導 讀

鈣钛礦材料豐富，産業化前景廣闊。太陽能電池主要分爲晶硅電池和薄膜電池兩大類，這兩類電池起初在技術上相對獨立，在各自方向不斷發展叠代。

晶硅電池中，N 型和 P 型單晶硅電池是産業主流。在薄膜電池中，有砷化镓（GaAs）、碲化镉（CdTe）、銅铟镓硒（CIGS）、鈣钛礦這幾種常見的化合物電池。其中部分電池含有的稀有元素（如：镓）在地殼內含量極其稀少，導致了規模化、産業化困難，市場空間比較有限。相對來說，鈣钛礦所需的元素在地殼中含量豐富，這爲其規模化發展提供了必要條件。

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鈣钛礦及鈣钛礦電池的概念

鈣钛礦電池理論效率極限遠高于單結晶硅電池。普通單晶硅電池/晶體硅太陽能電池極限轉換效率分別爲 24.5%/29.4%。據晶科能源和通威股份數據顯示，目前量産的 TOPCon 和 HJT 電池效率可分別達到 25.6%以上和 26.49%，接近 TOPCon電池和 HJT 電池的理論效率極限（分別爲 28.7%和 27.5%）。而鈣钛礦單層電池極限轉換效率可達 33%，同時，鈣钛礦可以與其他光伏技術結合合成得到極限轉換效率更高的疊層電池，比如晶硅/鈣钛礦疊層電池和鈣钛礦/鈣钛礦疊層電池極限分別可達 43%和 45%。

鈣钛礦電池工藝方面的優勢主要在：

1）産業鏈流程較晶硅組件縮短；

2）純度要求和能耗低。

原料成本低，有望未來實現理論成本 1 元/W：鈣钛礦電池原材料爲基礎化工材料，原料常見、不含貴金屬且儲量豐富價格低廉。

鈣钛礦電池規模的擴大仍存在三大挑戰：

1）大面積制備電池效率下降

2）鈣钛礦電池的穩定性不足

3）鈣钛礦電池成本仍然較高

據極電光能表示，在中試線階段，産能拉滿的情況下，鈣钛礦成本可以達到 1.5 元/W,在 GW級量産初期，成本可以持續降至 0.9 元/W 左右。

我國持續出台鈣钛礦相關政策，推動鈣钛礦電池産業化發展：

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鈣钛礦的工藝

2.1 鈣钛礦電池結構主要采用平面結構

鈣钛礦電池可分爲介孔結構（mesoscopic）和平面結構（planer）兩種，平面結構的應用更加廣泛。

2.2 鈣钛礦電池的制備

鈣钛礦電池制備通常由九步組成，鍍膜、刻蝕、封裝三大工藝是核心。制備流程通常分爲九步，首先制備並處理玻璃基底，進行刻蝕，再依次制備電子傳輸層、鈣钛礦層、空穴傳輸層，對這三層進行刻蝕後，蒸鍍金屬背電極，進行刻蝕將電池分開，最後封裝。其中最重要的部分是鈣钛礦層制備，産業中正在積極解決其大面積制備效率低和不穩定的問題。

2.3 鍍膜工藝

鈣钛礦電池需要鍍膜工藝的共有五個部分：導電玻璃、電子傳輸層、鈣钛礦層、空穴傳輸層和金屬背電極。

TCO 導電玻璃可用于制備玻璃基底，是鈣钛礦電池電極的關鍵部件。TCO 玻璃可分爲 FTO、ITO、AZO 三類，其中 FTO 靶材是在氧化錫中摻雜了氟離子，ITO 靶材是摻雜了铟離子，AZO 靶材是在氧化鋅中摻雜鋁離子。

