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1证券研究报告作者：行业 评级：上次评级：行业报告|请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明机械设备强于大市强于大市维持2023 年03 月15 日（评级）分析师 李鲁靖 SAC 执业证书编号：S1110519050003联系人 张钰莹叠层钙钛矿电池：单 结 为 矛，叠 层 为 盾，下 一 代 电 池 片 技 术 或 开 始 逐 渐 演 绎！行业专题研究2请务必阅读正文之 后的 信息披 露和 免责 申明1）钙钛矿叠层 电池：效率突破单结极限，多种技术路径持续探索。叠层电池的原理是宽带隙顶部电池吸收高能量光子，窄带隙底部电池提高光子利用率，二者合作能突破单结电池的理论效率极限，打开转化效率天花板。从材料分类：可 分 为 钙钛 矿/PERC、钙钛矿/TOPCon、钙钛矿/HJT、钙钛矿/CIGS 与全钙钛矿电池等。钙钛矿晶硅叠层电池是现阶 段 晶 硅电 池 的升 级之 选，其 中 钙 钛矿/HJT 电 池 或 为更 优 解；而 全钙 钛 矿 电池 无 需晶 硅 材料，能 实现 有 效降 本，未来 随 着量 产技 术 逐 渐成熟，全钙钛矿叠层有望成为更优选择。从结构分类：两 端结 构为 两 子 电 池 串 联，三 端结 构 两 子 电 池 并联，四端 机 械 堆 叠 结 构两 子 电池 并 联，光 学 耦合。两端 集 成 一 体化结构要求两子电池电流相互匹配，产 业 选 择集中于两端一体化结构，或因其所需透明导电层较少，制备成本低。2）制 备设 备：看 好广泛PVD与先进ALD。综合 分 析各 公司 公 开专 利，叠 层电 池生 产 流程 相较 于 单结 电池 的 增量 在于 中 间层，ALD技 术 在 其中缓冲层/致 密层更占优；PVD 技术覆盖大部分生产流程，价值量占比高。3）叠层钙钛矿 电池：电池厂商厚积待薄发，产能规划持续萌芽。传 统电池厂商隆基、爱旭已开始技术布局，新兴企业宝馨、华晟不容小觑，跨界厂商杭萧钢构、聆达股份动作频繁。目前钙钛矿叠层电池尚处于研发与试验阶段，已有企业宣布产能规划，钙钛矿 晶 硅 叠 层 电 池 因 基 础 晶 硅 技 术 成 熟，产 业 进 度 快 于 钙 钛 矿/CIGS 叠 层 电 池 与 全 钙 钛 矿 叠 层 电 池。效 率 方 面，小 面 积 钙 钛 矿/晶硅叠层电池效率已超30%，期待大面积叠层电池效率突破。4）投 资建议：建议关注 电池厂商后续进展：目前明确钙钛矿叠层电池规划的多为跨 界厂商，杭萧钢构进展 快速，率先规划建立100MW 中试线。传统电池片厂商中，天合、东方日升与通威已有明确的钙钛矿叠层电池布局计划。关注PVD 设备与ALD 厂 商：PVD 设 备 商 中 捷佳伟创 与 京 山 轻 机 设 备 已 成 功 导 入 下 游 钙 钛 矿 电 池 端，未 来 有 望 应 用 于 叠 层 电 池；微 导 纳 米 是光伏ALD 设备龙头之一，已 获 取 叠 层 电 池 订 单，期 待 未 来 扩 大 优 势；奥来德（正 在 研 发）、欣 奕 华（暂 未 上 市）作为蒸镀机探索研发生产商，有望凭借蒸发源know-how带来增益。风险提示：光伏装机不及预期；电池片技术路径变化风险；钙钛矿叠层电池量产速度低于预期摘要YWBYuNqNnOoPqOnOtOoRrQ7NdN9PoMoOmOmPiNrRtQeRpOnQ7NmNpOMYnPqPwMsRpM3请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明1.钙钛矿叠层电池：效率突破单结极限，多种技术 路径持 续探索1.1.钙 钛 矿：新 一 代电 池 技 术，降 本增 效 灵活 性 强 钙 钛 矿 材 料 结 构：ABX3。