机械设备行业专题研究：ibc电池与钙钛矿电池未来电池片技术将如何演绎？_26页_1mb.pdf

1证券研究报告作者：行业评级：上次评级：行业报告 | 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明机械设备强于大市强于大市维持2022年 05月 16日（ 评级）分析师 李鲁靖 SAC执业证书编号： S1110519050003联系人 张钰莹ibc电池与钙钛矿电池，未来电池片技术将如何演绎？行业专题研究摘要2核心组合： 先导智能、迈为股份、新莱应材、联赢激光、江苏神通、华测检测、高测股份、帝尔激光、春风动力、润邦股份、苏试试验 。重点组合： 中联重科、 锐科激光、欧科亿、华锐精密、国茂股份、 杰克股份、弘亚数控、美亚光电、三一重工、中联重科 。本周专题： ibc电池与钙钛矿电池，未来电池片技术将如何演绎？IBC： 将 p+掺杂区域和 n+掺杂区域均放置在电池背面（非受光面）的太阳能电池， ibc电池的受光面无任何金属电极遮挡，从而有效增加电池的短路电流，使电池的能量转化效率得到提高。制备需要板式 PECVD、管式 PECVD或 APCVD、激光开槽设备、湿法设备、PVD或 RPD等设备， 利好设备厂商：迈为股份、帝尔激光等。钙钛矿： 钙钛矿太阳能电池，采用具有钙钛矿晶体结构的有机无机杂化的金属卤化物作为吸光层。钙钛矿指代一大类具有与此类矿物相同晶体结构的化合物，把结构与之类似的晶体统称为钙钛矿物质。其化学成分简写为 AMX3，其中 A通常代表有机分子， M代表金属（如铅或锡）， X代表卤素（如碘或氯）。 钙钛矿太阳能电池世界最高光电转换效率记录已达到 25.2，钙钛矿与晶硅叠层电池的效率已经达到 29.15%。锂电设备： 建议关注：先导智能、杭可科技、赢合科技、联赢激光、杰普特。光伏设备： 迈为双面微晶取得较好进展，迈为股份联合澳大利亚金属化技术公司 SunDrive利用可量产工艺在全尺寸 (M6尺寸，274.3cm)单晶异质结电池上转换效率达到 26.07%，进一步验证异质结电池量产效率在未来跨越 26%大关的可行性。 建议关注：迈为股份、帝尔激光、高测股份等。摩托车两轮车： 建议关注：春风动力。风电 &核电设备： 建议关注：润邦股份、恒润股份、江苏神通、华荣股份、杰瑞股份。半导体 &IGBT： 晶圆厂领域高洁净材料行业中国大陆市场空间在 5.1亿 8.5亿美元，而半导体高洁净应用材料行业市场规模高达 500亿元左右。 建议关注：新莱应材、至纯科技。工控自动化： 受益于外资品牌供应链短缺问题。 建议关注：汇川技术、禾川科技、埃斯顿、新时达、绿的谐波。风险提示： 宏观环境与政策风险；行业竞争风险；电池片技术路径变化风险等。注：华测检测为机械与环保共公用团队联合覆盖；锐科激光为机械与电子团队联合覆盖；美亚光电为机械与医药团队联合覆盖春风动力为机械与汽车团队联合覆盖IBC电池：龙头企业加速布局 HPBC产能13请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明4数据来源：索比光伏网，光伏盒子公众号，天风证券研究所图： ibc电池结构图1.1 IBC太阳能电池概述 IBC电池： 指交叉背接触 （ interdigitated back contact， ibc） 太阳能电池是一种将 p+掺杂区域和 n+掺杂区域均放置在电池背面 （ 非受光面 ） 的太阳能电池， ibc电池的受光面无任何金属电极遮挡，从而有效增加电池的 短路电流 ，使电池的能量转化效率得到提高。 发展历程： Schwartz 和 lammert 于 1975年提出来，将电池的发射区电极和基区电极均设计于电池背面且以交叉的形式排布的一种太阳能电池。 IBC电池的结构如图，一般以 n型硅作为基底，前表面是 n+的前场区 FSF，背表面为叉指状排列的 p+发射极Emitter和 n+背场 BSF。前后表面均采用 SiO2/SiNx叠层膜作为钝化层。正面无金属接触，背面的正负电极接触区域也呈叉指状排列。5数据来源：索比光伏网，光伏盒子公众号，天风证券研究所1.2 IBC电池特点： FF(填充因子 ) 、 voc(开路电压 ) 、 jsc(短路电流 ) ibc电池特点： IBC电池最大的特点是 PN结和金属接触都处于电池的背面，正面没有金属电极遮挡的影响因此具有 更高的短路电流 Jsc，同时背面可以容许较宽的金属栅线来降低串联电阻 Rs从而 提高填充因子 FF；加上电池前表面场（ Front Surface Field, FSF）以及良好钝化作用带来的开路电压 voc增益 ，从而提高转换率。 