行研 | 钙钛矿设备产业研究 作者： 本站编辑 发布时间： 2023-08-23 来源： 本站
国内 PERC 产能、光伏装机量高速发展。在 PERC 发展初期，国外主导核心技术和产能，而国内光伏产业的发展，主要受欧美市场需求驱动。 2012 年 ，在欧债危机和“双反”调查的影响下，全球光伏产业陷入低谷，同年，国家“863”专项启动，对 PERC 电池效率、量产规模等作出指示，标志国内 PERC 正式进入产业化阶段。 2013-2014 年 ，为应对光伏产业发展初期的高成本，国家推出多项补贴政策扶持企业，吸引大批新兴参与者布局，光伏需求回暖。 2015年 ，在 “光伏领跑者计划”刺激下，积极推动技术转型，财政支持先进技术研发，PERC 产能全球领先。 2016-2017 年 ，“十三五”规划刺激下，抢装潮迅速推高需求节奏，同时产能超预期扩张，供需关系偏向过剩，同期 HJT、TOPCon、钙钛矿等开始出现中试线。PERC 发展初期多受政策驱动，国内厂商主要引进国外成熟先进技术和设备，主要是产业规模化趋势，而产能扩张后周期中，叠加电池技术进步，促进新旧产能替换、新技术的萌芽。 2018 年 ，“531”新政明确光伏产业“平价上网”，政策扶持收紧、补贴退坡，光伏企业加速技术革新，加速落后产能和技术出局，光伏产业由规模化向高质量、高效益发展，“降本增效”兴起，技术呈多元化“萌芽期”。 2019-2020 年 ，平价上网临近，光伏技术多点突破，其中 HJT 产能出现大规模规划并有更多中试产线开工。随着硅料、辅材、设备等技术迭代，PERC 电池成本优势显现，进入爆发式发展阶段。 2021 年至今 ，PERC 持续扩张，N 型技术效率提升凸显性价比，N 型路线投产开始白热化，加速进入商业化，TOPCon 投建积极，HJT 逐步发力，钙钛矿技术突破并出现小规模投产探路。在碳中和、节能减排的全球共识下，光伏需求迅速攀升，产业受资本市场关注度攀升。
参考 PERC 电池发展历程，钙钛矿电池处于“试产期”。
2012 年 ，晶澳科技首先进行 PERC 电池小批量试产，效率达到 20.3%； 2015 年 ，PERC 电池量产平均效率超 BSF 电池技术瓶颈，头部企业实现批量化稳定生产，产能首次达到世界首位，次年正式开启产业化量产； 2017 年 ，PERC 电池进入爆发期，成为国内最主流的光伏电池技术，高利润驱动产能高速扩张，至 2019 年市场份额达到国内第一，核心设备脱离对国外技术的依赖，实现国产替代。而目前，钙钛矿太阳能电池企业仍处布局、投产中试线和产能规划阶段，参考 PERC 电池头部企业晶澳科技，自试产至规模化量产大约需要 3 年时间。叠加 PERC 电池核心设备实现国产替代时间，实现规模量产大约还需要 5 年时间，但钙钛矿设备相较 PERC 时代的国产自主可控程度更高，时间有望缩至 3-5 年。 对标 3 年前异质结电池进程，钙钛矿电池或等待 3 年进入量产。 异质结电池起步略早于钙钛矿电池，国内厂商中，晋能科技首先于 2017 年布局并投产 100MW 异质结中试线，次年，中智电力、钧石能源、国家电投等企业跟进布局。随着先发企业的试产成功，2019-2020 年，通威股份、爱康科技等 20 余家企业宣布总计超 52GW 产能规划，部分企业启动 GW 级异质结产线。2021 年，异质结电池已建产能超 5GW，量产平均效率超 24%。截止目前，异质结电池产能规划规模已超 190GW，降本路径清晰，有望进入下一发展阶段。从产能进程角度来看，钙钛矿太阳能电池目前仍处于试产筹备阶段。 2020-2021 年，协鑫光电、纤纳光电等头部企业已投产百兆瓦级钙钛矿中试线，2022 年，宁德时代、仁烁光能等跟进启动中试线。目前钙钛矿参与企业少、规模小，与 2018-2019 年的异质结电池产业化进展较相似，至今间隔约 3 年实现规模量产，因此对标异质结电池的发展历史，叠加海内外光伏装机需求持续旺盛，或留给新技术更多的验证窗口，进入规模量产阶段仍可期待 3 年时间。