狭义的钙钛矿是矿物CaTiO3本身，广 义 钙 钛 矿 则 是 具 有 钙 钛 矿 结 构 类 型 的ABX3型化合物。钙钛矿晶体结构由共享的BX6八面体组成，A 占据了每个晶胞单元中BX6八面体的空腔位置，其中A 位离子为大半径的阳离子，B 位阳离子为小半径的阳离子，X 位阴离子则为卤素阴离子。半 透 明 薄膜 电 池，可 用于 光 伏 建筑 一 体，打 开光 伏 市 场天 花 板。钙 钛矿 电 池 是新 型 薄膜 电 池，兼 具 半透 明、色 彩 可调 节 的特点，能 部署 于 无法 安 装晶 硅 电 池之 处，适 合 用于 光 伏 建筑 一 体。其 高水 平 的 转化 效 率使 其 在理 想 化 情况 下 有望 实 现车 载，甚至用于移动设备的表面或穿戴。资 料来源：钙钛 矿太阳 能电池 在全钙 钛矿叠 层器件 中的应 用研究_ 姚 燕青、LightCradle 网、天风证 券研究 所图：钙钛矿晶体结构4图：钙钛矿太阳能电池 钙 钛 矿 活性层优良的光电性质：较高的吸光系数、灵活的带隙可调性、较长的载流子扩散长度、激子结合能小等特点。吸 光 系 数 高：钙钛矿(MAPbI3)属 于 直 接 带 隙 半 导 体，具 有 较 高 的 吸 收 系 数，仅需要500nm 左 右 厚 度 薄 膜 吸 收800nm 以下的可见光，即可产生25mA cm-2以上的电流密度。相比于硅电池，厚度达几十微米，方可产出40 mA cm-2以上的电流密度。带 隙 可 调性 好：通过 影响 晶 格 的大 小，能 改 变卤 素 原 子与 金 属离 子 间的 键 长，通 过 间接 的 方式 影 响 材料 的 能带 结 构。因 此可以通过调控不同元 素的 掺杂比例，获 得 不 同 带 隙 的 钙 钛 矿 材 料，从 而 实 现 钙 钛 矿 吸 收 光 谱 的 连 续 可 调 性。硅 的 带 隙 为1.1eV，而 钙钛矿带隙连续可调1.2-2.5eV，宽带隙可吸收更高能量的光子。载 流 子 扩散长度长：较长的载流子扩散长度有利于太阳能电池的电荷传输，利于电子-空穴的分离与提取，降低复合损失。激 子 结 合能 小：钙钛 矿的 激 子 结合 能 低于 绝 大部 分 光 伏材 料，所 以 在光 照 下，钙 钛 矿活 性 层吸 收 光 子后，室温 下 即能 迅 速转化为电子空穴对，并被两端电极收集产生光伏效应。资 料来源：钙钛 矿太阳 能电池 的性能 优化及 稳定性 研究_ 王硕、Opportunities and challenges for tandem solar cells using metal halide perovskite semiconductors_Tomas Leijtens、天风 证券研 究所图：不同带隙钙钛矿对应转化效率几乎都高于50%S-Q极限5图：不同类型钙钛矿材料的能带结构图1.1.钙 钛 矿：新 一 代电 池 技 术，降 本增 效 灵活 性 强 钙 钛 矿 优势：低成本、高效率，切合行业永恒命题 降 本：1）制 备 成 本：PSCs 制 作 过 程 无 需 硅 料，金 属 卤 化 物 钙 钛 矿 所 需 原 材 料 储 量 丰 富，价 格 低 廉，能 耗 较 低。2）设 备 投资额：钙钛矿1GW 投资金额约5 亿元，是晶硅的1/2，是第二代GaAs 薄膜太阳能电池的1/10。增 效：光 电 转 化 效 率 飞 速 提 升，理 论 天 花 板 高。1）晶 硅 电 池 率 先 起 跑，已 逐 渐 逼 近 理 论 极 限。据ISFH，PERC/HJT 电池/TOPCon 电池 的极 限转 换效 率为 24.50%/27.50%/28.70%。经过数十年发展，晶硅电池效率已达到 25%+，接近理论极限。2）钙钛矿后起之秀，提效迅速空间大。根据 S-Q 理论，常用的钙钛矿材料 MAPbI3和 FAPbI3的禁带宽度位于 1.5-1.6eV，其理论最大光电转化效率均处于 30%以上。