单结钙钛矿学习笔记20230219

【钙钛矿介绍】

钙钛矿是非常新的技术，它在全球首先出现是在2009年，国内是从2013年开始出现钙钛矿相关研究。从资本的角度上来讲，由于2021年左右双碳政策的推出，钙钛矿作为新的光伏技术被认为具有很好的产业化潜力，这两年受到资金的热捧。

目前国内从事该项目基础研究的实验室非常多。国内学者在全球也属于研究前沿人士，像韩国实验室做到26.7%以上的电池效率，国内的半导体所、化电所有学者做到25.6%甚至内部测试过26%的效率，所以国内的基础研究也是处于全球领先的水平。产业化方面领先程度更大，因为国内的创业环境比欧美、日韩要好得多。

从产业化来看，从2021年、2022年起，国内先后成立了十余家初创企业在做钙钛矿；宁德时代下属的新技术开发部门、长城汽车背景的初创企业也有在做，并且进度较快；此外，近几年也有一些成立没多久的公司在做。

【Q&A】

Q:请问从目标来看，钙钛矿未来潜在的效率提升到怎么样的程度，才能和目前晶硅的转化效率进行比较？提高效率要朝着哪些方向去努力？

A:首先看市场格局，晶硅目前处于转向TOPCon、异质结这样新一代的技术为主的阶段。目前PERC的组件效率是21%上下，未来TOPCon、异质结电池端理想情况下效率是25%-26%、组件效率在23%左右。钙钛矿初步判断首先要达到18%的组件效率，如此才从性能上可以和晶硅组件进行比较的阶段。

1）定在18%主要是源自于钙钛矿相对于晶硅的优势——温度系数较低。温度系数PERC是-0.3左右，TOPCon在-0.3左右，异质结是-0.25左右，这是根据电池结构的特性说明效率随温度变化的特性。晶硅组件属于温度越高它相对越低，意味着光好的时候工作温度比较高，因为晶硅组件只能把一部分太阳光转化为电，额外的能量是转化为热量。此外还有环境温度的问题。夏天是太阳最好的时候，这恰好也是气温最高的时候，所以在光照条件最好的时候晶硅反而不能发挥它最好的效率，这就是晶硅行业目前遇到的问题——光照环境好和发电量高是稍微有一点矛盾的；而钙钛矿没有这样的矛盾，其温度系数几乎为0，也就是说光照条件和环境温度并不会影响效率，所以夏天条件好的时候发电量也是最高的。

综上来说，同样100MW的小电站，钙钛矿组件发电量可能是显著多于晶硅的TOPCon或者是异质结，因为温度系数是0比-0.2或者-0.3，每年发电量瓦数会比晶硅组件多发10%-20%左右。所以提出18%的钙钛矿组件效率，可以和晶硅21%左右的组件进行直接的效率PK。当然，这个还没有考虑到性价比，如果考虑到钙钛矿成本比晶硅还要再便宜一些，甚至更极端一点是16%的钙钛矿组件，也可以和晶硅PERC组件进行一定的竞争。

Q:钙钛矿现在还有一定效率提升的空间，请问具体提升应该解决哪些方面的问题或哪些方面是最需要解决的？

A:提高效率需要克服的问题主要包括以下三点第一，钙钛矿本身膜层面积放大工艺的不确定性。第二，如何优化组件内部创新减少电流收集端的损失。第三，承压引起的内部变化导致的效率下降。

1）钙钛矿核心的难点在于钙钛矿膜层本身的放大，面积越放大效率越难做的比较高。因为其他膜层都可以通过选择一些稳定的材料或者是成熟的支撑，来获得良好的成膜。而钙钛矿这个膜层目前最好的方式还是溶液涂布，在实验室可以通过悬涂很好的控制，在几百平方厘米的大面积用刮图的控制难度也不大，大面积的涂布尤其是超大面积，比如说超过两平方以上的涂布，这些涂布虽然都叫溶液法涂布，但是它所使用的设备和工艺，包括整个操作过程都是有很大差异的。所以在实验室积累的一些经验在这方面不能直接借鉴，只能把它作为一个原理性的基础在设备上开发工艺。目前只有协鑫和宁德时代是量产，其他的厂家要买0.6乘0.2米的这个尺寸，这其实只能算是一个中试尺寸，因为从0.72平方米放大2平方还需要将近3倍的面积放大。而这个面积放大，还牵扯到供应商很大的调整，虽然设备一样按仍然存在工艺上不确定的地方。