2、钙钛矿产业开启商业化探路，规划产能合计超 27GW。 尽管瑞士洛桑联邦理工学院 EPFL、牛津光伏、日本松下集团等海外机构的研发成果领先，但国内钙钛矿的技术转化速度领先，且技术储备和资本等因素都具备的情况下，钙钛矿产业化可以迅速实现从 0 到 1 的飞跃。协鑫光电、纤纳光电和极电光能等头部厂商已接近或开启商业化探路阶段。 协鑫光电： 最早聚焦于钙钛矿的团队，腾讯创投和宁德时代参股，实现 45*65cm 尺寸 17%的实验室效率，拥有 43 项授权和审查中的发明专利及 35 项实用新型专利， 100MW 量产线 22年投产。 纤纳光电： 与协鑫光电有着类似的发展路径，产业化进度最快，在 2022 年 7 月实现 alpha 组件量产并出货给地面光伏电站使用，实现了全球首款钙钛矿组件商业化应用，开启商业化探路。 极电光能： 背靠长城控股集团，预计年内完成 150MW 试制线，进度追平协鑫光电。宏瑞达在钙钛矿光伏组件封装自动化上为无锡极电定制交付了150MW的封装线。 （目前三家公司的进度都是超过目前数据内的进度）
3、钙钛矿组件结构由多个功能层铺设而成，多种制备工艺并存
钙钛矿组件主要有 3 类结构框架，反式平面结构适合产业化。常见的 3 类“三明治”结构为介孔结构和平面结构（分为正式平面、反式平面，区别：钙钛矿底层材料对钙钛矿内的电子或空穴的提取能力不同，P 型半导体主要传递空穴，N 型半导体主要传递电子）。 转换效率比反式结构高，具有较高的 Voc 和 Jsc 值，但空穴传输层在核心的钙钛矿层上面，在选材的温度耐受性和性能平衡上还不能很好的匹配，且迟滞效应比反式结构明显（迟滞效应降低电池测试的准确性和电池性能）； 2. 正式(n-i-p)介孔结构（优化版本，使钙钛矿层更稳定）： 与正式平面结构类似，介孔层的掺杂能改善钙钛矿层和电子传输层的接触，提升电子的提取能力，但介孔层需要 450° C 高温烧结，不能和柔性衬底结合，不适宜投入量产。 比正式结构的工艺更简便价廉、低温成膜、更适合与传统光伏电池结合叠层器件等，同时因为反式 (p-i-n) 结构中，空穴层选材的扩散长度/系数比电子层的短/低，更有利于电荷的平衡抽取，从而抑制迟滞效应。由于适合叠层结构延伸及产业化、工艺成本低，为目前的主流结构。但面临转换效率较低、电子传输层用材昂贵和热稳定性差等限制。
4、3层薄膜的制备较关键，涂布机、PVD、RPD、激光设备为核心设备 。以反式平面结构为例，根据多家头部厂商的专利，涂布机、PVD、RPD、激光设备为核心产业化设备：