ibc电池优点：（ 1）电池正面无栅线遮挡，可消除金属电极的遮光电流损失，实现入射光子的最大利用化，较常规太阳电池短路电流可提高 7%左右。（ 2）正负电极都在电池背面，不必考虑栅线遮挡问题，可适当加宽栅线比例，从而降低串联电阻，提高 FF(填充因子 )。（ 3）由于正面不用考虑栅线遮光、金属接触等因素，可对表面钝化及表面陷光结构进行最优化的设计，可得到较低的前表面复合速率和表面反射，从而提高 Voc（开路电压）和 Isc（短路电流）。（ 4）外形美观，尤其适用于光伏建筑一体化，具有较好的商业化前景。 ibc电池缺点：（ 1）对基体材料要求较高，需要较高的少子寿命。因为 IBC电池属于背结电池，为使光生载流子在到达背面 p-n结前尽可能少的或完全不被复合掉，就需要较高的少子扩散长度。（ 2） IBC电池对前表面的钝化要求较高。如果前表面复合较高，光生载流子在未到达背面 p-n结区之前，已被复合掉，将会大幅降低电池转换效率（ 3）工艺过程复杂。背面指交叉状的 p区和 n区在制作过程中，需要多次的掩膜和光刻技术，为了防止漏电， p区和 n区之间的 gap区域也需非常精准，这无疑都增加了工艺难度。（ 4） IBC复杂的工艺步骤使其制作成本远高于传统晶体硅电池。6数据来源：摩尔光伏公众号，天风证券研究所1.3 IBC电池工艺流程 以 SunPower公司为代表的传统 IBC工艺流程：双面清洗 背面 B扩散形成 P+PECVD 沉积氮化硅形成掩膜 酸洗去除做 BSF区域的氮化硅 刻蚀 P掺杂形成N+ 前表面（ FS）制绒 FSF和退火 钝化 形成交叉指状正负电极。 天合光能公司 IBC工艺流程：化学抛光去损伤 BBr3管式扩散 干氧生长掩膜 丝网印刷局部 BSF开孔 POCI3管式扩散 制绒 双面钝化 局部接触开孔 丝网印刷金属化 形成交叉指状正负电极。 IBC电池的工艺流程难点与核心环节：1.N+区和 P+区的形成（ N-P结的形成）在 IBC太阳电池的工艺优化中 ,叉指状的 P+和 N+区结构是影响电池性能的关键。优化 P+ 区占比、减小金属接触面积有利于 IBC 太阳电池性能的提高。为了最大程度获得光捕获 ,正面采用先进陷光技术对 IBC 太阳电池光电转换效率的提升也具有重要作用。目前主流方法包括：光刻、离子注入、激光掺杂。2.IBC太能能电池背面金属化。目前主流的方法：丝网印刷、铜蒸馏，其中丝网印刷优于铜蒸镀。7数据来源： IBC太阳电池技术的研究进展 ，席珍珍，天风证券研究所1.4 IBC重点环节 1： N-P结的形成 对应环节： N-P结的形成 掩膜法： IBC电池的工艺有很多种，常见的定域掺杂的方法包括掩膜法，可以通过光刻的方法在掩膜上形成需要的图形，这种方法的成本高，不适合大规模生产。 丝网印刷： 通过丝网印刷刻蚀浆料或者阻挡型浆料来刻蚀或者挡住不需要刻蚀的部分掩膜，形成需要的图形，这种方法成本较低，需要两步单独的扩散过程来分别形成 P型区和 N型区。另外，还可以直接在掩膜中掺入所需要掺杂的杂质源（硼或磷源），一般可以通过化学气相沉积的方法来形成掺杂的掩膜层。这样在后续就只需要经过高温将杂质源扩散到硅片内部即可，从而节省一步高温过程，也可在电池背面印刷一层含硼的叉指状扩散掩蔽层，掩蔽层上的硼经扩散后进入 N型衬底形成 P+区，而未印刷掩膜层的区域，经磷扩散后形成 N+区。丝网印刷局限性： 精度问题，印刷重复性问题等，给电池结构设计提出了一定的要求，在一定的参数条件下，较小的 PN间距和金属接触面积能带来电池效率的提升，因此，丝网印刷的方法，需在工艺重复可靠性和电池效率之间找到平衡点。 激光： 激光也是解决丝网印刷局限性的一条途径。无论是间接刻蚀掩膜，还是直接刻蚀，激光的方法都可以得到比丝网印刷更加细小的电池单位结构，更小的金属接触开孔和更灵活的设计。 离子注入： 从半导体工业转移到了光伏工业上，离子注入的最大优点是可以精确地控制掺杂浓度，从而避免了炉管扩散中存在的扩散死层。通过掩膜可以形成选择性的离子注入掺杂。离子注入后，需要进行一步高温退火过程来将杂质激活并推进到硅片内部，同时修复由于高能离子注入所引起的硅片表面晶格损伤。所以，离子注入技术的量产化导入的关键是设备和运行成本。