仅经过十余年，钙钛矿单结光伏电池的光电转换效率就从 3.8%迅速提升至 25.5%，接近晶硅电池的效率记录，提效速度明显快于晶硅电池。资 料来源：NREL、钙钛 矿太阳 能电池 的性能 优化及 稳定性 研究_ 王硕、天风 证券研究 所图：半导体材料禁带宽度与光电转化效率关系图6图：钙钛矿电池转化效率发展历程1.1.钙 钛 矿：新 一 代电 池 技 术，降 本增 效 灵活 性 强 钙 钛 矿 电池 可 分为 单 结电 池 与 叠层 电 池，目 前产 业 中 单结 电 池占 据 主流。电 池结 构 包括 介 孔结 构 与 平面 结 构，其 中平 面 异质结 构 又 分 为 正 式（n-i-p 型）平 面 结 构 和 反 式（p-i-n 型）平 面 结 构，结 构 包 括 透 明 导 电 电 极、电 子 传 输 层、钙 钛 矿 层、空穴传输层、顶电极。介孔结构的 钙钛 矿 电池 成 膜光 滑、均匀，效率 表 现好，但 制备 工 艺较 复 杂，且 需 要高 温 烧结；正式平面结构的钙 钛矿 器 件有 利 于提 升 其 光电 转 换效 率，多 用 于 学术 领 域；反式平面结构 的钙 钛矿 器 件便 于 制备，被广 泛 用于产 业 领域。叠层（多结）太阳 能 电池 由 两 个或 多 个吸 收 光谱 互 补 的子 电 池串 联 或并 联 堆 叠。理 论上 随 着叠 层 电 池不 同 带隙 吸 收材 料 的增加，转 换效 率 会不 断 提高，但 实际 上 由于 不 可避 免 地 寄生 吸 收，叠 层的 合 理 层数 在 二到 三 层，因 此 实验 室 与产 业 对叠 层 电池的研究与探索集中于双结。资 料来源：中国 粉体网、钙钛 矿太阳 能电池 在全钙 钛矿叠 层器件 中的应 用研究_ 姚燕 青、钙 钛矿太 阳能电 池及其 空穴传 输研究 综述_王茹、Solution-Processed All-Perovskite Multi-junction Solar Cells_ David P.McMeekin、天风证 券研究 所7图：钙钛矿电池结构示意图图：钙钛矿电池分类介孔结构（n-i-p 型）正式平面结构（n-i-p 型）反式平面结构（p-i-n 型）图：三结钙钛矿叠层电池结构示意图1.1.钙 钛 矿：新 一 代电 池 技 术，降 本增 效 灵活 性 强叠 层 电 池原理：宽带隙顶部电池吸收高能量光子，窄带隙底部电池提高光子利用率。根据半 导体 理 论，只 有能 量 高 于半 导 体材 料 的带 隙 光 子才 能 被其 吸 收。不 被 吸收 的 低能 量 光子 会 穿过 器 件被 金 属背 电 极 吸收，变成热能释放；被吸收的高能光子产生的热载流子也会转变成热能损失，对器件稳定性不利。以 双 结 太阳 能 电池 为 例：当 太 阳光 垂 直照 射 在器 件 上，宽 带 隙的 顶 部太 阳 能 电池，吸收 较 高能 量 的 光子，顶部 子 电池 不 仅能产 生 较 高的 电 压，同 时还 能 降 低高 能 电子 弛 豫带 来 的 热化 损 失。能 量较 低 的 光子（能量 小 于顶 部 电 池的 带 隙）则 不能 被 顶部宽 带 隙 的子 电 池吸 收，而 是 透 过顶 部 电池 被 底部 窄 带 隙的 子 电池 吸 收，相 对 于顶 电 池，底 部的 窄 带 隙子 电 池通 过 增加 光 谱吸收范围，提高光子利用率。图：叠层器件工作原理图8 资 料来源：钙钛 矿太阳 能电池 在全钙 钛矿叠 层器件 中的应 用研究_ 姚 燕青、天风证券 研究所1.2.叠层电池：组合增加光谱吸收 范围，突 破单结 效率极限图：2-T与4-T叠层电池各转化效率对应禁带宽度9资 料来源：Opportunities and challenges for tandem solar cells using metal halide perovskite semiconductors_Tomas Leijtens、天风 证券研 究所 钙 钛 矿 凭 借 优 异 的 光 电 特 性 和 带 隙 可 调 的 优 点 成 为 叠 层 电 池 首 选 材 料 之 一，光电转化效率突破单结S-Q 理 论 极 限，理论转化效率高达40%+。