产业深度01期：钙钛矿电池产业链深度报告（四），效率极限探索下，叠层电池振翅欲飞

产业深度 产业研究中心 2023.07.05，01期 作者：肖洁 电话：021-38674660 邮箱：xiaojie@gtjas.com 资格证书编号：S0880513080002 作者：鲍雁辛 电话：0755-23976830 邮箱：baoyanxin@gtjas.com 资格证书编号：S0880513070005 钙钛矿电池产业链深度报告（四）：效率极限探索下，叠层电池振翅欲飞 摘要： 叠层电池有望提升理论光电转换效率至46%，技术路线选择受工艺及量产成本影响。受益于钙钛矿优异的光电转化性能与连续可调的带隙分布，钙钛矿电池可与其他光伏电池 组成叠层电池，将太阳能电池理论效率提升至46%。叠层电池根据器件组合方式可分为 两端与四端结构，两端可大幅降低封装耗材用量，但制备难度较高，四端工艺两个子电 往期回顾 制造业数字化转型投资框架：迈入工业数字化时代 2023.06.26 机器人产业深度（三）：机器人的关节——精密执行器 2023.06.26 丹纳赫案例研究（上）：——从投资到并购、从财务到产业 2023.06.19 铝型材产业研究展望：一体化压铸趋势明朗，市场竞争系渗透率提升主要驱动力——新能源产业研究系列（十） 2023.06.12 铝型材产业研究展望：汽车轻量化已成趋势，一体化压铸优势显著——新能源产业研究系列（九） 2023.05.29 池相互独立，制备工艺成熟，但未来降本空间有限。 全钙钛矿电池材料成本最低，钙钛矿/晶硅叠层当前最具性价比。钙钛矿-钙钛矿叠层电池降本空间显著，其中辅材成本与设备投资成本具有明显优势，但当前该类电池也受限于钙钛矿材料的稳定性与吸光质量。钙钛矿-晶硅两端叠层兼具钙钛矿与晶硅优势，其中， 钙钛矿-HJT电池凭借工艺适配度及效率潜力，受到产业端青睐，目前主要掣肘在顶电池沉积工艺及光学损失。 叠层设备沿袭晶硅与单结钙钛矿，真空蒸镀与ALD助力工艺进步。在钙钛矿-晶硅叠层上层制备中，相较于涂布工艺，真空蒸镀可直接在晶硅电池上层金字塔绒面结构镀膜， 形成致密均匀薄膜，随着关键器件国产化及规模化，真空蒸镀有望进一步降本。ALD精度高、三维共形性好，能够制备大面积均匀、致密的薄膜，可用于制备叠层电池的致密SnO2电子传输层与中间隧穿层等。随着各类钙钛矿电池产业化，ALD有望通过规模放量实现可观增长。 光伏龙头布局晶硅叠层，多路线推动产业发展。目前，上市公司布局主要聚焦于钙钛矿 -晶硅叠层，钙钛矿叠Perc/Topcon/HJT多路线并存，例如隆基绿能、通威股份等光伏龙 头相继入局，有望推动叠层电池产业化发展。初创公司叠层电池涵盖全钙钛矿叠层、钙钛矿-晶硅叠层、钙钛矿-铜铟镓硒叠层等多领域，路线胜出取决于提效降本效果。 风险提示：叠层电池技术提升不及预期、成本下降不及预期、下游应用需求不及预期 （感谢博士后工作站文越对本报告的贡献） 目录 1.叠层电池提效空间广阔，路线选择取决于工艺与成本3 1.1.叠层电池结构拓宽理论转化效率至46%，钙钛矿搭配灵活多样31.2.叠层提效优势显著，路线选择取决于量产成本4 2.全钙钛矿叠层降本潜力最大，钙钛矿-晶硅叠层性价比显著5 2.1.钙钛矿-钙钛矿叠层降成本潜力最大，技术瓶颈亟待突破6 2.2.钙钛矿-晶硅两端叠层兼具钙钛矿-晶硅优势，产业化关键在光电学匹配8 2.3.四端叠层工艺传导顺畅，中短期钙钛矿-晶硅叠层低成本吸睛.9 3.叠层设备沿袭晶硅与单结钙钛矿，增量关注真空蒸镀与ALD10 3.1.钙钛矿-晶硅叠层上层制备为关键，真空蒸镀助力钙钛矿薄膜均匀生成11 3.2.ALD应用于钙钛矿电池多领域，高共形高精度助力效率升级133.2.1.微导纳米14 4.光伏龙头布局晶硅叠层，多路线推动产业发展16 1.叠层电池提效空间广阔，路线选择取决于工艺与成本 1.1.叠层电池结构拓宽理论转化效率至46%，钙钛矿搭配灵活多样 叠层电池技术有望提升太阳能电池理论效率至46%。