8数据来源： IBC太阳电池技术的研究进展 ，席珍珍，天风证券研究所1.4 IBC重点环节 2：钝化 表面钝化技术（对应环节：钝化） 对于晶体硅太阳电池，前表面的光学特性和复合至关重要。对于 IBC高效电池而言，更好的光学损失分析和光学减反设计显得尤其重要。在电学方面，和常规电池相比， IBC电池的性能受前表面的影响更大，因为大部分的光生载流子在入射面产生，而这些载流子需要从前表面流动到电池背面直到接触电极，因此，需要更好的表面钝化来减少载流子的复合。为了降低载流子的复合，需要对电池表面进行钝化，表面钝化可以降低表面态密度，通常有 化学钝化 和 场钝化 的方式。 化学钝化： 应用较多的是氢钝化，比如 SiNx薄膜中的 H键，在热的作用下进入硅中，中和表面的悬挂键，钝化缺陷。 场钝化： 利用薄膜中的固定正电荷或负电荷对少数载流子的屏蔽作用，比如带正电的 SiNx薄膜，会吸引带负电的电子到达界面，在 N型硅中，少数载流子是空穴，薄膜中的正电荷对空穴具有排斥作用，从而阻止了空穴到达表面而被复合。 因此，带正电的薄膜如 SiNx较适合用于 IBC电池的 N型硅前表面的钝化。而对于电池背表面，由于同时有 P， N两种扩散，理想的钝化膜则是能同时钝化 P， N两种扩散界面，二氧化硅是一个较理想的选择。如果背面Emitter/P+硅占的比例较大，带负电的薄膜如 AlOx也是不错的选择。9数据来源： IBC太阳电池技术的研究进展 ，席珍珍，天风证券研究所1.4 IBC重点环节 3： IBC太阳能电池背面金属化 金属栅线（对应环节： IBC太阳能电池背面金属化） IBC电池的栅线都在背面，不需要考虑遮光，因此可以更加灵活地设计栅线，降低串联电阻。根据背面栅线的不同，可分为无主栅、四主栅、点接式 IBC 电池三种但是，由于 IBC电池的正表面没有金属栅线的遮挡，电流密度较大，在背面的接触和栅线上的外部串联电阻损失也较大。金属接触区的复合通常都较大，所以在一定范围内接触区的比例越小，复合就越少，从而导致 Voc越高。因此， IBC电池的金属化之前一般要涉及到打开接触孔 /线的步骤。 N和 P的接触孔区需要与各自的扩散区对准，否则会造成电池漏电失效。与形成交替相间的扩散区的方法相同，可以通过丝网印刷刻蚀浆料、湿法刻蚀或者激光等方法来将接触区的钝化膜去除，形成接触区。 1.丝印 /激光：与形成交替相间的扩散区方法相同，可以通过丝网印刷刻蚀浆料、湿法刻蚀或者激光等方法来将接触区的钝化膜去除，形成接触区。 2.蒸镀 /电镀：蒸镀和电镀也被应用于高效电池的金属化，能够显著降低成本。 随着丝网印刷原辅材料和设备的不断优化与更新 ， IBC太阳电池背面电极的精确对位问题已得到解决 ， 这也给背面设计优化与成本控制提供很大空间 ， 丝网印刷方式优势逐渐显现。10数据来源：中科院宁波材料所，普乐科技 POPSOLAR公众号，天风证券研究所1.5 IBC电池演变： IBC、 POLO-IBC/TBC、 HBC 随着设备成本的下降和工艺的成熟， IBC电池形成三大工艺路线： 1）以 SunPower为代表的经典 IBC电池工艺； 2）以 ISFH为代表的 POLO-IBC电池工艺；由于 POLO-IBC工艺复杂，业内更看好低成本的同源技术 TBC电池工艺（ TOPCon-IBC）； 3）以 Kaneka为代表的 HBC电池工艺（ IBC-SHJ）。图： IBC电池转换效率的进化11数据来源：美泰光伏公众号，普乐科技 POPSOLAR公众号，天风证券研究所1.5 IBC电池演变： IBC、 POLO-IBC/TBC、 HBC表： IBC、 TBC、 HBC对比图IBC TBC HBC掩模和炉管扩散 掩模和炉管扩散制备背面 PN区 掩模和炉管扩散制备背面 PN区，或掩模和 CVD原位掺杂制备背面 PN区 掩模和 CVD原位掺杂制备背面 PN区PN区 P区 N区隔离，分别跟金属电极接触P区 N区隔离，分别跟金属电极接触；PN区与基区之间沉积一层超薄隧穿氧化层PN区与金属电极之间沉积 TCO层印刷方式 单面丝网印刷，无主栅或多主栅 单面丝网印刷，无主栅或多主栅 单面丝网印刷，无主栅或多主栅设备与工艺兼容性 兼容部分 PERC工序 兼容部分 TOPCon工序 兼容 HJT设备和工艺制程与工艺 高温制程，设备及工艺成熟、成本 低 高温制程，工艺接近成熟、成本低 低温制程，工艺接近成熟、成本高量产转换效率 23.5%-24.5% 24.5%-25.5% 25%-26.5%N型电池工艺 P-PERC（ 基准） TOPCon HJT