钙钛矿发展趋势探究
当前，光伏产业正处在技术替代周期中，N型电池对于P型电池的替代全面启动。但是，随着晶硅电池的转换效率接近极限，材料已经成为限制光伏产业进一步提质增效的核心因素。作为极具发展潜力的光伏技术路线，钙钛矿是否能够引领光伏产业下一轮技术变革？
一、钙钛矿电池优势明显，但缺点同样突出
光伏领域中的钙钛矿是指一类与钙钛矿（CaTiO3）具有类似晶体结构的化合物，即具有正八面体结构的ABX3化合物，而并非狭义的以钙和钛为原料制作的材料。早期的钙钛矿主要采用碘化铅甲胺（CH3NH3PbI3），较为先进的钙钛矿材料为甲胺铅碘（MAPbI3）、甲脒铅碘（FAPbI3）等。当前钙钛矿电池多数为柔性器件，属于薄膜光伏电池的一种。钙钛矿电池制备工艺非常多样，但均未实现规模化，尚未出现主导制备路线。除太阳能电池外，钙钛矿材料在光电传感器、发光二极管（LED）等领域也有可观的发展潜力，但相关研究多处在非常早期的阶段，距离落地应用还有较大差距。
钙钛矿电池的优点主要体现在效率高、成本低、应用灵活等方面。
转换效率远超晶硅电池。带隙是影响光电转换效率的主要因素，光伏材料的最理想带隙为1.34 eV，然而在已知的天然材料中，不存在这一完美带隙。晶硅材料的带隙为1.12eV，理论转换极限约为32%左右，实际量产中则很难超过30%。钙钛矿是人工合成材料，可以通过调整配方来将带隙推向理想值，其实验室转换效率可达45%以上，远超晶硅电池。
生产成本远低于晶硅电池。制作钙钛矿电池的原材料储量丰富，价格低廉，且对纯度的要求低于晶硅电池。同时钙钛矿电池的光吸收能力强，单块电池的材料用量较低。此外，生产钙钛矿电池不需要超高的加工温度，生产能耗低于晶硅电池。综上，钙钛矿电池在生产环节的成本较晶硅电池有较大优势。在投资端，钙钛矿电池同样优势明显。钙钛矿制备简单，工艺流程比较短，能够在单个工厂内实现全流程生产；而晶硅电池的生产工艺流程较为复杂，需要多个环节的工厂协同完成。钙钛矿电池产线相对晶硅电池产线的预期投资降本空间在50%以上。
应用场景灵活多样。钙钛矿电池属于薄膜光伏电池，其外观形态的可塑性强，整体质量较低，同时还具有更好的弱光性能，使其部署场景非常多样化。例如BIPV、弱光场景、汽车、可穿戴设备等，都可以引入钙钛矿电池，相比之下晶硅电池的应用场景则相对有限。
钙钛矿电池具有诸多优点，但其缺点同样明显，耐用性差、制造难度大、环保性差等严重制约了大规模应用。
耐用性难以达到商业化要求。现阶段的钙钛矿电池稳定性差、寿命短，衰减过快。钙钛矿是一种离子晶体材料，本身具有脆弱性，尽管随着技术的进步，近年来钙钛矿电池的效率衰减有所好转，但是仍较晶硅电池有较大差距，若使用钙钛矿电池建设光伏电站，需要频繁对发电设备进行维护，成本上不具备可行性。此外，当下主流钙钛矿对金属具有一定的腐蚀性，而金属是光伏组件的必要组成部分，钙钛矿组件还需要克服腐蚀带来的不良影响。
大尺寸电池制造难度大。钙钛矿材料制备简单，但仅限于小尺寸设备，目前大尺寸设备的制造和批量生产仍存在较大难度。钙钛矿电池中所采用的导电薄膜会造成光损失，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。同时，钙钛矿电池的涂覆技术不成熟，大面积喷涂下无法保障钙钛矿层的均匀，会对电池性能产生明显的负面影响。
材料环保性差。铅在钙钛矿材料中被广泛使用，但铅本身属于有毒重金属，对于环境和人体均具有危害。使用环保配方替代铅卤钙钛矿是重要研究方向，当前锡基材料进展相对较快，但其转换效率相对较低，还需要进一步的研究改进。
二、晶硅电池仍是主流，钙钛矿市场份额较低
围绕降本增效这一核心逻辑，光伏产业在发展过程中始终伴随着技术迭代，新技术不断取代原有技术，行业具有典型的技术周期性特征。从P型电池取代BSF电池，到单晶电池取代多晶电池，光伏电池的转换效率不断提高，度电成本持续下降。当前光伏产业正值新一轮技术迭代周期，N型电池将成为下一代主流光伏技术，引领光伏产业在平价上网的基础上进一步提升经济性。