電子傳輸層制備方法多樣。電子傳輸層在鈣钛礦太陽能電池中起著傳輸電子、阻擋空穴的作用，是鈣钛礦電池不可缺少的一環。

鈣钛礦光活性層制備是鈣钛礦電池制作的核心環節之一，對組件最終的轉化效率起決定性作用。鈣钛礦光活性層的制備工藝較多，一般可分爲溶液制備法（濕法）和氣相沉積法（幹法），濕法包括狹縫塗布法、刮刀塗布法、旋塗法等，幹法主要是真空鍍膜法。考慮到大面積制備和穩定性問題，目前實際投産使用較多的是狹縫塗布法。

2.4 刻蝕工藝

以激光刻蝕爲主的刻蝕工藝貫穿鈣钛礦電池制備全流程。鈣钛礦電池各層結構均含金屬氧化物薄膜，需要進行激光刻蝕或化學刻蝕，對金屬氧化物薄膜進行刻劃，去除部分金屬氧化物薄膜（即形成刻蝕槽），從而將鈣钛礦電池劃分成多個長條狀的電池組，使整個鈣钛礦面板形成一道道子電池，並串聯成組件，提高導電效率，避免因鈣钛礦電池面積大導致效率下降。相較化學刻蝕法，激光刻蝕，具有精度高、死區小的優勢，是光伏領域主要的刻蝕方法。

2.5 封裝工藝

封裝對維持鈣钛礦電池穩定性起重要作用。鈣钛礦電池各膜層制備好後，使用激光清邊並使用設備測試其效率和功能，最後進行封裝。鈣钛礦電池各功能層材料對空氣中的水氧、紫外光、壓力等敏感，會發生材料改性分解、功能喪失的情況。而封裝技術能夠有效將工作元件與外界環境隔離，提高鈣钛礦電池使用壽命。

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疊層電池

制備疊層電池是太陽能電池光電轉換效率提升的重要突破口。疊層電池由多個帶隙不同的子電池堆疊而成，寬帶隙頂電池與窄帶隙底電池分別吸收短波長與長波長的太陽光，能有效擴寬太陽能光譜利用範圍，提高太陽能電池光電轉換效率。

鈣钛礦疊層電池理論效率優勢明顯，雙結疊層是産業主要發展方向。2023 年底隆基綠能的背接觸晶硅異質結電池創造了最高晶硅電池轉換效率 27.09%，趨近理論極限 29.4%，晶硅電池發展空間受限明顯。而鈣钛礦/晶硅電池最高理論效率達到 43%，雙結鈣钛礦疊層電池最高理論效率達到 45%，且吸光層的增加能夠導致更高的理論效率。但考慮實際生産經濟性，雙結疊層是主要發展方向，可分爲四端、兩端結構。

3.1 鈣钛礦-HJT 疊層更具優勢

鈣钛礦與晶硅具備良好疊層電池匹配度，可形成高效率疊層電池。晶硅具有1.1eV 的窄帶隙，容易吸收長波長光子，但吸收短波長光子時産生較大能量損失，成爲晶硅電池效率提升的重要瓶頸。目前鈣钛礦/晶硅疊層電池效率已達 33.9%（2023 年 11月隆基綠能）。

當前鈣钛礦/晶硅疊層電池技術研發主線中鈣钛礦/HJT 疊層電池更具優勢。結構方面，HJT 電池表面本身爲 TCO 玻璃，能夠有效簡化疊層工藝，無需對電池産線進行更改；TOPCon 電池表面氮化硅與氧化鋁爲絕緣體，需對表面物質進行清除，或加入摻雜與鈍化工藝，使工藝複雜化。同時 HJT 電池制備工序更爲簡單，能夠縮短出貨周期，具有長期成本優勢。

高效鈣钛礦/晶硅疊層電池制備受底電池受光側表面形貌影響。按晶硅底電池受光面的結構，鈣钛礦/晶硅疊層電池制備路線可分爲兩類：（1）在平面晶硅襯底采用溶液法制備鈣钛礦，並利用光學工程解決平面界面光反射損失；（2）保留晶硅表面絨面結構與陷光效果，開發保型沉積鈣钛礦層電池新方法，目前已開發出熱蒸發結合兩部沉積法、氣相沉積法和刮塗法等多種方法來實現陷光絨面上生長鈣钛礦膜層。

