钙钛矿电池理论光电效率极限可以达到33%,其高于第一代晶硅电池与第二代薄膜电池的光电效率。
与此同时,钙钛矿拥有吸光系数高、溶液用量少、良好的光电性能、杂质容忍度高及提纯费用低等特性,因此钙钛矿电池具有较大的降本空间。
另外,随着科研端的成果不断积累,目前钙钛矿稳定性问题的解决方案已经相对清晰,一些在产业化中已经得到应用,后续进一步的提升方案也具备较强的理论支撑。
图表1 晶硅电池(蓝色)与单结钙钛矿电池(红色)效率记录
最后,钙钛矿电池产业化应用正在加速,一方面,研发效率的快速进步,正在为钙钛矿电池的产业化铺路。
钙钛矿电池自2009年开始发展,仅用十多年的时间,单结电池研发效率就已达25.7%,正逐步逼近晶硅电池,全钙钛矿叠层与钙钛矿/晶硅叠层电池研发效率分别达到29%、32.5%。
另一方面,随着科研端的不断投入,众多拥有高校科研背景的初创企业不断涌现,可能会带动行业厚积薄发。
从产业端来看,目前包括晶硅企业在内,已有各重要细分环节已有众多参与者。尤其是在核心的制造及设备端,不同的技术与设备路线均有企业布局,钙钛矿的产业化探索正在大规模铺开。
2023年行业规模达到GW级别,明年或有GW整线落地。2021-2022年间,四家钙钛矿领先企业已完成合计550MW中试线投产。
预计2023年还将有5家以上的企业,合计超过600MW的中试线投产,行业整体规模有望 GW 级别。同时,已有多家头部企业宣布了其GW级产线规划目标,预计将在2024-2025年投产。
靶材分别用于真空蒸镀设备和磁控溅射、RPD等设备。
蒸发材料用于真空蒸镀设备,通过加热蒸发靶材使其沉积在基底表面形成薄膜;溅射靶材用于磁控溅射、RPD等设备,通过高速荷能粒子轰击靶材在基底表面形成薄膜。
图表2 靶材在钙钛矿不同功能层制备中应用
目前钙钛矿主要使用4层靶材:三层功能层需使用相应靶材。
反式钙钛矿结构中,TCO背电极、电子传输层及空穴传输层均需要使用靶材。
考虑后续钝化层的引入以及钙钛矿层镀膜工艺转向干法,可能还会增加额外靶材需求。
TCO导电玻璃通常作为钙钛矿基板衬底,TCO导电玻璃一般采用化学气相沉积和磁控溅射的方法制备。
靶材在钙钛矿各功能层中应用广泛,按照目前头部企业中试线情况测算,钙钛矿单瓦总成本约2元/W,其中靶材占比35%,价值量排序为:TCO背电极>TCO玻璃导电层>电子传输层材料≈空穴传输层材料。
以目前中试线2元/W成本为基准,远期钙钛矿极限成本有望降至 0.6元/W上下,后续降本手段主要围绕五个方向:第一效率提升:效率提升单位面积组件功率,带动单瓦成本下降。
目前头部企业中试线效率约14-15%,远期极限效率有望提升至25%,有效摊薄各项成本;第二产能利用率提升:目前中试线以实验性生产为主,产能闲置率较高。
后续中试线跑通后,产能利用率提升,将有效降低设备折旧、人工等成本;第三良率提升:组件工艺、材料配方体系等尚未定型,实验性生产中,整体良率较低。
后续GW产线中,工艺及材料配方确定,良率目标约95%之上;第四规模化设备降本:当前百兆瓦产线设备投资额在1.2亿左右。
后续GW产线中,可以通过扩大单台设备腔体等方式,实现产能提升;第五材料降本:工艺及材料路线尚未定型,在提升效率阶段,性能优异的高价材料使用广泛。
随着后续工艺路线明确,材料降本可能成为厂商的重点方向。同时,目前钙钛矿产业对于上游材料需求量小,议价能力较弱,后续大规模量产拉动材料需求,可能为厂商带来更多议价空间。
图表3 不同情况下钙钛矿成本拆分
未来靶材更迭降本后仍会维持较高占比。靶材目前在钙钛矿成本中占比高,针对靶材的降本也会成为未来钙钛矿产业重点攻关方向之一。
尤其是对于目前单一占最高的TCO背电极(ITO)来说,其替代方案是目前产业界具有共识的降本手段,如AZO、碳电极替代等。
根据我们估算,在极限成本下,考虑AZO替换ITO,靶材(AZO、TCO玻璃导电层及电子/空穴传输层)成本有望降低到25%左右。
如果钙钛矿产业发展成功,将给靶材行业带来大增量需求,钙钛矿行业规模达到100GW时,预计靶材对应市场规模有望超过150亿元。
原文始发于微信公众号（光伏产业通）：光伏靶材在钙钛矿电池中的应用