据不完全统计，2023年一季度一线光伏品牌的组件出货量合计超过170吉瓦，其中N型组件占比约为21%，较2022年全年数据（7%）已有明显提升。晶科能源的N型电池出货占比达到46%，大幅领先于其他企业。时至今日，P型电池仍然是光伏市场的主流，但N型电池的替代过程已经全面启动，根据中国光伏中国光伏行业协会的预测，随着新建产能的陆续释放，2023年全年N型组件的出货量占比最高可达到25%左右。
相较于晶硅光伏组件，薄膜光伏组件的出货量占比极低，2022年薄膜组件的出货量为1.3吉瓦，仅占光伏组件总出货量的0.4%。在1.3吉瓦的薄膜组件中，又以铜铟稼硒（CIGS）、锑化镉（CdTe）和砷化镓（GaAs）等材料为主，相比之下钙钛矿组件的出货量少之又少。
图1：中国光伏电池产量情况
单位：万千瓦、%
我国的光伏应用场景中，以集中式光伏电站和分布式场景为主，在选择材料时，二者均以经济性为核心考量因素，因此在度电成本上具备显著优势的晶硅光伏电池仍为主流，在短期内其市场地位难以撼动。薄膜光伏组件目前主要应用于光伏玻璃、光伏幕墙、可穿戴设备等小规模场景，整体应用范围较小，其中钙钛矿的应用则更加受限。
三、钙钛矿暂不具备独立运行条件，与晶硅电池叠层应用或是发展方向
受制于耐用性差等缺陷，现阶段钙钛矿电池无法实现大规模的商业化应用。但目前晶硅材料的转换效率已接近理论极限，难有进步的空间，光伏产业想要实现转换效率的进一步跃迁，仍需要在材料上做文章，长期来看，钙钛矿电池有望成为晶硅电池的替代品。此外，钙钛矿电池与晶硅电池的叠层应用模式，也拥有较大的发展空间。目前核心企业已经开始布局钙钛矿产线，根据各企业的规划，到2024年国内钙钛矿产能将突破1吉瓦，2025年后有望达到20吉瓦以上。
图2：协鑫光电钙钛矿产能规划
钙钛矿电池与晶硅电池叠层应用，即在晶硅电池表面喷涂一层钙钛矿电池，其中由于发电原理的限制，晶硅电池只能选用N型电池。该种叠层电池的原理简单，且综合了晶硅电池和钙钛矿电池的优势，利用钙钛矿电池配方的可调节性，吸收光谱中无法被晶硅电池利用的部分，实现转换效率的最大化。此外，叠层电池中钙钛矿电池能将更多精力用于解决其缺陷，对于产品的研发和生产更加友好。目前钙钛矿与HJT的叠层应用已有部分实验室基础，与TopCon的叠层应用也已在实验室环境内实现，若钙钛矿电池能够尽快弥补自身技术缺陷，叠层电池的应用模式有望成为N型电池后的主流。
长期来看，若钙钛矿电池能够克服自身缺陷，将在特定的应用场景上成为最佳选择，例如可穿戴设备等领域，叠层电池无法满足其对于重量要求，钙钛矿电池将具有较好的差异性应用空间。但考虑到目前钙钛矿电池的技术进展，脱离晶硅电池单独应用还需要较长时间才有望实现。
四、行业投资需保持谨慎，核心辅材确定性较高
钙钛矿产业方兴未艾，目前尚未有确定的技术路线，市场格局也尚未形成。目前行业内的参与企业主要包括三类：中小型初创企业、传统光伏龙头企业以及跨界企业，由于生产工艺路线未定型，上游研发环节的投资风险相对较高，反观POE胶膜和TOC玻璃环节，则具有较高的确定性，应重视其成长机会。
POE的阻隔性、抗PID能力是其他胶膜材料所不具备的，除应用在钙钛矿领域外，也是N型电池、新能源汽车、电缆等高成长性领域的重要材料。目前国内POE产能相对有限，其中原材料和催化剂被国外垄断，拥有核心技术的POE企业较为稀缺。
TOC玻璃是钙钛矿电池的重要辅材，TOC玻璃产能受到严格控制，且产线需要进行定制化设计，行业进入壁垒较高。若钙钛矿实现量产，预计TOC玻璃的边际需求增长最为明显。此外与POE类似的是，TOC玻璃也是N型光伏电池的主要辅材，终端需求具有较强的确定性。
图3：钙钛矿组件成本构成
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建银工程咨询有限责任公司
杨名宇