钙钛矿/晶硅叠层电池与钙钛矿/CIGS 叠层电池：Shockley-Queisser 限制理论分析单结的光伏电池转化效率最高为 30%。以钙钛矿/晶 硅 叠 层 电 池 为 例，将 硅 电 池 和 钙 钛 矿 电 池 按 照 能 隙 的 分 布 从 小 到 大 叠 合，硅 电 池 带 隙 窄，主 要 进 行 长 波 段 光 的 吸 收；钙钛矿电池带隙宽，主要进行短波段光的吸收，二者合作提高电池对太阳光的综合吸收率，从而突破S-Q 限制理论。全钙钛矿叠层电池：钙 钛矿自身可调节带隙，因此可制备带隙在 1.2-2.5 eV 范围内连续可调的钙钛矿吸光材料，将宽带隙钙钛矿作为顶层，窄带隙钙钛矿为底层，从而增加光谱覆盖范围，提高光子利用率。2-T 4-T1.2.叠层电池：组合增加光谱吸收 范围，突 破单结 效率极限 钙钛矿/晶硅叠层电池：晶硅升级，基 础 技 术成 熟，钙钛矿/HJT或为更优解。钙钛矿/晶 硅叠 层 电 池 以 窄 带 隙晶 硅作 为 底 电 池，宽 带 隙钙 钛 矿电 池 作为顶 电 池。其 优势 在 于晶硅 拥 有理 想 带隙（Eg=1.12eV），产 业链 成熟，量 产稳 定且 效 率高。钙钛矿/晶硅叠层电池可视为目前晶硅电池的升级，突破效率极限瓶颈，适用于主流光伏电站场景。钙 钛矿/PERC 叠 层 电池：早期 方案，效率 与结构 受限。在TOPCon 与HJT 技术 尚未成 熟时，早期叠层 电池 底电池 使 用PERC 结构。效率：主要受限于PERC 正表面未钝化的掺磷发射极，导致电池电流密度与开路电压 降低，从而影响转化效率。结 构：早期n-PERC 结构 的发 射极 在受 光 面，决定了宽带 隙钙钛矿 只 能为n-i-p结构。后期 经过权衡光学 和电学增 益，TOPCon与HJT 电 池 开 始 采 用 背 结 结 构，发 射 极 在 背 光 面，基于TOPCon 和HJT 的平面反式结构（p-i-n）叠 层 电 池 逐 渐 兴 起，钙钛矿/PERC叠层电池日渐式微。图：钙钛矿/PERC 叠层电池结构10资料来源：CN113410390B 一种钙钛矿/PERC 两 端叠层 电池及 其制备 方法、黑晶光 电官网、天风 证券研 究所1.3.1.叠层材料：钙钛矿/PERC 叠层电池图：钙钛矿/晶硅叠层电池各结构比较 钙钛矿/TOPCon 叠 层电池：结构需改造，电流受限。TOPCon 与钙钛矿相叠并非最优解：Topcon 正面的氮化硅和氧化铝不能导电，需要先去除氧化铝和氮化硅或加入额外工艺环节；Topcon 电池 开压 不高、电流 高，若采 用集 成 一体结 构则 丧失 电流 优 势，理 论上 钙钛 矿/TOPCon 叠 层电池 效率 低 于钙 钛 矿/HJT叠层电池。11资 料来源：中国 光伏协 会CPIA 公众号、高效 率双结 钙钛矿 叠层太 阳能电 池研究 进展_ 张美 荣、天 风证券 研究所注：表格 统计截 至2022 年8 月1.3.1.叠层材料：钙钛矿/TOPCon 叠层 电 池图：钙钛矿/TOPCon叠层电池结构研究机构 钙 钛 矿 电 池 结构 晶硅电池类型 转化效率(%)ANU n-i-p n-PERC 22.5EPFL p-i-n HJT 25.24EPFL n-i-p n-HJT 22UNL p-i-n n-HJT 25.4UNIST p-i-n p-AI BSF 21.02HZB/Oxford p-i-n n-HJT 25.2HZB p-i-n HJT 29.15UNC p-i-n n-HJT 26HZB p-i-n HJT 29.8EPFL/CSEM/31.3表：学术端钙钛矿/晶硅电池转化效率历程 钙钛矿/异 质结叠层电池：结构适配，开路电压高。