3.2 全鈣钛礦疊層電池

全鈣钛礦疊層電池能夠最大限度發揮鈣钛礦材料自身優勢。鈣钛礦帶隙可調特性使其不僅能作爲寬帶隙吸光層，而且能夠調整作爲窄帶隙吸光層，二者結合成爲全鈣钛礦疊層電池。對比鈣钛礦/晶硅疊層電池，全鈣钛礦電池能夠擺脫晶硅成本與性能束縛，充分發揮鈣钛礦材料自身成本低廉、吸光性強、低溫加工等優勢，成爲未來疊層電池的重要發展方向。

全鈣钛礦疊層電池理論效率最高，有望成爲太陽能電池未來産業發展終極路徑。全鈣钛礦疊層子電池帶隙靈活調節能夠更大範圍覆蓋太陽光譜，電池理論效率超過 43%。

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鈣钛礦電池設備構成

鈣钛礦電池制備設備主要由鍍膜設備、塗布設備、激光設備、封裝設備構成。

鍍膜設備主要包括 PVD（Physical Vapor Deposition，物理氣相沉積）設備、ALD（Atomic Layer Deposition，原子層沉積）設備，其中 PVD 設備采用的技術又可細分爲真空蒸鍍、濺鍍、RPD（等離子體沉積）設備。協鑫光電公布的100MW 大面積鈣钛礦光伏組件生産線主要包括 2 台塗布機，3 台鍍膜設備（2 台傳統 PVD 設備和 1 台 RPD 設備）以及 4 台激光機。

鈣钛礦電池制備尚未形成統一技術路徑。TCO 玻璃制備主要使用磁控濺射 PVD 在浮法玻璃上鍍膜。電子傳輸層、鈣钛礦層和空穴傳輸層的技術路線較爲相似，主要使用鍍膜設備或塗布設備，電極層則主要使用 PVD 設備蒸鍍形成金屬背電極。不同技術路線之間使用 PVD 設備和塗布設備的數量和比例不同，但總體看，鍍膜、塗布、激光、封裝設備的價值量占比分別約爲 50%、20%、20%、10%。

空穴傳輸層、電子傳輸層制備以鍍膜設備爲主。其中 PVD 設備應用廣泛，蒸鍍設備成膜效率高但高昂成本限制其大規模發展，濺鍍設備工藝成熟、性價比高。RPD 設備的優勢在于可以減少對鈣钛礦電池的轟擊損害，但價格昂貴且目前僅有捷佳偉創爲唯一 RPD 授權設備商。相較于 PVD 設備，ALD 設備制備出的膜層更爲綿密。目前國內鍍膜設備供應商主要有京山輕機、捷佳偉創、奧來德、弗斯邁、微導納米等。

鈣钛礦層制備主要采用塗布設備。鈣钛礦層制備多采用狹縫塗布機。目前，上海德滬塗膜市占率達到 70%，此外弗斯邁、大正微納、協鑫光電、萬度光能等均有塗布設備布局。

激光設備以國産爲主。德龍激光、大族激光、傑普特、邁爲股份、微導納米等國産鈣钛礦設備廠商競爭實力雄厚，部分設備已進入驗收、出貨、交付階段。

目前國內主要激光設備供應商如下。

封裝設備可以與晶硅行業共用，多采用 POE 膠膜。鈣钛礦封裝工藝與晶硅相似度較高，但由于鈣钛礦材料比較敏感，一般采用 POE 膠膜進行封裝而不能采用晶硅電池所使用的 EVA 膠膜，避免因 EVA 膠膜的水汽透過率較高以及降解分解會産生醋酸對鈣钛礦材料造成腐蝕。

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