IBC经典 IBC TBC 经典 HBC实验室效率 24.06(隆基 ) 26.09(Fraunhofer) 26.3%(隆基 ) 25.2(SunPower)26.1(Fraunhofer) 26.63%(Kaneka)量产效率 22.8%-23.2% 23.5%-24.5% 23.5%-24.5% 23.5%-24.5% 24.5%-25.5% 25%-26.5%生产成本 约 0.6-0.8元 /W 约 0.7-0.9元 /W 约 1-2元 /W 约 1-2元 /W 约 1-2元 /W 约 1.2-2.2元 /W银浆耗量 80mg/片 100-120mg/片 200-220mg/片 低于双面 perc 低于双面 TOPCon 低于 HJT薄片化 170-190m 150-160m 90-140m 130-150m 130-150m 90-140m产线兼容性 目前主流产线 可升级 perc产线 完全不兼容 perc 兼容部分 perc 兼容 TOPCon 兼容 HJT设备投资 2亿 /GW 2.5亿 /GW 4.5亿 /GW 3亿 /GW 3亿 /GW 5亿 /GW量产成熟度 已成熟 已成熟 即将成熟 已成熟 即将成熟 即将成熟表：晶硅光伏电池不同工艺路线的发展情况12数据来源：普乐科技 POPSOLAR公众号，天风证券研究所1.5 电池工艺制程对比 HBC电池制备 较为复杂 1）制备背面 P区（掺硼非晶硅）和 N区（掺磷非晶硅）： 以 Kaneka方案为例，涉及下表工序 4-5-6-7-8-9-10-11，需要板式 PECVD、管式 PECVD或 APCVD、激光开槽设备、湿法设备等。 2）非晶硅薄膜沉积设备： 主要有板式 PECVD、 HWCVD和 LPCVD设备。 3） TCO： PVD或 RPD设备。图：晶硅电池工艺制程对比工艺 PERC TOPCon HJT TBC 经典 HBC1 清洗制绒 清洗制绒 清洗制绒 清洗制绒 清洗制绒2 磷扩散 硼扩散 本征氢化非晶硅（正面） 隧穿 +磷掺杂非晶硅 本征氢化非晶硅（正面）3 热氧 激光 SE 硼掺杂非晶硅（正面） 掩膜 减反射膜（正面）4 去 PSG 去 BSG 本征氢化非晶硅（背面） 激光开槽 本征氢化非晶硅（背面）5 碱抛 隧穿 +本征非晶硅 硼掺杂非晶硅（背面） 硼掺杂非晶硅 减反射膜（背面）6 退火 磷扩散 透明导电膜（背面） 刻蚀 掩膜7 AlOx钝化 去 PSG&去绕镀 透明导电膜（正面） SiOx钝化 激光开槽8 减反射膜（背面） AlOx钝化 丝网印刷 减反射膜（正面） 刻蚀9 减反射膜（正面） 减反射膜（正面） 银浆固化 减反射膜（背面） 本征氢化非晶硅（背面）10 丝网印刷 减反射膜（背面） 光注入 激光开槽（ PN隔离） 磷掺杂非晶硅（背面）11 烧结 丝网印刷 测试分选 丝网印刷 刻蚀12 测试分选 烧结 烧结 透明导电膜（背面）13 光注入 光注入 激光开槽（ PN隔离）14 测试分选 测试分选 丝网印刷15 银浆固化16 光注入17 测试分选13数据来源：光伏盒子公众号，摩尔光伏公众号， PV-Tech公众号 ， 爱旭股份对外投资公告，索比光伏网，天风证券研究所1.6 IBC国内产能梳理： HPBC有望成为新亮点表：国内电池片企业在 IBC电池领域布局 IBC： 中环股份、中来股份、国电投（黄河水电）等。 HPBC：隆基股份； 2022年 HPBC扩产有望超预期，利好激光设备企业：帝尔激光。 ABC： 爱旭股份。公司 IBC产能规划隆基股份2022年 1月 24日，隆基计划在泰州隆基电池厂内，在原年产 2GW单晶电池项目的基础上对生产线进行技术提升改造，改建成 8条 HPBC高效单晶电池产线，预计形成 年产 4GW电池片产线。投资总额为 20亿元，每 GW成本为 5亿元。爱旭股份2021年 4月 24日，爱旭股份发布 对外投资公告 ， 珠海年产 6.5GW新世代高效晶硅太阳能电池建设项目投资金额为 54亿元（含流动资金）； 义乌 年产 10GW新世代高效太阳能电池项目 第一阶段 2GW建设项目，投资金额为 17亿元（含流动资金）。国电投（黄河水电） 2019年黄河水电投产国内第一条 200MW n型 IBC电池产线，量产平均效率超 23%。中来股份 2018年从 n-PERT改造实现 IBC电池量产，拥有 150 MW的 n型 IBC产能，量产平均效率为 22.8%。