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我国钙钛矿电池行业现状:多项技术保持世界前列 主要应用场景为光伏领域

一、行业基本概述

钙钛矿是一种分子通式为 ABX3 的晶体材料,呈八面体形状,结构特性优异。钙钛矿晶体的制备工艺简单,光电转换效率高,在光伏、LED 等领域应用广泛。

钙钛矿是一种具有很强光-电转换效率的材料结构,应用广泛关注度高。钙钛矿(分子通式为 ABX3 的一类晶体材料),最早是 1839 年德国科学家 GustavRose 发现了元素组成为 CaTiO3 矿物,后来人们将具有这种晶体结构的物质统称为钙钛矿。在钙钛矿八面体结构中,A 是较大的阳离子,B 是较小的阳离子,X 是阴离子,每个 A 离子被 B 和 X 离子一起构成的八面体所包围。

钙钛矿材料由于其光吸收系数高、载流子迁移率大、合成方法简单等优点,被认为是下一代最具前景的光电材料之一。

钙钛矿太阳能电池(PSCs)是利用钙钛矿结构材料作为吸光材料的太阳能电池,属于第三代太阳能电池。PSCs 按照结构可分为介孔型和平面型。在介孔结构的钙钛矿电池中,钙钛矿材料作为光敏化剂覆盖在多孔 TiO2 上,采用正置异质结结构;在平面结构的钙钛矿电池中,钙钛矿既是光吸收层,又是电子和空穴传输层,较介孔型结构不需要多孔金属氧化物股价,从而简化制备工艺。平面型钙钛矿太阳能电池分为正置和倒置。

二、行业创新情况

根据观研报告网发布的《中国钙钛矿电池行业发展现状研究与投资趋势调研报告(2022-2029年)》显示,随着科学技术的飞速前进,钙钛矿电池技术也得到了较快发展,电池器件的能量转换效率一次次地刷新着最高纪录。2009年,日本科学家Tsutomu Miyasaka首次用钙钛矿光伏电池发电,当时的电能转换效率仅有3.8%;十年之后,2019年,钙钛矿电池电能转换效率便飙升至25%;2021年11月,柏林亥姆霍兹中心(HZB)研发的钙钛矿串联电池转换效率高达29.8%,创造了至今为止钙钛矿电池最高纪录,而且这一记录已经超过目前效率最高的异质结、TOPCon等晶硅技术的效率极限。

随着科学技术的飞速前进,钙钛矿电池技术也得到了较快发展,电池器件的能量转换效率一次次地刷新着最高纪录。2009年,日本科学家Tsutomu Miyasaka首次用钙钛矿光伏电池发电,当时的电能转换效率仅有3.8%;十年之后,2019年,钙钛矿电池电能转换效率便飙升至25%;2021年11月,柏林亥姆霍兹中心(HZB)研发的钙钛矿串联电池转换效率高达29.8%,创造了至今为止钙钛矿电池最高纪录,而且这一记录已经超过目前效率最高的异质结、TOPCon等晶硅技术的效率极限。

资料来源:观研天下数据中心整理

国内方面,我国钙钛矿电池技术与国际先进水平基本持平,且多项技术保持世界前列。

团队/商业公司

成就

华中科技大学武汉光电国家实验室韩宏伟教授团队

2014年在美国《科学》杂志发表基于全印刷技术的介观钙钛矿太阳能光伏技术,实现了印刷介观太阳能电池及光电器件关键技术的突破;2015年研制出6平米全印刷介观钙钛矿太阳能光伏模组,应用前景良好;同时,依托鄂州万度光能有限责任公司进行全产业链布局一体化推进,旨在实现廉价光伏发电产业化。

武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室印刷光电子实验室程一兵教授团队

实现了10厘米*10厘米钙钛矿光伏认证效率16.5%7厘米*7厘米转换效率达17.9%的钙钛矿光伏组件等杰出成果。

上海交通大学材料科学与工程学院韩礼元教授团队

2017年实现了有效面积36.1平方厘米、认证效率12.1%的大面积钙钛矿模块的效率世界纪录;团队依托上海黎元新能源科技有限公司开展技术转化以及光伏组件的产业化研发。