产业中主要选择异质结与钙钛矿相叠，原因在于：仅 异 质 结电池具备透明导电层(TCO)，可与钙钛矿叠层完美适配，后续改造难度小，工艺流程简单；异 质 结 电池的对称性结构，可兼容正反型钙钛矿电池技术；异 质 结 电池 开 压高，因此 与 钙 钛矿 叠 层串 联 输出 电 压 高，从 而保 障 叠层 电 池 效率 高。目 前 产业 中 面 临的 挑 战包 括 异质 结 绒面金字塔与钙钛矿涂层的匹配问题等。图：钙钛矿/异质结叠层电池结构12 资 料来 源：高效 晶硅异 质结电 池及其 与钙钛 矿叠层 电池研 究_ 何凤琴、天风 证券研究 所1.3.1.叠层材料：钙钛矿/异质结 叠 层 电池图：异质结电池结构 钙 钛 矿/CIGS（铜 铟 镓 硒）叠 层 电 池：以窄带隙CIGS 作 为 底 电 池，宽 带 隙 钙 钛 矿 作 为 顶 电 池。CIGS 是 传 统 商 业 薄 膜 太 阳 能 电池技术之一，窄 带 隙 宽度 可 调，能 与 钙 钛 矿 顶电 池 带 隙 匹 配。CIGS 电池 的 典 型 结 构 为 衬 底/Mo/CIGS(p 型)/CdS(n 型)/ZnO，这种极性结构限制了顶部钙钛矿只能是p-i-n(反式)结构。优势：CIGS 具 有 较 高 的 光 吸 收 系 数，理 论 上 能 获 得 比 钙 钛 矿/晶 硅 叠 层 结 构 更 高 的 光 电 性 能；子 电 池 带 隙 均 可 调 节；CIGS 与钙钛矿皆为薄膜电池，可获得柔性叠层电池。挑 战：CIGS 通常通 过真 空方法 沉积，导 致表 面 粗糙，因此 挑战 之一 是 在粗糙 的CIGS 电池 表面 保形生 长钙 钛矿顶 子电 池，或通过增加表面后处理工艺或者优化CIGS 吸收层的沉积工艺改善表面粗糙度。图：钙钛矿/CIGS 叠层电池结构和截面SEM图13 资 料来源：High-performance perovskite/Cu(In,Ga)Se2monolithic tandem solar cells_ Qifeng Han、天风 证券研 究所1.3.1.叠层材料：钙钛矿/CIGS 叠 层电 池图：钙钛矿与CIGS子电池的EQE曲线 全 钙 钛 矿叠层电池：利用钙钛矿可调节带隙的特性，制备窄带隙钙钛矿作为底电池，宽带隙钙钛矿作为顶电池。优势：两子电池带隙均 可灵活调节，能最大程度实现太阳光谱高效利用，Voc超过钙钛矿/晶硅叠层电池，效率上限高；柔性程度高，可采用平面工艺；低温和低成本的溶液可加工性，有望大幅降低制备成本。挑战：窄带 隙 钙钛 矿 稳定 性 较 低，大 面积 制 备难 度 较 高；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；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。图：4-T全钙钛矿叠层电池结构示意图14资 料来源：Vacuum-Assisted Growth of Low-Bandgap Thin Films(FA0.8MA0.2Sn0.5Pb0.5I3)for All-Perovskite Tandem Solar Cells_Bahram Abdollahi Nejand、新 型薄膜 太阳能电 池 丁 建宁 著、天风证券 研究所1.3.1.叠层材料：全钙钛 矿叠层 电池图：2-T全钙钛矿叠层电池的JV曲线与EQE 曲线 综 合 比 较钙钛矿与各材料的叠层电池：短期选择钙钛矿/HJT，远期未来或属于全钙钛矿。钙钛矿/晶硅叠层电池 为 现 阶 段 晶 硅 电 池 升 级 之 选，基 础 技 术 成 熟，主 要 应 用 场 景 仍 为 电 站。多 家 电 池 片 厂 商 已 有 布 局，其中钙钛矿/HJT叠层电池凭其结构优势获得多数厂商青睐。