钛矿电池，全钙钛矿叠层电池通过不同带隙材料对光谱的分段吸收能够在成本保持优势的情况下，实现效率的大幅提升。而异质结/钙钛矿叠层电池技术，可以通过新材料与新工艺调节半导体材料带隙和界面钝化，优化叠层电池带隙匹配，使电池具备更高的效率和单位面积功率。 异质结钙钛矿电池具备更高的单位面积功率、稳定的发电性能、柔性化、轻质化等优点，可以跟建筑材料完美结合，实现真正意义上的一体化。 1.2.2.发展趋势：优化设计/工艺迭代，电池效率持续提升推进产业化进程 异质结/钙钛矿叠层电池将优化结构设计减少损失，加强研发提效推进产业化，探索结合BIPV光伏建筑一体化发展方向。通过结构改进减少反射损失和寄生吸收，叠层电池的光能使用率将进一步提升。各公司通过加强科技合作和自主研发，为后续叠层电池量产进行技术专利布局。 未来异质结/钙钛矿叠层电池可结合BIPV领域发展。 表4：异质结/钙钛矿叠层电池发展趋势 根据CPIA发布报告，2030年异质结电池平均光电转换效率可达26%，较21年增1.8%，以异质结等为代表的N型电池将为重要发展方向。2021年异质结电池平均转换效率达24.2%，较2020年增0.4%。相比p型晶硅电池，n型电池的转换效率普遍更高，且有更大提升空间。未来随着生产成本降低及良率提升，n型电池将会是电池技术的主要发展方向之一。 表5：晶硅电池技术平均转换效率变化趋势 根据CPIA发布报告，2030年钙钛矿玻璃基中试电池组件转换效率可达22%，21-30年年均增速0.56%，钙钛矿电池量产稳定性有所提升。钙钛矿电池转换效率提升较快、发电成本较低，21年实验室最高转换效率为24.8%,30年最高转换效率可达29%，高于大部分传统薄膜太阳能电池。 通过优化电池配方和工艺，钙钛矿电池稳定性不断提升，将从实验室及中试阶段逐步投产。 表6：薄膜太阳能电池组件转换效率情况 1.3.成本分析：异质结电池即将到达经济平衡点，转换效率提高可有效降低度电成本 1.3.1.成本构成：测算HJT电池成本约0.9元/W，其中硅片成本为0.48