由于太阳光光谱的能量分布较宽，现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中能量比其禁 带宽度值高的光子。太阳光中能量较小的光子将透过电池被背电极金属吸收，转变成热能；而高能光子超出禁带宽度的多余能量，则通过光生载流子的能量热释作用传给电池材料本身的点阵原子，使材料本身发热。这些能量都不能通过光生载流子传给负载，变成有效电能，限制了单结太阳能电池的转换效率极限。针对此类问题，钙钛矿叠层电池开辟了新的思路：钙钛矿的光电转化性能优异且带隙连续可调，可通过控制A、B、X实现带隙与能级分布的连续调整。因此，钙钛矿可以搭配其他半导体材料，按禁带宽度从小到大、光谱波段由长到短从底向顶叠合，让波长最短的光被最外侧的宽隙材料电池利用，波长较长的光能够透射进去让较窄禁带宽度材料电池利用，从而减小单结电池中载流子热驰豫导致的能量损失，拓宽太阳能光谱的利用范围，实现光子全方位吸收。叠层电池效率可突破Shockley-Queisser(SQ)极限，理论最高极限可拓宽至46%以上。 图1：单结太阳能电池转换效率面临瓶颈图2：叠层电池结构实现光能利用互补 资料来源：协鑫光电，国泰君安证券研究资料来源：《两端钙钛矿/晶硅叠层太阳电池研究进展》 图3：钙钛矿电池带隙覆盖半导体电池最优吸光带隙图4：钙钛矿具有优异的光吸收系数 资料来源：索比光伏网资料来源：《高效钙钛矿太阳电池及其叠层电池研究进展》 图5：双结叠层电池分波段利用太阳光谱 资料来源：《Metalhalideperovskitetandemandmultiple-junctionphotovoltaics》 1.2.叠层提效优势显著，路线选择取决于量产成本 叠层电池可由钙钛矿电池与钙钛矿/晶硅/铜铟镓硒薄膜电池组成。叠层电池顶层常用高禁带宽半透明电池吸收较高能量的光子，该层一般由钙 钛矿电池组成。下层则通过低禁带宽电池吸收较低能量光子，多为窄带隙钙钛矿电池、晶硅电池、碲化镉/铜铟镓硒薄膜电池。叠层电池可以通过宽带隙的钙钛矿吸收波长较短的光，窄带隙的底电池吸收波长较长的光，以提高对太阳能光谱的吸收范围，大幅增加光电转换效率。此外，由于叠层电池多采用直接复合结构，辅材、配件等成本得以节省，具备低降本潜力。 图6：两端钙钛矿-钙钛矿、钙钛矿-晶硅与钙钛矿-铜铟镓硒电池电池结构对比 资料来源：《CombiningEfficiencyandStabilityinMixedTin–LeadPerovskiteSolarCellsbyCappingGrainswithanUltrathin2D Layer》，《Designofperovskite/crystalline-siliconmonolithictandemsolarcells》，《Flexibleperovskite/Cu(In,Ga)Se2monolithictandemsolarcells》 图7：叠层电池显著提升理论效率天花板，产业端仍有拓展空间 资料来源：隆基股份、晶科能源、东方日升、通威股份、协鑫光电、仁烁光能公司公告，国泰君安证券研究 叠层主要分为2T和4T，路线选择取决于量产成本。按照子电池电极之间的连线形式，叠层电池可分为两端式（2T）和四端式（4T）。1）2T叠 层电池指在底层电池上直接沉积钙钛矿电池，通过互联层或隧穿结将两个子电池串联连接，只需要一个顶端透明电极（不包括背电极），最小化电极光学损失，大幅降低封装耗材用量，工艺流程简洁，远期最具降本空间。但该类电池制备难度较高，中间复合层和上端顶电极的制备不能损坏底电极，效率受到电流较小电池的限制，且良率要求更高。目前仁烁光能、隆基绿能等企业采用此种方法。2）4T叠层电池：放宽了两子电池的匹配条件，使制备更加容易，且每个子电池独立输出，不会相互受制，效率是两子电池之和。但这种结构需要3个透明电极（不包括背电极）、更多的辅材与结构件。目前合特光电、隆基绿能等企业有相关布局。 