中环股份 1）曾为 2.1GW IBC太阳能电池生产厂融资 2亿美元； 2） 2019年控股 MAXEON， 2021年 6月推出 MAXEN Air无边框组件，采用 IBC技术。钙钛矿电池：有望成为高效电池黑马214请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明15数据来源：索比光伏网，公众号：协鑫集成科技，天风证券研究所2.1 钙钛矿电池：有望成为高效电池黑马 钙钛矿电池： 命名取自俄罗斯矿物学家 Perovski的名字 ,结构为 ABX3以及与之类似的晶体统称为钙钛矿物质。钙钛矿型太阳能电池 ,即 perovskite solar cells,是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池 ,属于第三代太阳能电池。 钙钛矿太阳能电池，采用具有钙钛矿晶体结构的有机无机杂化的金属卤化物作为吸光层。钙钛矿指代一大类具有与此类矿物相同晶体结构的化合物，把结构与之类似的晶体统称为钙钛矿物质。其化学成分简写为 AMX3，其中 A通常代表有机分子， M代表金属（如铅或锡）， X代表卤素（如碘或氯）。 钙钛矿太阳能电池世界最高光电转换效率记录已达到 25.2，钙钛矿与晶硅叠层电池的效率已经达到 29.15%。 钙钛矿电池结构： 以反型平面钙钛矿电池为例 ,自下往上依次为：玻璃、透明电极（ FTO或 ITO）、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层、金属电极。图：钙钛矿电池示意图表： 2009-2020年钙钛矿电池实验室最高转换效率16数据 来源：公众号：德 沪涂膜设备，爱疆科技，天风证券研究所2.2 钙钛矿电池特点 钙钛矿电池优点：（ 1）高光电转换效率 ：光电转换效率飞速增长。（ 2）液相法制备：与传统的晶体生长或真空处理不同，可对钙钛矿太阳能电池板进行固溶处理，从而有望实现钙钛矿太阳能电池组件的超快印刷和较低的制造成本。（ 3）重量轻：钙钛矿太阳能电池重量轻且具有高的功率重量比。（ 4）柔性：钙钛矿太阳能电池组件可以很容易的做成柔性，并可在电子产品的创意设计中实现。结合解决打印技术，可以通过高速卷对卷工艺实现大规模生产。（ 5）彩色半透明：钙钛矿太阳能材料可以被化学改性为彩色和半透明的薄膜，使应用多样化。（ 6）室内性能优良：室内和弱光下的高效能量转换可以应用于携带电子设备的任何地方持续供电。 钙钛矿电池缺点：（ 1）不耐用：作为一种离子晶体材料，钙钛矿材料可谓是非常脆弱，不同材料与结构可能存在不耐高温、不耐光照、易水解、易氧化、易发生二次反应等缺陷。现阶段的钙钛矿电池寿命短，稳定性差，效率衰减过快，无法满足工业化生产的需要，一直是制约推广的最大障碍。（ 2）涂覆技术不成熟：钙钛矿层没法均匀涂抹在设备表面，对器件性能有明显负面影响，需要开发更好的喷涂工艺。（ 3）实际效率可能低：钙钛矿普遍使用 TCO（透明导电氧化物）薄膜收集电流，而此类材料的一些物理性质会造成光损失，且随着面积的增大愈发明显，这导致钙钛矿组件的效率会明显低于单体电池。（ 4）不环保：钙钛矿材料是铅卤钙钛矿，但铅是一种有毒重金属，对环境等危害。17数据来源：索比光伏网，天风证券研究所2.3 钙钛矿电池器件结构 钙钛矿太阳能电池大致可以分为 正置 (n-i-p)结构 和 倒置 (p-i-n)结构 两大类。 正置结构钙钛矿太阳能电池 PSCs源于 DSSCs，而 DSSCs结构是电极 /金属氧化物半导体 /染料 /电解质 /对电极，与此类似的常规 PSCs结构是正置结构。正置结构器件又可以分成 2种： 第一种： nip介孔 PSCs， 如下图 a，一般的结构形式为透明电极 (FTO 或 ITO 导电玻璃 ) / 致密层 / 介孔支架层(TiO2 、 ZnO 等金属氧化物 )/ 钙钛矿层 /空穴传输层 ( Spiro-MeOTAD、 PTAA或聚噻吩等 ) / 金属对电极 (Ag、Au 或石墨烯等 ) 。 其中最典型的结构为 FTO/c-TiO2/m-TiO2/ 钙钛矿材料 /Spiro-MeOTAD/Au。 第二种： nip平面异质结 PSCs，如下图 b， 不使用介孔支架层，直接在致密层上制备钙钛矿层，一般的结构形式为透明电极 /致密层 /钙钛矿层 /空穴传输层 /金属对电极。 这类电池光生载流子 (电子和空穴 )的激发、分离以及传 输都有钙钛矿层的参与。 