中科院半导体所游经碧研究员团队

2018年末刷新了钙钛矿光伏电池的转换效率纪录,经美国可再生能源实验室权威认证,转换效率突破23.7%

中科院化学研究所绿色印刷实验室宋延林教授团队

开展了柔性钙钛矿太阳能光伏研究,通过纳米组装-印刷方式制备出“蜂巢状纳米支架”,实现了柔性钙钛矿太阳能光伏更高的力学稳定,有望为柔性可穿戴电子设备提供可靠电源,当前1平方厘米的柔性钙钛矿太阳能光伏的光电转换效率达到12.32%

苏州协鑫纳米公司

生产的面积1300平方厘米钙钛矿太阳能光伏效率达13.48%,创造截至20199月世界最大面积钙钛矿光伏组件之最、大面积钙钛矿组件效率之最,目前正在建设100MW级钙钛矿电池生产线。

杭州纤纳光电科技有限公司

20172月,纤纳光电以15.2%的转换效率,首次打破此前长期由日本保持的钙钛矿小组件的世界效率纪录。此后,分别在同年5月和12月,以16%17.4%的转换效率实现了一年三破世界纪录的佳绩。20187月,其钙钛矿小组件效率再创新高,在19277cm2的组件上将光电转换效率提升至179%,稳态功率输出效率达到173%,又一次刷新了此前由该公司自己保持的世界纪录。

20198月,量产钙钛矿薄膜光伏模组(200-800平方厘米)认证效率超过11.98%,标志着商业化大组件的成功下线,目前正在建设20MW钙钛矿太阳能光伏生产线。万度光能依托华中科技大学韩宏伟团队技术研发基础,已建立110平方米可印刷钙钛矿太阳能光伏示范系统。

无锡极电光能科技有限公司

202142日,公司对外宣布在大面积钙钛矿组件效率上取得了突破性进展,经全球权威测试机构JET(日本电气安全环境研究所)严格检测,在63.98cm²的钙钛矿光伏组件上实现20.5%的光电转换效率。该效率是目前全球范围内大面积钙钛矿组件效率的最高纪录,已经与当前主流晶硅产品效率相当。

资料来源:观研天下数据中心整理

三、行业生产情况

目前晶硅电池占比约 95%,拥有成熟的硅料、硅片、电池片、组件产业链。但是,晶硅电池的光电转换效率理论上限在 30%左右,要突破该制约,钙钛矿电池成为重要的探索方向,也因此吸引了包括腾讯、宁德、碧桂园、长城等跨行业巨头纷纷入局。柔性钙钛矿电池应用场景丰富,适用于 BIPV、BAPV、柔性可穿戴电子设备、汽车等,这也是吸引跨界巨头的原因之一。总结来说,对于跨行业巨头的入局,可能的原因包括:①提前部署下一代电池技术,抢占先发优势;②与现有业务的协同性。

入局钙钛矿电池企业产业化进展梳理

企业

产业化进展

协鑫光电

2019年,率先建成10MW级别大面积钙钛矿组件中试生产线,组件尺寸为45cm×65cm,光电转化效率达15.3%。2022年,尺寸为1m×2m的全球最大尺寸钙钛矿组件已经下线,投建的全球首条100MW量产线已在昆山完成厂房和主要硬件建设,计划2022年投入量产,预计工艺和产能稳定后,量产组件产品光电转化效率超过18%。

纤纳光电

100MW的钙钛矿产线即将建成并实现规模化量产。2022年全球首个钙钛矿集中式光伏电站一期开工,装机容量12兆瓦。2022年5月20日,钙钛矿α组件全球首发,打响产业化落地第一枪。

万度光能

2021年投建可印刷介观钙钛矿太阳能电池生产基地项目,拟分两期建设,第一期建设一条200MW级可印刷介观钙钛矿太阳能电池大试线落地,成功后扩充至10GW产能,满足光伏市场对廉价太阳能电池的需求。项目建成投产后可年生产10GW以上太阳能电池。