图8：2T与4T叠层电池结构对比 资料来源：《IntegrationofSubcellsinIII-V//SiTandemSolarCells》 2.全钙钛矿叠层降本潜力最大，钙钛矿-晶硅叠层性价比显著 叠层电池方案多样，按照底电池可分为钙钛矿-钙钛矿叠层、钙钛矿-晶 表1：常见太阳能叠层电池对比 硅叠层、钙钛矿-薄膜电池（CIGS）叠层。按照连接方式可分为两端和四端叠层。当前，产业化主要方向聚焦于钙钛矿-钙钛矿叠层及钙钛矿-晶硅叠层，也有部分公司率先进行四端钙钛矿-晶硅叠层布局。 叠层类型 两端式（2T）叠层电池 四端式（4T）叠层电池 钙钛矿-钙钛矿叠层 钙钛矿-晶硅叠层 钙钛矿-CIGS叠层 钙钛矿-TopCon 钙钛矿-HJT 钙钛矿-PERC 实验室效率 29.0% 28.2% 31.3% 26.5% 24.2% 28.3% 优势 •效率上限高；•度电成本低； •互联层技术难度相对钙钛矿 -晶硅叠层小，底电池工艺整体较简单 TOPCon技术成熟，产线投资低 •HJT电池表面具备ITO层、对称结构与TCO透明导电层，产线改造难度小，工艺流程简单，升级优化成本低•串联结构，提高开 路电压与转换效率 底电池成本较低 •CIGS窄带隙宽度可调且具备高的光吸收系数，理论上光电性能更佳•可以在柔性基底上制备 四端叠层可以分别设计两个子电池的最佳制造条件，两个子电池可以相互独立运行 难点/缺点 额外需要解决窄带隙钙钛矿不稳 需要去除Topcon正面绝 异质结接触问题带来的非辐射复合损失; 受限于正表面未钝化的 •顶部钙钛矿只能是p-i-n （反式）结构； •表面粗糙度较大，空穴传输层不足以完全覆盖纳米粗糙表面，导致潜在的分流效应 需要三个电极使用透明电 定的问题，需要 缘的氮化硅和氧 银浆用量大，成本高 掺磷发射 极，以减小寄 精细控制钙钛矿 化铝，或加入进 极，电池 生吸收，同时 配方 一步掺杂和钝化 Jsc与Voc 电池输出电路 工艺 降低 的复杂度加 •需要考虑顶底电池电流匹配问题，技术相对复杂； •直接在硅电池顶部沉积钙钛矿电池，硅电池顶部陷光结构的制作和表面钝化设计将会更加困难。 倍，总体成本较高 产业化阶段 百兆瓦级量产线建设中 处于试验阶段，试验线规划中 中试线建设中 处于实验室阶段 中试线建设中 有试验性尝试与相关专利技术积累 代表 仁烁光能 晶科能源、中来 合特光电、宝馨科 黑晶光电 中建材、锦能新 企业 股份、天合光能 技、嘉悦新能源、天 能源 合光能、隆基绿能、爱康科技、华晟新能源、曜能科技 资料来源：公司公告，HZB，国泰君安证券研究 2.1.钙钛矿-钙钛矿叠层降成本潜力最大，技术瓶颈亟待突破 钙钛矿-钙钛矿叠层电池降本空间显著。该类叠层电池顶、底电池均为钙钛矿电池，理论上高效率的顶电池禁带宽以1.7~1.9eV的宽带隙顶电池 最佳，底电池以0.9~1.2eV的窄带隙顶电池最佳。从成本端看，钙钛矿-钙钛矿叠层电池降本空间最大：1）辅材成本尤其导电玻璃消耗并未增长， 仅电池材料（传输层、钙钛矿层）成本为单结两倍左右，随着规模化提升，电池材料占比将随产业成熟度而大幅降低，从材料成本端看，钙钛矿-钙钛矿全叠层电池将最具吸引力；2）从设备投资看，封装、检测设备、背电极制备设备无需增加，设备投资保守估计仅为单结1.8倍，且随着规模化发展，折旧成本将被摊薄。根据我们测算，以GW级产线、单结电池转换效率18%、叠层电池效率25%测算，单结电池成本为1.03元/W、钙钛矿-钙钛矿叠层成本为1.18元/W，其中主要增长在电池材料及折旧，随着产业规模化发展，两类成本具备大幅降本空间，钙钛矿-钙钛矿叠层凭借其成本端吸引力，有望实现突围。 图9：钙钛矿-钙钛矿叠层电池结构 资料来源：《Efficienttwoterminalall-perovskitetandemsolarcellsenabledbyhighqualitylow-bandgapabsorberlayers》，国泰君安证券研究 图10：随着钙钛矿电池规模化玻璃及辅