倒置结构钙钛矿太阳能电池 pin型 PSCs， 是在 nip型 PSCs基础上衍生出来的结构相反的电池，先在透明电极沉积空穴传输层，制备钙钛矿光吸收层，电子传输层制备在钙钛矿层和金属对电极之间。避免介孔支架层的高温烧结过程，更适用于柔性电池器件的制备，典型的结构为 ITO/PEDOTPSS/MAPbI3/PCBM/Al 。图：钙钛矿电池器件结构18数据来源：索比光伏网，天风证券研究所2.4 钙钛矿电池效率进展 2015年 ， 牛津大学教授 Henry Snaith等多位专家合作论文中预测 ,未来如果将最好的硅组件和钙钛矿器件合理地整合在一起 ， 在不用大幅改动两者制造技术的情况下就可以获得超过 30%的效率。 钙钛矿 CIGS叠层结构最早由斯坦福大学在 2015年制备 ， 效率 18.6%。 2020年初 , 由美国国家可再生能源实验室 (NREL) 发布 , 德国海姆霍兹柏林材料所 (HZB) 研发出了效率为29.15%的钙钛矿 /硅两端 TSCs(1.06 cm2 )，打破之前由牛津光伏创造的 28%的记录 ， 使得光电转换效率超过 30%的可能性进一步提高。 2018年钙钛矿 /晶硅叠层电池取得了突破性进展 ， EPFL制备出了基于双面制绒硅底电池的叠层电池 ， 获得25.2%的转换效率。英国 Oxford PV公司基于同样的思路将钙钛矿 /晶硅叠层电池效率提高到 28%。如能进一步减少器件中载流子复合 ,提高开路电压；改善器件电学传输特性 ， 获得更高填充因子 ， 则这种叠层电池效率有望突破晶硅电池 29%的理论效率极限。 我国南开大学通过在迎光面引入倒金字塔陷光结构，并在钙钛矿电池中采用溶剂工程 ， 匹配顶 /底电池的光电流，使钙钛矿 /晶硅叠层电池效率达到 23.73%，创造我国该类电池最高效率。表： 2020年钙钛矿 /晶硅叠层电池效率进展序号 单位 电池结构 技术特点 效率 Eff(%) 数据来源1 德国海姆霍兹柏林材料所 钙钛矿 /晶硅 双面制绒硅底电池 29.15 NREL20202 英国牛津光伏公司等 钙钛矿 /晶硅 双面制绒硅底电池 28CPIA2019.33 美国卡来罗纳大学等 钙钛矿 /晶硅 晶粒调控降低开路电压损失提升短路电流 25.44 瑞士洛桑联邦理工学院等 钙钛矿 /晶硅 双面制绒硅底电池 25.25 中国南开大学 钙钛矿 /晶硅 倒金字塔陷光结构、 溶剂工程、匹配顶 /底电池电流 23.7319数据来源：索比光伏网，天风证券研究所2.5 钙钛矿电池制备方法 两步溶液旋涂法： 把 CH3NH3I和 PbI粉体分别溶于 DMF(或 DMSO)和异丙醇中。将 PbI2溶液旋涂在FTO/ETL基板上，退火干燥或等溶剂自然挥发得到 PbI2薄膜，再将 CH3NH3I溶液涂覆在 PbI2上，使两者反应 ;；经退火处理后得到钙钛矿薄膜。 电池结构及钙钛矿薄膜表面： 钙钛矿太阳能电池光伏特性的关键在于薄膜形貌，良好的薄膜制备工艺可以得到光滑无缺陷的表面，大尺寸的晶粒和少量的晶界。通过在 MAI溶液中加入少量极性溶剂 DMF有助于改善成膜质量，随着 MAI溶液浓度的增加 ,钙钛矿表面发白现象逐渐明显。 旋涂法： 可分为一步旋涂法和两步旋涂法。优点：操作简便，可通过调节转速控制薄膜厚度。但由于自身的缺陷 ， 旋涂法制备的薄膜会出现涂膜不均的问题。一步反溶剂诱导快速结晶沉积法通过旋涂钙钛矿前驱液并用氯苯进行反溶剂萃取，得到致密均匀的钙钛矿薄膜。采用乙醚 / 正己烷的混合反溶剂来增加钙钛矿晶粒的成核密度 ， 减缓晶体生长速度，得到光滑的钙钛矿薄膜。图：两步溶液旋涂法 图：电池结构及钙钛矿薄膜表面 图：旋涂法20数据来源：索比光伏网，天风证券研究所2.5 钙钛矿电池制备方法 软膜覆盖沉积法 (SCD)： 首先，将聚酰亚胺 (PI)膜平铺于基底上，从一侧注入 PbI2溶液，利用毛细力使 PbI2扩散到整个基底。然后将 PI膜剥离，用另一个 PI覆盖并浸入 CH3NH3I/异丙醇溶液中获得钙钛矿层。由于覆盖膜阻止溶剂蒸发到空气中，因此，钙钛矿前驱液在沸点下保持热稳定 ,从而易得无针孔、大晶粒且表面光滑的钙钛矿薄膜。目前的软膜覆盖沉积技术为沉积大面积、均匀的钙钛矿薄膜提供一种新的、非旋涂的方法 ,并适用于刚性和柔性的钙钛矿器件。 板压法： 与软膜覆盖沉积法有相似之处 ， 该方法无需溶剂与真空条件 ， 而是引入 CH3 NH2气体分别到 CH3NH3I和 PbI2中，得到 CH3NH3I3CH3NH2 和 PbI2CH3NH2 的混合前驱液。