TCO 玻璃： 从玻璃厂商直接采购，也可以在玻璃衬底上 PVD 溅射透明导电层，技术较成熟。 空穴传输层（核心层一） ：一般用溅射 PVD，亦可用蒸镀 PVD，最新研究尝试涂布机，技术难点在于工艺参数调整。 钙钛矿层（最核心层二）： 主流选用狭缝涂布工艺，技术难度较高，技术核心在于大面积制备的解决方案、成膜均匀性。 电子传输层（核心层三） ：主流用 RPD 设备；另一种是先用 RPD 或 ALD 制备一个很薄的阻隔层，再用溅射 PVD 做传输层；正研究尝试涂布机制备，技术难点在于材料适配和保护下方钙钛矿层。 背电极： 用蒸镀 PVD 设备，已具备较成熟的技术应用。 激光刻蚀： 共四道激光，主要用于 P1、P2、P3 层激光划线，使整个钙钛矿面板形成一道道的子电池，且子电池互相串联；P4 层激光用于清边处理，技术难度可控。 封装： 较关键的环节，封装方案处于创新阶段，包括薄膜封装、物理封装等。
第一类-湿法涂布工艺：根据涂布头分为狭缝涂布工艺、刮刀涂布工艺等。
狭缝涂布（主流选择） ：非接触式涂布技术，在玻璃/金属/聚合物等基材上将特制油墨沉积形成超薄均匀涂层，涂层厚度取决于施加到基材上的油墨量除以涂布面积，硬件核心在于狭缝涂布头的耐腐蚀性、狭缝精度及油墨流动控制。特点是印刷速度快、成膜均匀、材料利用率高、运行成本低、适用油墨的粘度广等。除了光学薄膜外，也用在锂电池隔膜、液晶面板等精密涂布。 刮刀涂布： 与过量的油墨接触，通过调整刮刀与基底的距离来调整厚度，同时也与油墨的浓度、基底移动速度相关。特点是能兼容流动性弱的油墨，提高浓度、减小干燥负荷，涂布速度较快。同时涂布面较平整，不随原表面的凹凸而起伏。
第二类-印刷工艺：分为喷墨印刷法、喷涂法、丝网印刷法、凸板印刷法、凹版印刷法等。 丝网印刷（全印刷型钙钛矿组件的量产工艺） ：特点是生产成本极低(资本支出和运行成本)、高吞吐量。同时是制造微米级厚度介孔支架的有效方法，但介孔层结构需要 400 摄氏度高温制备，面临容易破坏钙钛矿层的挑战。据 Swansea 大学研究发现，可以通过丝网印刷将钙钛矿组件印在建筑物钢顶上，而国内的万度光能将投建全丝网印刷工艺生产的 200MW 介观钙钛矿组件产线。 喷墨印刷： 与器件无接触的印刷技术，和打印机原理类似，打印机头和油墨相连，压力脉冲控制油墨的吞吐量。特点是材料利用率较高，能够精准灵活控制打印形状、厚度等，技术的关键挑战在于油墨高吞吐量的时候能否保持印刷的精度，以及能否找到兼容的动态粘度、密度和表面张力的油墨。由于印刷速度受限于喷嘴数量，喷墨印刷的速度较其他沉积薄膜工艺慢。 喷涂： 同样为非接触型印刷技术，通过改变油墨的成分、浓度、喷嘴角度、移动速度等，达到控制钙钛矿薄膜厚度及高吞吐量操作的目的。特点是材料损耗较低，能够高吞吐量处理，但挑战在于晶体生长厚度的变化、溶液去湿以及由表面张力驱动的薄膜覆盖不均等。 凸版印刷、凹版印刷： 在钙钛矿组件研发中使用较少。PERC
钙钛矿企业主要选择狭缝涂布工艺路线。我们对国内部分领先钙钛矿企业的公开专利进行统计，在钙钛矿层制备工艺的选择上，主要是狭缝涂布和蒸镀 PVD，而协鑫光电、纤纳光电等在刮涂、喷涂上也有尝试布局，此外 CVD、丝网印刷工艺属于少数选择方向。
高精度的狭缝涂布机依赖进口，国产设备商以德沪涂膜为首。 钙钛矿用狭缝涂布机以进口日韩设备为主，进口商主要有美国 nTact、日本东丽工程、韩国三兴机械等，而国产设备商中主要以德沪涂膜SPS 为首，其开发的全球首套用于大面积钙钛矿太阳能面板制造的涂膜设备通过验收，技术实力位居全球头部。而众能光电亦有涂布/刮涂一体机。
上下传输层 & 背电极 & TCO 玻璃：PVD 工艺贯穿全制程 PVD 在钙钛矿电池制备中属首选工艺。我们根据对主流钙钛矿厂商在空穴传输层、电子传输层、背面对电极层、TCO 玻璃等领域的专利布局进行统计，各层对应主流工艺路线如下：
