光伏行业深度报告:钙钛矿东风渐起,或为光伏终极路线(2)

时间:2023-04-07 10:50来源:未来智库作者:未来智库 点击:
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摘要:  BIPV 打开下游应用空间。BIPV,即光伏建筑一体化是指将太阳能发电产品集成到 建筑上的技术。基于钙钛矿电池材料的轻薄性、透光性、吸光能力,钙

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  BIPV 打开下游应用空间。BIPV,即光伏建筑一体化是指将太阳能发电产品集成到 建筑上的技术。基于钙钛矿电池材料的轻薄性、透光性、吸光能力,钙钛矿产品可 以较好的适配各类使用场景,尤其对于有采光要求的办公楼等墙体。

  1.3. 钙钛矿制备:稳定性及大面积制备有望突破

  1.3.1. 大面积制备:湿法经济性显著,干法效果好但成本较高

  干法均匀性高,设备为主要瓶颈。常见的干法工艺为气相沉积法,在真空的环境下 通过蒸镀的方式制备钙钛矿薄膜。相比于湿法工艺,气相沉积法可以通过控制蒸发 源精确调控钙钛矿中各组分的化学计量比,从而保证薄膜的均匀性。但是干法工艺 对真空环境要求极高,需要较长的抽真空时间,这也使得干法工艺成本上升,单台 产能下降(制备时间长)。

  湿法核心在于形核结晶,狭缝涂布或成主流。早期实验室制备钙钛矿多使用一步或 两步溶液旋涂工艺。一步法操作简单先制备溶液并将混合前驱体旋涂于衬底上,退 火结晶(温度 100-150℃),形成纯相、无针孔、致密的钙钛矿结构层。两步法与之 类似,分开旋涂后再在热台上退火。随着大面积制备需求显现,湿法工艺逐渐发展 出了刮刀涂布、狭缝涂布、丝网印刷、喷涂法、喷墨打印法。通常湿法步骤包括溶 剂挥发→溶液过饱和+成键→溶质析出/形成晶核(同质随机形核)→晶粒生长→形 成固态多晶薄膜。钙钛矿的形核和工艺窗口窄,并且随着面积的放大控制难度上升。 旋涂法薄膜组分均匀同时晶粒大小调控简单但是不适合大规模量产,而狭缝涂布法 溶液利用率高,适合大面积生产,但在均匀性控制上仍需改进。

  1.3.2. 稳定性进展可期,材料及封装技术持续优化

  稳定性验证顺利,材料技术优化稳步推进。目前部分企业钙钛矿组件已经通过多项 IEC61215 晶硅光伏组件标准。普林斯顿大学通过 2D-PVSK 界面钝化以及双重封装 技术在 1sun/35-110℃标准下 T80>30 年;莱斯大学利用 3D/PP-2D bilayer,在 1sun/60℃ /75%RH 的老化条件下实现 T99>2000h。

  

光伏行业深度报告:钙钛矿东风渐起,或为光伏终极路线

  长期稳定性优化路径清晰,头部企业进展可期。纤纳光电 2019 年底通过全球首次 IEC 标准稳定性测试;2020 年 7 月在湿热实验测试中,将组件老化时间由 1000 小 时提升至 3000 小时。纤纳α组件通过 IEC61215 和 IEC61730 稳定性全体系认证。 长期角度来看,钙钛矿通过优化材料体系/无机电荷传输层/金属氧化物电荷传输层 阻挡/采用复合电极以及优化组件封装技术进一步加强钙钛矿组件稳定性。

  

2. 钙钛矿叠层:提升效率极限,多路径共同发展


  叠层技术百花齐放,全钙钛矿叠层成本占优。按照电极的连接方式可分为两端/三端 /四端叠层,两端结构为子电池串联,机械堆叠的四端叠层子电池独立运行,不比考 虑二者兼容性,但是寄生吸收大,成本高;按照材料选择可进一步细分为钙钛矿-晶 硅叠层/全钙钛矿叠层/钙钛矿-有机叠层/钙钛矿-CIGS 叠层。目前产业化进度较快的 是全钙钛矿叠层和钙钛矿-晶硅叠层。从 LCOE 角度晶硅/钙钛矿叠层约为 5.22 元, 略高于全钙钛矿叠层的 4.22 元。考虑到目前两者极限效率差距不显著,同时在组件 尺寸以及晶硅产业链成熟度来看,预计初期晶硅/钙钛矿的进度更快,中长期切入全 钙钛矿叠层。

  2.1. 结构选择:两端、三端 or 四端?

  

光伏行业深度报告:钙钛矿东风渐起,或为光伏终极路线

  两端集成一体 VS 四端机械堆叠。叠层电池通过宽带隙电池与窄带隙电池串联,利 用全光谱范围内的光子,突破单结极限效率。目前主流的叠层结构为 2 端和 4 端器 件,两端叠层理论 PCE 为 45.7%略低于四端叠层的 46%。四端机械堆叠电池,工 艺难度上机械堆叠的四端叠层电池最容易制作,两个子电池独立制作,仅在光学耦 合/没有电气连接。四端口器件需要的电子元器件翻倍(例如逆变器),寄生吸收大、 制造成本高。两端集成一体电池,两个子电池通过复合层/隧道结将子电池串联连接, 对比四端机械堆叠仅需要一个透明电极,可以直接在硅电池上沉积钙钛矿电池,减 少电极用料和沉积步骤。但是两端叠层缺陷在于:子电池串联工作,因此二者必须 有相似的光电流,电池电流受电流较低的子电池影响。同时晶硅电池表面的陷光结 构也会增加钙钛矿薄膜的沉积难度。三端叠层受限于低带隙电池 Voc 过小,性能和 发展速度慢于其它路线。

  2.2. 材料选择:全钙钛矿叠层 or 钙钛矿/晶硅叠层

  2.2.1. 全钙钛矿叠层:窄带隙材料或为关键瓶颈

【激光网激光门户网综合报道】( 责任编辑:huahua )
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