先将此前驱液滴加到 FTO/ETL上，然后覆盖聚酰亚胺 (PI)薄膜。利用挤压板施加压力 ,从而使前驱液均匀扩散。由于气体分子的相互作用较弱，加压过程会使 CHNH气体逸出。待气体完全挥发后，撕下 PI膜 ,即可得到致密且均匀的钙钛矿薄膜，其膜厚可通过改变压力的大小来调节。与旋涂法相比 ,板压法制备的钙钛矿薄膜晶粒尺寸更大 ( 800 1000nm) 、覆盖更均匀。图：软膜覆盖沉积法 ( SCD) 图：板压法21数据来源：索比光伏网，天风证券研究所2.5 钙钛矿电池制备方法 气固反应法： 主要包括物理气相沉积和化学气相沉积。传统的气固反应往往在高真空环境中进行 , 因而受环境湿度影响较小，因此实验重现性较好 ,但存在真空仓易受污染的问题。该方法 1）将 PbI2旋涂到 70 的 ITO/HTL上，退火 10 min； 2）将 CH3NH3I /乙醇均匀地喷涂在 80 的基底表面； 3）两个基底扣合在真空干燥器中，利用化学气相沉积形成钙钛矿薄膜。图：气固反应法图：柔性钙钛矿组件生产工艺 图：钙钛矿组件生产工艺22数据来源：索比光伏网，天风证券研究所2.6 钙钛矿电池研究突破点：缺陷钝化技术 有机无机杂化钙钛矿太阳能电池具有极低制造成本和高功率转换效率的特点，发展前景广阔。 薄膜缺陷长期制约钙钛矿太阳能电池光电转换效率和器件稳定性的发展。目前，针对钙钛矿薄膜缺陷的 钝化思路主要是在前驱液中添加钝化剂，调整钙钛矿结晶速度增强结晶度，及钝化晶界缺陷降低缺陷浓度和能级陷阶深度。现有钝化材料主要包括以下几种。 (1) 钙钛矿前驱体： 为钝化钙钛矿的晶界，研究者们提出非化学计量的方法，即在前驱液中配制过量 PbI.2 或MAI前驱体实现“自钝化”效应。 (2) 碱金属元素： 碱金属元素能有效钝化钙钛矿薄膜缺陷。 Lee等发现，无添加 Na + 的钙钛矿薄膜裸露面积大，呈针状形貌；而在 MAI. 和 PbI.2 的前驱体溶液中添加 Na +后， Na +将和 PbI.2 形成中间相，阻碍 PbI.2 结晶和抑制形成针状钙钛矿相，从而提高钙钛矿结晶均匀性和薄膜平整度。 因此，电池漏电流显著减小， Voc 由0.87剧增到 1.05 V；电荷传输能力增强和复合损失也有明显降低，实现 Jsc (17.13 19.33mA/cm2 ) 和FF(68.08% 74.69%)显著提高 。研究表明， K+也能起到提高薄膜平整度类似的效果 。 (3) 有机分子： 富勒烯是一类典型的钙钛矿钝化剂材料。研究表明， PCBM可钝化 Pb-I. 的反位缺陷，形成PCBM-卤化物自由基。根据密度泛函理论计算结果，当在 Pb-I. 反位缺陷附近引入 PCBM， PCBM与钙钛矿表面的基态波函数杂化巨 Pb-I. 反位缺陷引起的深陷阶态将变浅。 黄劲松课题组通过热退火的方法，促使 PCBM扩散到钙钛矿薄膜的晶界和表面的缺陷处，缺陷态密度降低了两个数量级，器件性能显著提高，并巨有效消除光电流滞后效应。 (4) 路易斯酸 /碱： 路易斯酸和路易斯碱分别指的是可接受和给予电子对的物质。在钙钛矿薄膜上存在欠配位的卤化物阴离子 (路易斯碱 )及 Pb 离子 (路易斯酸 ) 。 通过路易斯酸 -碱络合物钝化，可降低薄膜缺陷密度，提高电池效率及稳定性。 (5) 疏水基团材料： 鉴于钙钛矿薄膜表面分子具有最高的活性和扩散性，并巨更容易受到水分和氧气的侵蚀，引进疏水性材料也能较好钝化薄膜缺陷。23数据来源：索比光伏网，天风证券研究所2.7 钙钛矿电池商业化尝试 目前全球代表性研究小组、相关企业已逐渐进行钙钛矿电池商业化尝试。 国内黎元新能源科技有限公司、杭州纤纳光电科技有限公司、苏州协鑫纳米科技有限公司正进行钙钛矿电池相关尝试。表：钙钛矿相关企业企业名称 概况英国 Oxford PV公司全球少数几家尝试将钙钛矿电池技术产业化的公司 ,其钙钛矿 /HJT叠层结构达到 28%（ 1cm）的世界效率记录。公司与 Meyer Burger先后签订了两批独家战略合作协议 ,第一条 100MW HJT生产线订单已于 8月初交付 ,其钙钛矿 /HJT叠层电池量产效率达 27%。该公司计划于 2020年年底之前在德国 Brandeburg an der Havel建立一条 250MW的高效率的硅钙钛矿串联硅太阳能电池生产线 ,预计转换效率将达 30%。澳大利亚 Greatcell公司 2017年 7月 ,Greatcell宣布与晶科新能源、新加坡南洋科技大学签署钙钛矿太阳能电池研发合作协议。 