2）优化组件内部创新减少电流收集端的损失。首先是要提高钙钛矿成模的质量；其次在实验室做小面积电流收集的时候，是用整面镀上银的备电极，这种电流收集几乎是没有电流损失的，所以它实验室的效率也比较高。随着面积放大可能需要用激光刻线进行电流收集，这个时候就要有一些边缘损失；此外，还会由激光刻线带来的一些缺陷风险引起的损失，而这些损失会随着组件面积越大，刻线的距离和要求也会越来越高，出现问题的概率也会越来越大，这是另外电流收集端的问题。怎么样设计和优化内部组件创新结构影响内部的转折点，是第二个提高效率需要克服的问题。

3）还有承压也会引起内部的变化导致效率下降，实验室做小面积电池研究不需要考虑承压，因为稳定性也一般不考虑这样的问题，所以在组件端总结出这三点。

Q:以目前量产中试的几条线为例，所需的设备大概有哪些？目前做的比较好的厂商大概能有哪些？现有设备的价值量情况如何？

A:以接近量产化的协鑫、宁德为例，两者路线比较一致，都是以PVD成熟工艺作为核心膜层（除钙钛矿），所以PVD设备占比比较大。基本上一条产线造价在1亿出头，PVD需要用来做空气传导层、电子传导层和备电极，所以数量是要分开，成本占比是要占70%以上。钙钛矿膜层使用涂布机要占10%，P1、P2、P3、P4激光器也要占10%左右，剩下10%就是自动化设备，封装和测试设备和其他的辅助设备，这个划分根据不同的电池结构和生产工艺划分的。

1）PVD设备晟成光伏等，可以提供立式的PVD设备。2）RPD设备国内目前唯一能卖的就是捷佳伟创。3）激光设备大族激光、迈为、杰普特、德龙。4）涂布设备上海德沪、璞泰来。5）层压设备国产的非常好。6）测试设备，全球能提供最好的设备是荷兰的一家公司，能提供AAA或者AAA+级的模拟光源，也能提供相关的测试设备。

Q:除去设备，封装、玻璃、电极材料会占据比较大的成本，目前主流量产来看是采用哪一种的封装形式？玻璃的售价会比正常的售价大概要高多少？

A:封装主要是三种材料，玻璃、胶膜和四周丁基胶。

1）胶膜只能选POE。不选EVA是因为热固型的EVA在100多度需要有一个热交联的过程，而热交联存在化学反应，首先是预制的一些低交联度的粒子和胶连的助剂，会破坏钙钛矿；EVA在长期老化的过程当中，会出现光照下的脱落形成一些活性小分子破坏钙钛矿，所以并不能使用含有任何EVA组份的胶膜包括EPE，目前来看比较成熟的是POE胶膜，尤其是热塑性的胶膜才能用于钙钛矿。钙钛矿只需要一层POE胶膜，所以胶膜这一块钙钛矿和晶硅组件成本相当，远期成本会比晶硅双层成本要低。POE也存在国产化的过程，未来成本可以做到每平方15块钱。

2）玻璃背板用的压延玻璃，前板是浮法玻璃并没有进行钢化，所以强度上有欠缺，出于保险起见，背板会选用钢化玻璃，形成一种相对稳定的结构，也比较好通过相关的机械性能测试。但成本上来讲，压延玻璃和钢化玻璃成本不会差太多。TCO玻璃目前由于产能和需求不匹配价格会比较贵，目前价格是60-70块钱每平方米，未来玻璃的成本可能会降到现在的一半以下。

3）丁基胶封装关键的步骤。玻璃是非常好的封装材料，透水透氧率几乎为0，钙钛矿组件完成封装之后，风险点主要来自于四周边缘，厚度有几百微米，主要来源于POE胶膜和背板玻璃打孔，假如说出现水银渗透，都是在这些地方发生的，所以丁基胶需要控制厚度、关注高温下加工性能和阻氧率的要求。所以目前采用的丁基胶还是选用性能比较好进口的厂商为主，国产的丁基胶早期没有为光伏行业进行特点的开发，所以在基础的水氧透过率和高温下的流动性表现都没有专门为光伏开发。