仁烁光能

2021年底成立,主营业务为新型钙钛矿太阳能电池。2021年八月底苏州6000平方米的10MW钙钛矿叠层中试线投入使用,目标尺寸为300*400mm,效率达22%以上,预计2022年下半年落地1.5万平方米厂房,启动150MW钙钛矿光伏组件量产线建设,目标尺寸1.2*0.6m,效率达20%以上。

中国华能

2020年,开启产业化进程,建设大面积模组中试实验线。2021年3月9日华能清能院世界最大单体钙钛矿电池组件下线,2021年l2月完成首批示范钙钛矿组件示范应用。

宁德时代

宁德时代董事长曾毓群于2022年5月5日在业绩说明会上称,公司钙钛矿光伏电池研究进展顺利,正在搭建中试线。

极电光能

150MW试制线项目钙钛矿产品尺寸为1.2m>0.6m,设计效率不低于18%,预计2022年中建成投产。

深圳无限光能

2022年6月宣布完成数千万元天使轮融资,由碧桂园创投参投,本轮融资将主要用于大尺寸钙钛矿太阳能电池组件试验线的建设、扩充研发及量产技术团队。预计在2022年三季度完成试验线建设,年内实现大尺寸组件批量下线,目标效率大于20%。下一步将启动10MW级中试线建设,为实现2024年建成100MW级量产线奠定坚实基础。

东方日升

2022年定增募投项目“全球高效光伏研发中心项目",拟建设钙钛矿及叠层电池试验线,建设周期为2年。

曜能科技

2019年,在北京建成高标准研发中心并投入使用,加速推进产业化进程。

锦能新能源

2021年11月在常德规划建设薄膜光伏全产业链项目,主要建设钙钛矿铜锢嫁硒叠层电池研究院、生产线、光伏电站及配套设施,项目全部建成投产达产后,量产转换效率22%以上。

黎元新能源

公司已有钙钛矿电池设备、钙钛矿电池材料、钙钛矿电池模块等产品。

数据来源:观研天下数据中心整理

四、市场需求情况

钙钛矿电池当前主要应用场景是在光伏领域,我国光伏产业的持续发展,以及技术升级带来行业驱动力,使得钙钛矿电池得以持续推动。2021年,我国新增光伏装机量约55GW,保持持续增长。

钙钛矿电池当前主要应用场景是在光伏领域,我国光伏产业的持续发展,以及技术升级带来行业驱动力,使得钙钛矿电池得以持续推动。2021年,我国新增光伏装机量约55GW,保持持续增长。

资料来源:国家能源局,观研天下数据中心整理

钙钛矿电池的优势主要包括高光吸收系数、超长载流子扩散长度、低激子结合能、高缺陷容忍度、带隙可调、制备工艺多样。

钙钛矿材料由于是直接带隙材料,吸光性能远远优于晶硅材料。正因为如此,晶硅电池理论光电转换效率为 29.3%;单结钙钛矿电池理论光电转换效率为 33%;多结钙钛矿电池理论光电转换效率可以达到 47%。提高光电转换效率的核心为改善能带结构。

按单位产能投资来看,1GW 晶硅电池,以目前最主流的 PERC 电池为例,硅料、硅片、电池片、组件环节单 GW 投资额分别为 3.45 亿元、4 亿元、1.5 亿元、0.65 亿元,合计为 9.6 亿元。相比较而言,钙钛矿1GW 投资额,从化工原料到组件环节,合计约 5 亿元左右。另外,从组件厚度来看,晶硅电池组件的厚度通常为 100 多微米,钙钛矿电池组件厚度约为 0.3 微米。制备成本方面,相较于晶硅电池,钙钛矿电池组件成本构成中,钙钛矿材料占比约 5%,总成本约 0.5~0.6 元,仅为晶硅电池极限成本的 50%左右。(WWTQ)

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