全 钙 钛 矿叠 层 电池 生 产无 需 晶 硅材 料，生 产 成本 大 幅 降低，且转 化 效率 优 于 单结 钙 钛矿 电 池，但 目 前大 面 积制 备 仍存 问 题。未来随着量产技术逐渐成熟，全钙钛矿叠层或为更优选择。151.3.1.叠层材料：综 合 比较电 池 种类钙钛矿/晶硅 薄 膜 电池钙钛矿/HJT 钙钛矿/TOPCon 钙钛矿/CIGS 全钙钛矿优点具备TCO，与钙钛矿适配；结构对称；开路电压高TOPCon 技术成熟，产线投 资低光电性能优于晶硅;带隙 可调;柔性光电性能优于晶硅;带隙 可调;低温低成本缺点 绒面与钙钛矿涂层有待磨 合需要改造，电流优势无法 完全发挥CIGS 表面粗糙，与钙钛矿涂层有待磨合窄带隙钙钛矿难以大面积 制备；平面界面降低光谱利用率 等应 用 场景 多用于光伏电站 建筑立面、玻璃幕墙、车 顶等产 业 化进 展 产业主流选择，多为电池 片厂商 相关企业少 相关企业少相 关 企业隆基、爱旭、合特光电（杭萧钢构）、华晟、宝馨、聆 达、牛津光伏（金风科技）中来、黑晶（皇氏集团）泰州锦能仁烁光能、协鑫（专利储备）钙钛矿/晶硅（未知具 体晶硅 电池）：天合、东方日升、通威、曜能表：各材料叠层电池的优缺点比较与产业进展资 料来 源：各公 司官网、各公 司公开 专利、Wind、企查查、索比 光伏网 等、天 风证券 研究所注：相 关 企业 为 不完 全 统计根据两子电池堆叠的方式进行分类，可分为：集成一体结构、机械堆叠结构、光谱分离结构、反射结构；根据各子电池电极之间的连线分类，可分为：两端(2-T)叠层、三端(3-T)叠层和四端(4-T)叠层。其 中 集 成一 体结 构与 机械 堆叠 结构 较受 关注，研究进展领先，已进入产业研发应用阶段。图：钙钛矿/晶硅叠层电池各结构示意图16 资 料来源：钙钛 矿/晶硅叠层 太阳电 池关键 材料与 技术研 究进展_ 李 梓进、天风证券 研究所1.3.2.叠层结构：2-T 集 成一 体 化与4-T 机 械 堆叠 各 有千 秋 2-T 叠 层：多为集成一体化结构，2-T 机械堆叠劣势明显。2-T 集 成 一 体 化 结 构：由 单 片 集 成 的 底 部 与 顶 部 子 电 池 和 单 个 透 明 导 电 层 构成，子 电 池 之 间 通 过 复 合 层 或 隧 道 结 串 联。集成一 体 结 构的 特 点是串联电池 电 流由 两 个子 电 池中 较 小 的电 流 决定，两个 子 电 池需 具 有近 似 的电 流 才 能使 串 联电 池 的能 量 转换效率最大化，最高效率与4-T 机械堆叠结构接近，此时顶电池的理想带隙被限制在1.71.8eV 的狭窄范围内。2-T 机 械 堆 叠 机 构：由 两 个 独 立 的 顶 部 和 底 部 子 电 池 堆 叠 构 成，其 中 两 个 输 出 端 用 导 线 串 联。其 优 点 是 消 除 了 对 界 面 隧 穿 层的需要，并且子电池能分开单独制备，但其需要多达三个透明导电层，造成严重的光损耗，且制备成本偏高。3-T 集 成一体 化结 构：与2-T 集 成一体 结构 类 似，但由 透明 电极 连 接 子电 池，为两 子电池 共 同的输出 端，由 串 联 改为 并联。该结 构 要 求两 子 电池 输 出同 种 电 荷，输 出电 流 密度 为 两 子电 池 电流 之 和，但 电 压由 较 小的 决 定。据 我 们统 计，这 一 类型 仅 在实验室偶有出现，未见商业化应用。图：机械堆叠与集成一体化结构图17资 料来源：钙钛 矿太阳 能电池 制备工 艺优化 及其与CIGS 叠 层电池 研究_ 汪婳 婳、钙 钛矿太 阳能电 池在全 钙钛矿 叠层器 件中的 应用研 究_ 姚 燕青、天风 证 券研 究 所图：2-T集成一体化、2-T 机械堆叠、3-T集成一体化结构示意图1.3.2.叠层结构：2T 集 成 一 体化 与4-T 机械 堆 叠 各有 千 秋 4-T 机 械 堆叠结构：类似于2-T 机械堆叠结构，但两子电池中的 两个输出端并未串联，而是拥有四个输出端。