空穴传输层： PVD-溅射镀、PVD-RPD、涂布-刮刀涂布机 电子传输层 ：PVD-蒸镀、PVD-RPD、PVD-溅射镀、印刷-丝网印刷机 国产 PVD 设备商率先受益。尽管产业实验室、科研院所前期主要使用进口设备进行研发，而根据已公开信息，目前国内部分含钙钛矿用 PVD 的设备商已进入出货验证或完成验证阶段 (1)捷佳伟创向某领先钙钛矿厂商出货了―立式反应式等离子体镀膜设备”(RPD)，并于 22/07 再次中标量产型 RPD订单； (2)京山轻机旗下晟成光伏的团簇型多腔式蒸镀设备已量产，并成功应用于多个客户端； (3)众能光电截至 21 年底的钙钛矿 PVD 设备出货量达 30 台套； (4)湖南红太阳的首台钙钛矿电池用 PVD 及ALD 镀膜设备发货，成功中标龙头客户钙钛矿电池项目。 (5)合肥欣奕华的蒸镀事业部有对真空蒸发法制备钙钛矿电池薄膜的研究。其中，不乏有已在 HJT 布局有 PVD 的捷佳伟创、湖南红太阳等，随着钙钛矿产线的逐步落地，国产设备商有望持续受益。
蒸镀、溅射镀、RPD 都属于 PVD 工艺。PVD（Physical Vapor Deposition）为物理气相沉积技术，在真空环境下将气化成分子/离子的材料源，通过低压气体/等离子体在衬底表面沉积成特定功能薄膜。根据工艺制程的不同，主要分为真空蒸发镀、真空溅射镀、真空离子镀。其中： 蒸发镀 ：蒸发器加热使靶材蒸发汽化成粒子，随后将该粒子直接射向衬底并完成沉积 溅射镀： 通过高电压将靶材转化成等离子状态，利用高能量粒子撞击靶材后，被撞击出来的靶中分子或原子撞上衬底完成沉积 离子镀： 利用高压气体放电将靶材蒸发后离子化，利用离子轰击衬底表面完成沉积。根据日本住友介绍，RPD（Reactive Plasma Deposition）也是离子镀的方法之一。
PVD 在钙钛矿电池制备中属首选工艺。我们根据对主流钙钛矿厂商在空穴传输层、电子传输层、背面对电极层、TCO 玻璃等领域的专利布局进行统计，各层对应主流工艺路线如下：
空穴传输层： PVD-溅射镀、PVD-RPD、涂布-刮刀涂布机 电子传输层 ：PVD-蒸镀、PVD-RPD、PVD-溅射镀、印刷-丝网印刷机 国产 PVD 设备商率先受益。尽管产业实验室、科研院所前期主要使用进口设备进行研发，而根据已公开信息，目前国内部分含钙钛矿用 PVD 的设备商已进入出货验证或完成验证阶段 (1)捷佳伟创向某领先钙钛矿厂商出货了―立式反应式等离子体镀膜设备”(RPD)，并于 22/07 再次中标量产型 RPD订单； (2)京山轻机旗下晟成光伏的团簇型多腔式蒸镀设备已量产，并成功应用于多个客户端； (3)众能光电截至 21 年底的钙钛矿 PVD 设备出货量达 30 台套； (4)湖南红太阳的首台钙钛矿电池用 PVD 及ALD 镀膜设备发货，成功中标龙头客户钙钛矿电池项目。 (5)合肥欣奕华的蒸镀事业部有对真空蒸发法制备钙钛矿电池薄膜的研究。其中，不乏有已在 HJT 布局有 PVD 的捷佳伟创、湖南红太阳等，随着钙钛矿产线的逐步落地，国产设备商有望持续受益。
P1-P4 层：主要使用激光刻蚀设备，国产激光设备商跃跃欲试 P1-P3 用激光划刻，P4 用激光清边。钙钛矿用激光设备主要使用纳秒/皮秒/飞秒脉宽等波段的绿光激光或红外光纤光源进行刻蚀划线，被切割处很快被加热至汽化温度蒸发形成线槽，目的是阻断电流导通，形成多个单独的电池模块，串联电池，增大电压。激光刻蚀激光的工艺精度、对薄膜材料的损伤、缺陷控制、刻划断面的粗糙度均对电池效率、寿命具有重大影响。 P1 层：采用纳秒级别的激光进行刻蚀，刻蚀 FTO 层，需保证激光刻蚀线宽、激光刻蚀线间距精确度，不伤及玻璃衬底。 