Q:现在做涂布设备哪家厂商做的比较好？难点在哪里？

A:涂布机目前主要涉及三类厂家。1）如果单纯说涂布，原来为LCD行业供货的公司做的比较好，对于钙钛矿行业涂布尺寸技术是远远过剩的。2）但是真正产业化不要光看性能还要看性价比，国内目前性价比最好的是德沪，专门为钙钛矿开发。3）再是原来为锂电行业开发的公司，但是尺寸会稍微的偏小，性能上应该也会逐渐接近像德沪，成本也会有比较好的优势。

Q:原材料的成本占比目前是什么样的情况？

A:钙钛矿原材料占比非常低，占整个组件成本的35%，因为钙钛矿材料本身用量比较少，所以成本占地很低。1）目前来看占比最高的一块是TCO玻璃，因为它是由一个玻璃加一个导电层。2）然后是电极层，差不多有0.5微米的厚度，如果使用相对贵的材料成本占比也有百分之十几，3）接下来的成本就是像胶膜和胶带，占比加起来也有百分之十几，4）另外还有空气传输层、电子传输层，如果是以PVD工艺来做的话，它的这些靶材也需要10%左右。总体上，钙钛矿组件封装材料像玻璃、胶膜、胶带占比大概在30+%，前后两个电极把它单独拆出来和上下两个靶材，这一块加起来占比要占到35%左右，整个材料再加上钙钛矿的占比，应该会占到70%左右；剩下30%是人工、能耗、设备折旧、厂租。

Q:TCO玻璃这一块，未来是否会更多人选择FTO玻璃？

A:从产业化的角度上来讲FTO可以通过玻璃逐渐冷却的过程当中直接承接，这种方式可以获得低成本的玻璃。当然，也可以自己买FTO靶材，但是成本会比之前的方式贵保守估计要贵50%以上，获得的性能只是为了更平整的机理，按照成本考虑FTO肯定是主流的。

Q:钙钛矿寿命不长的问题如何解决？

A:早期的钙钛矿存在甲胺，确实存在热稳定性和光稳定性差的问题。逐渐在通过多种途径解决

1）材料本身进行的设计通过多元搀杂甚至不用甲胺这种材料。

2）膜层的设计，最新的方案是其中加入大量的氧因子，形成二维、三维的结构，确保了模成本身的稳定性，而且某一些二维钙钛矿甚至可以抵抗水气的侵入。

3）组件端用一些膜做功能层。

4）最重要的还是做好封装，用透水率更低的POE，从组件端解决外部水侵入的问题。

早期的文献证明封装完好的情况下钙钛矿组件对于光的稳定性和热的稳定性都是非常好的。

从实证的例子上来讲，很多产业化公司都公布了大型组件的稳定性数据。未来钙钛矿新的组件要取于消费者和下游运营商，要走两条路首先，该做的测试要做；另外一个方式是通过实际的运行，比如说运行一年效率不衰减，目的是让下游接受钙钛矿组件像晶硅一样是非常稳定，可以使用非常长的时间。

Q:丁基胶产品的供应商有哪些？国产供应商价格比海外能低多少？

A:光伏丁基胶目前国内相对少一点。国产像福斯特、赛伍技术、康达等都在开发类似的产品。丁基胶除了钙钛矿还有异质结组件也需要，目前国产化还是以实验为主，所以售价浮动比较大、价格也比较优惠。可以作为参考的是进口丁基胶，基本上是10块钱，价格比较贵。

Q:请问丁基胶产品技术难度高吗？

A:丁基胶需要1）基本粒子开发，比如说聚合度、胶连度的性能，需要最初供应链进行开发。2）助剂开发，一般是下游胶带供应商开发，开发是存在两个层级的。国产丁基胶也能够满足要求，但是没有对钙钛矿进行定制化开发，因为钙钛矿热承压温度要控制的比较低，比如说150度以下，这个需要粒子的胶连度、在常温条件下获得比较好的流动性，必然要和其他应用方式要有不同的胶连剂的选择。因为其现在处于早期、市场也小，国产供应商不会进行主动开发，所以从短方向来看国产性能还是低于进口的供应商，但是未来应该是可以赶上的，因为其中并不存在不可逾越的技术壁垒。