2018年 12月 ,公司宣布破产。厦门惟华光能有限公司 目前有一条钙钛矿电池中试产线 ,并宣布其钙钛矿电池实验室最高转换效率已达到 20.3%,5cm 5cm组件转换效率达 10.3%,2016年被协鑫收购。黎元新能源科技有限公司 公司与上海交大韩礼元教授合作 ,开发了效率达 12.1%大面积（ 36.12%）钙钛矿太阳能电池 ,进军产业化领域。杭州纤纳光电科技有限公司 成立于 2015年 ,2017年 12月实现了大面积钙钛矿电池效率新突破。 2018年 10月总投资 54亿元的 5GW钙钛矿工厂开工建设 ,已建成 20MW中试线 ,效率为 15-16%。苏州协鑫纳米科技有限公司目前协鑫纳米已率先建成 10MW级别大面积钙钛矿组件中试生产线 ,制造的钙钛矿光伏组件尺寸为45cm*65cm,光电转化效率达到 15.3%。正在建设中的 100MW量产生产线 ,将把组件面积扩大至 1m*2m,组件光电转化效率将提高至 18%以上 ,计划于 2020年实现钙钛矿光伏组件的商业化生产。24请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明风险提示：1） 宏观环境与政策风险： 基建和地产投资大幅下滑等 ；2） 行业竞争风险：电池片行业竞争激烈；3）电池片技术路径变化风险： HJT、 TOPCon、 IBC等电池路线迭代较快等风险提示请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明股票投资评级 自报告日后的 6个月内，相对同期沪深 300指数的涨跌幅行业投资评级 自报告日后的 6个月内，相对同期沪深 300指数的涨跌幅买入 预期股价相对收益 20%以上增持 预期股价相对收益 10%-20%持有 预期股价相对收益 -10%-10%卖出 预期股价相对收益 -10%以下强于大市 预期行业指数涨幅 5%以上中性 预期行业指数涨幅 -5%-5%弱于大市 预期行业指数涨幅 -5%以下投资评级声明类别 说明 评级 体系分析师声明本报告署名分析师在此声明：我们具有中国证券业协会授予的证券投资咨询执业资格或相当的专业胜任能力，本报告所表述的所有观点均准确地反映了我们对标的证券和发行人的个人看法。我们所得报酬的任何部分不曾与，不与，也将不会与本报告中的具体投资建议或观点有直接或间接联系。一般声明除非另有规定，本报告中的所有材料版权均属天风证券股份有限公司（已获中国证监会许可的证券投资咨询业务资格）及其附属机构（以下统称“天风证券”）。未经天风证券事先书面授权，不得以任何方式修改、发送或者复制本报告及其所包含的材料、内容。所有本报告中使用的商标、服务标识及标记均为天风证券的商标、服务标识及标记。本报告是机密的，仅供我们的客户使用，天风证券不因收件人收到本报告而视其为天风证券的客户。本报告中的信息均来源于我们认为可靠的已公开资料，但天风证券对这些信息的准确性及完整性不作任何保证。本报告中的信息、意见等均仅供客户参考，不构成所述证券买卖的出价或征价邀请或要约。该等信息、意见并未考虑到获取本报告人员的具体投资目的、财务状况以及特定需求，在任何时候均不构成对任何人的个人推荐。客户应当对本报告中的信息和意见进行独立评估，并应同时考量各自的投资目的、财务状况和特定需求，必要时就法律、商业、财务、税收等方面咨询专家的意见。对依据或者使用本报告所造成的一切后果，天风证券及 /或其关联人员均不承担任何法律责任。本报告所载的意见、评估及预测仅为本报告出具日的观点和判断。该等意见、评估及预测无需通知即可随时更改。过往的表现亦不应作为日后表现的预示和担保。在不同时期，天风证券可能会发出与本报告所载意见、评估及预测不一致的研究报告。天风证券的销售人员、交易人员以及其他专业人士可能会依据不同假设和标准、采用不同的分析方法而口头或书面发表与本报告意见及建议不一致的市场评论和 /或交易观点。天风证券没有将此意见及建议向报告所有接收者进行更新的义务。天风证券的资产管理部门、自营部门以及其他投资业务部门可能独立做出与本报告中的意见或建议不一致的投资决策。特别声明在法律许可的情况下，天风证券可能会持有本报告中提及公司所发行的证券并进行交易，也可能为这些公司提供或争取提供投资银行、财务顾问和金融产品等各种金融服务。因此，投资者应当考虑到天风证券及 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