钙钛矿电池行业报告：效率极限探索下，叠层电池振翅欲飞

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1. 叠层电池提效空间广阔，路线选择取决于工艺与成本

1.1. 叠层电池结构拓宽理论转化效率至 46%，钙钛矿搭配灵活多样

叠层电池技术有望提升太阳能电池理论效率至46%。由于太阳光光谱的能量分布较宽，现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中能量比其禁带宽度值高的光子。太阳光中能量较小的光子将透过电池被背电极金属吸收，转变成热能；而高能光子超出禁带宽度的多余能量，则通过光生载流子的能量热释作用传给电池材料本身的点阵原子，使材料本身发热。
这些能量都不能通过光生载流子传给负载，变成有效电能，限制了单结太阳能电池的转换效率极限。针对此类问题，钙钛矿叠层电池开辟了新的思路：钙钛矿的光电转化性能优异且带隙连续可调，可通过控制 A、B、X 实现带隙与能级分布的连续调整。因此，钙钛矿可以搭配其他半导体材料，按禁带宽度从小到大、光谱波段由长到短从底向顶叠合，让波长最短的光被最外侧的宽隙材料电池利用，波长较长的光能够透射进去让较窄禁带宽度材料电池利用，从而减小单结电池中载流子热驰豫导致的能量损失，拓宽太阳能光谱的利用范围，实现光子全方位吸收。叠层电池效率可突破 Shockley-Queisser (SQ)极限，理论最高极限可拓宽至 46%以上。

1.2. 叠层提效优势显著，路线选择取决于量产成本

叠层电池可由钙钛矿电池与钙钛矿/晶硅/铜铟镓硒薄膜电池组成。叠层电池顶层常用高禁带宽半透明电池吸收较高能量的光子，该层一般由钙钛矿电池组成。下层则通过低禁带宽电池吸收较低能量光子，多为窄带隙钙钛矿电池、晶硅电池、碲化镉/铜铟镓硒薄膜电池。叠层电池可以通过宽带隙的钙钛矿吸收波长较短的光，窄带隙的底电池吸收波长较长的光，以提高对太阳能光谱的吸收范围，大幅增加光电转换效率。此外，由于叠层电池多采用直接复合结构，辅材、配件等成本得以节省，具备低降本潜力。

叠层主要分为 2T和 4T，路线选择取决于量产成本。按照子电池电极之间的连线形式，叠层电池可分为两端式（2T）和四端式（4T）。1）2T 叠层电池指在底层电池上直接沉积钙钛矿电池，通过互联层或隧穿结将两个子电池串联连接，只需要一个顶端透明电极（不包括背电极），最小化电极光学损失，大幅降低封装耗材用量，工艺流程简洁，远期最具降本空间。但该类电池制备难度较高，中间复合层和上端顶电极的制备不能损坏底电极，效率受到电流较小电池的限制，且良率要求更高。目前仁烁光能、隆基绿能等企业采用此种方法。2）4T 叠层电池：放宽了两子电池的匹配条件，使制备更加容易，且每个子电池独立输出，不会相互受制，效率是两子电池之和。但这种结构需要 3 个透明电极（不包括背电极）、更多的辅材与结构件。目前合特光电、隆基绿能等企业有相关布局。

2. 全钙钛矿叠层降本潜力最大，钙钛矿-晶硅叠层性价比显著

叠层电池方案多样，按照底电池可分为钙钛矿-钙钛矿叠层、钙钛矿-晶硅叠层、钙钛矿-薄膜电池（CIGS）叠层。按照连接方式可分为两端和四端叠层。当前，产业化主要方向聚焦于钙钛矿-钙钛矿叠层及钙钛矿-晶硅叠层，也有部分公司率先进行四端钙钛矿-晶硅叠层布局。

2.1. 钙钛矿-钙钛矿叠层降成本潜力最大，技术瓶颈亟待突破

钙钛矿-钙钛矿叠层电池降本空间显著。该类叠层电池顶、底电池均为钙钛矿电池，理论上高效率的顶电池禁带宽以 1.7~1.9eV 的宽带隙顶电池最佳，底电池以 0.9~1.2eV 的窄带隙顶电池最佳。从成本端看，钙钛矿钙钛矿叠层电池降本空间最大：1）辅材成本尤其导电玻璃消耗并未增长，仅电池材料（传输层、钙钛矿层）成本为单结两倍左右，随着规模化提升，电池材料占比将随产业成熟度而大幅降低，从材料成本端看，钙钛矿-钙钛矿全叠层电池将最具吸引力；2）从设备投资看，封装、检测设备、背电极制备设备无需增加，设备投资保守估计仅为单结 1.8 倍，且随着规模化发展，折旧成本将被摊薄。根据我们测算，以 GW 级产线、单结电池转换效率 18%、叠层电池效率 25%测算，单结电池成本为 1.03元/W、钙钛矿-钙钛矿叠层成本为 1.18 元/W，其中主要增长在电池材料及折旧，随着产业规模化发展，两类成本具备大幅降本空间，钙钛矿-钙钛矿叠层凭借其成本端吸引力，有望实现突围。

当前材料稳定性及吸光质量掣肘全钙钛矿叠层电池发展。目前，限制全钙钛矿叠层电池效率的主要有三个因素：1）当前部分将 Pb 替换成 Sn 是制备窄带隙电池的主要方法，但 Sn2+容易被氧化成 Sn4+，且 Sn-I 键比Pb-I 容易断裂，易与水、氧气发生反应；2）全钙钛矿叠层电池互联界面为平面，平面界面的光反射降低了窄带隙钙钛矿电池对长波光谱利用率；3）窄带隙电池沉积过程中存在溶剂对宽带隙钙钛矿电池降解的风险，需要制备致密中间层，防止对下电池进行溶剂和离子扩散。开发新型材料、添加剂及工艺提升是解决当前全钙钛矿电池效率及稳定性问题的重要方法。

2.2. 钙钛矿-晶硅两端叠层兼具钙钛矿-晶硅优势，产业化关键在光电学匹配

钙钛矿-晶硅两端叠层性价比最优，产业化路径顺畅。硅带隙为 1.1eV，非常适合作为叠层电池底电池，顶电池则为宽带隙钙钛矿电池。当前钙钛矿-HJT 电池在产业化中得到最多实践，主要由于：1）从工艺端看匹配度最佳：HJT 制备流程短，改造简单，且同样采用薄膜沉积工艺，其TCO 层能够同钙钛矿电池匹配；2）晶硅电池中 HJT 效率天花板最高。
综合来看，钙钛矿-晶硅两端叠层最具性价比，主要由于：1）当前晶硅产线已相对成熟，与全钙钛矿叠层相比，良率与一致性较高；2）两端叠层方式使其同样节省辅材成本；3）钙钛矿面积需要与 HJT 面积匹配，如 210mm、166mm 尺寸等，不再制备大尺寸钙钛矿（如 1m*2m），在小面积下，钙钛矿电池效率及稳定性将更优异，有助于叠层电池整体性能提升。当前，光伏龙头如隆基、通威纷纷入局，预计钙钛矿-晶硅叠层产业化有望加速。

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