Q:钙钛矿目前和理论的寿命是多少年？

A:如果按照通过标准，晶硅可以用25年，钙钛矿如果稍微激进一点也可以宣称，但是这个宣称没有太大的意义。因为钙钛矿和晶硅电池的衰减机制都是完全不一样的，具体说多少年使用寿命是没有办法下一个直接结论，如果封装可靠，钙钛矿全寿命发电量会显著多于晶硅，晶硅会有线性衰减。

晶硅的产品质量会标注，初始衰减会稍微多一点，接下来二十年都是性能衰减。而钙钛矿的衰减模式被认为长期稳定，只在封装出现问题之后出现剧烈衰减。所以从使用年限上来看，钙钛矿如果有15-20年的使用寿命，应该可以和晶硅25年的使用寿命进行比较。按照目前的认证标准钙钛矿的通过没有任何的问题，但是通过之后也不一定能够证明用15年-20年，对钙钛矿寿命的疑问也需要一些实证的例子来证明。

Q:众能光电具体是做哪一个设备的？

A:众能光电成立的时间比较长，早期也是做组件开发，后来觉得买设备不如做设备，所以开始发展激光涂布，后来PVD镀膜设备都有所涉及，最近宣称是全产业链设备都能做。但是据了解都是做实验室级的小设备，且没有太大问题的，但大面积的镀膜设备和PVD设备、激光设备应该没有相关的实证出货的例子，有所欠缺。

Q:钙钛矿面积变大不仅是工艺端有难度，设备端也有难度？

A:对，现在做小涂布机的公司非常多，国内有十几家。但是放到0.6米这样的尺寸难度大。

Q:锂电的涂布工艺和钙钛矿工艺路线不一样且转不过来？

A:至少经验上可以借鉴。首先，是锂电上涂的幅宽会比较窄，基于柔性的涂布，而且涂布的材料厚度也比钙钛矿厚，带来的技术难度相对于钙钛矿大尺寸的平板涂布机要低一点，直接改肯定是不行的。要借助原来刀头的设计方案，再控制一下平板膜厚距离调整，这些是转型和克服的问题，也并不是不能做。

Q:锂电涂布设备有挺多家，但现在只有璞泰来做出来了？

A:其他家也号称在做锂电涂布机，但是出货的话也没听说过为这个幅宽出货的，因为国内采购这个幅宽的也不多。

Q:宁德时代今年会用谁的设备？

A:宁德时代应该是用德沪，他们会选用比较好的和成熟的设备。

Q:当前钙钛矿都在做百兆瓦级的产线，怎么看钙钛矿晶硅叠层？

A:目前国内做钙钛矿和晶硅叠层的企业还没有人真正落实百兆瓦产线，也没有必要现在做，因为现在面临最大的问题是要把面积做大，小面积已经做到32%效率以上，这是全球领先的水平，国内也达到这个水平。但都是基于0.1平方米小范围的，要做的是做到比如说166硅片和182硅片硅片尺寸面积达到多少效率才是首要目的，而不是做到百兆瓦的水平。所以不能说钙钛矿晶硅叠层目前处于领先的水平，目前还是单结钙钛矿更接近于产业化。

Q:国内导电玻璃企业有护城河吗？

A:肯定是有的，现在市场供给比较少。像一些早期参与的公司，会获得早期的基础任。后来者从技术、效率上要明显领先于之前公司的水平，而且价格上有优势才能打动供应商，从这个角度上来讲有市场和技术方面的护城河。

Q:钙钛矿溶液不同厂商的壁垒主要是在配方问题吗？不同结构的钙钛矿有不同的制备方法吗？

A:没错，钙钛矿配方匹配不同功能，有差别。从材料的角度上来讲，主材都是一致的，所掺的可能是1%以下的添加剂，虽然量很小但是会影响整个钙钛矿结晶的过程。所以说不同的钙钛矿配方，相应的成本工艺和使用设备都会有差异。

Q:在不考虑成本的情况下，直接使用日本的涂布机容易实现钙钛矿的大面积制备吗？

A:从涂布角度上来讲是更容易实现，但是钙钛矿涂布只是第一步，接下来还有结晶等的问题，涂布只能解决一部分的问题。

Q:对于蒸镀的几家供应商怎么看？

A:如果是只针对钙钛矿的话，还是处在实验室的地步。蒸镀设备开发都处在比较初期的阶段，可以期待他们的成功，但是一两年内还需要很多事情要做。