P2 层：采用皮秒或飞秒级别的激光刻蚀，刻蚀 ITO 或钙钛矿层，需保证激光刻蚀线宽、激光刻蚀线间距精确度，不伤及 PI 层的 FTO。同时，鉴于钙钛矿容易在外界影响下降解，精度更为严格，对激光光源的单脉冲能量、脉宽、频率有不同的要求。 P3 层：采用皮秒或飞秒级别的激光刻蚀，刻蚀对电极层，需保证激光刻蚀干净、激光刻蚀线宽、激光刻蚀线间距精确度，不伤及 P2 层。 P4 层：去除薄膜边缘区域，利用激光划线划分出无效区域后，对无效区域采用大功率、大光斑、低频红外激光进行清除。而在大面积组件的清边时，先对扫描小单元进行清边，然后对下一个小单元清边，多单元拼接清边。 国产激光设备商在钙钛矿领域早有技术布局，如(1)众能光电截至 21 年底已出货钙钛矿激光划线刻蚀设备 50 台套；(2)大族激光表示其钙钛矿激光刻划设备在2015 年已实现量产销售，并和相关客户一直保持合作关系；(3)杰普特与大正微纳科技共同研发出柔性钙钛矿激光膜切设备，通过验收并正式投入生产使用。而传统光伏设备商也积极布局钙钛矿用激光设备，如(4)迈为股份 2021 年为客户定制的单结大面积钙钛矿电池激光设备已交付，钙钛矿设备仍处于研发阶段；(5)帝尔激光公告将交付用于钙钛矿电池的激光设备，应用于 TCO 层、钙钛矿层、电极层。国内钙钛矿激光设备的参与者较多，已有众能光电、杰普特等步入商业化阶段的国产设备商。
主要有 2 代封装技术。钙钛矿电池的各功能膜层材料，对暴露大气中的水蒸气、氧气、紫外光、压力等比较敏感，钙钛矿材料很快分解，同时组成钙钛矿晶体的有机小分子会从晶体逃逸，引发钙钛矿晶体的分解，使用寿命比设计值要低得多，因此封装工艺能够将钙钛矿组件与大气环境隔离，防止被杂质污染和腐蚀，是提升钙钛矿组件使用寿命的关键环节。据长光所 Light 中心介绍，目前主要有 2 代封装工艺： 一代：通过蒸发金属喷射器和焊接金属带，将电流从电池传导到外部，并将金属带的边缘密封，器件位于封闭空腔中心。 二代：利用透明 ITO 电极将钙钛矿与金属电极分离，确保电极与钙钛矿组件之间有间隙，而直接利用 ITO 电极进行封装，对钙钛矿组件的密封效果更佳。 钙钛矿电池封装涉及 PVD、CVD、层压机等设备。据协鑫光电公开的某类实用新型专利显示，其钙钛矿电池的封装工艺包括两个封装层工序， (1)第一封装层由致密的金属化合物组成，包括阻挡氧气、钙钛矿电池挥发的有机小分子等的水气阻隔层，均匀覆盖在钙钛矿太阳能电池表面，厚度在纳米级；第一封装层可采用 CVD、PVD、ALD 中任意一种方式。 (2)第二封装层采用热熔胶膜，包括 EVA 膜或POE 膜，厚度为微米或毫米级；第二封装层可采用成熟的晶硅组件封装方式，但封装核心在于热熔胶膜的适用温度，由于市场上的 EVA 膜配方更多适用于晶硅光伏组件，使用温度在 130-150 ° C，对于钙钛矿材料而言温度过高，容易挥发的有机小分子在真空和加热的双重作用下更容易脱离晶体结构，降低钙钛矿层的活性，而降低温度又会弱化封装效果。
晶硅光伏组件封装设备商有望受益。根据德沪涂膜公众号， (1)弗斯迈与钙钛矿电池组件龙头工厂达成合作，其主要经营覆膜设备、贴胶带机等；而鉴于协鑫光电 202122293792.4 号专利显示，第二封装层可采用成熟的晶硅电池封装工艺，已成熟/领先的晶硅光伏组件装备商有望受益。
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