结 构 与 工艺独立：子电池可以单独制备，无需匹配电流，因此能灵活选择带隙，更易制备。无 需 匹 配电 流：两子 电池 形 成并联电路，无 需电 流 匹 配，子 电池 独 立输 出，输出 功 率单 独 计算 后 相 加，在 最合 适 的带 隙 组合区间可以实现40%以上的能量转换效率。优 势：与传统工艺相兼容；劣势：需要将顶电池的底部金属电极替换为透光性好的电极材料，增加制备成本。图：2-T与4-T机械堆叠结构输出端对比图18资 料来源：钙钛 矿太阳 能电池 在全钙 钛矿叠 层器件 中的应 用研究_ 姚 燕青、面向产业 化的钙 钛矿+硅叠 层太阳电 池技术 开发_ 张一 峰、天 风证券 研究所图：2-T集成一体化与4-T机械堆叠结构比较图1.3.2.叠层结构：2T 集 成 一 体化 与4-T 机械 堆 叠 各有 千 秋 2-T 集 成 一体化与4-T 机械堆叠结构比较：制备难易度：2-T 难于4-T。4-T 机械堆叠的子电池能分开制备，两子 电池可分别达到最大功 率；2-T 集成一体要求 上下电池电流匹配，并且制备顶电池时必须兼顾其工艺对底电池影响，还须考虑每一层的电导率、透射率和界面特性。生 产 成 本：2-T 成 本 更 低。4-T 需 要 额 外 的 透 明 电 极 使 成 本 增 加；2-T 透 明 电 极 少，两 子 电 池 沉 积 在 同 一 衬 底，通 过 隧 穿 层 连接，减少了基板电极材料和外部电路连接材料的使用。效 率 极 限：2-T 与4-T 效率极限无明显差别，在满足带隙要求时二者极限效率均高于40%。产 业 选 择：2-T 集 成 一 体 化 或 是 未 来 方 向。据公 开 专 利，厂 商 大 都 选 择2-T 集 成 一 体 化 结 构 进 行 研 发；4-T 机 械 结 构 涉 及 企 业较少，纤纳光电率先发力、协鑫有专利积累。表：4-T机械堆叠与2-T集成一体化结构比较19资 料来源：各公 司公告 与公开 专利、天风证 券研究 所注：电学 特性根 据串联 与并联 特点得 出；相 关公司 为不完 全统计，所属 结构根 据专利 归纳总 结结构 优点 缺点 相 关 公司4-T 机 械 堆叠结构子电池能分别保持最大功率点，分开制备能分别采取最优工艺，制备较易透明电极数多（4个）、电极要求高全 钙 钛矿：协鑫钙钛矿/晶硅：纤纳光 电2-T 集 成 一体化结构透明电极少（2个），降低制造成本需要上下电池电流匹配，顶电池带隙要求高；顶电池直接沉积在底电池上，制备时需考虑性能影响钙钛矿/HJT：隆基、爱旭、合特、宝馨钙钛矿/晶硅：黑晶光 电、天合、东方日升、通威钙钛矿/TOPCon/钙钛矿：中来1.3.2.叠层结构：2T 集 成 一 体化 与4-T 机械 堆 叠 各有 千 秋2-T 集 成一体化 4-T 机 械堆叠连 接方式 光学耦合+电学耦合（串联）光学 耦合+堆叠（并 联）电 流密度两 子电池电 流密 度相 等，取决 于较 小的 子 电池Jsc,tandem=MinJsc,bottom,Jsc,top子电池分别保持 最佳功率时的电流Joc,tandem=Joc,bottom+Joc,top开 路电压子电 池开 路电 压 之和Voc,tandem=Voc,bottom+Voc,top两子 电池 开路 电 压相等，取决于较小 的子电池Vsc,tandem=MinVsc,bottom,Vsc,top输 出功率 子电池输出功率 之和表：4-T机械堆叠与2-T集成一体化电学比较20请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明2.制备流程与设备：看好广泛PVD+先进ALD 设备 根据已公开专利，归纳 钙钛矿/晶 硅 叠 层 电 池 制 备 流 程：先 制 备 晶 硅 底 电 池，再 制 备 钙 钛 矿 顶 电 池，子 电 池 间 需 制 备 中 间 复合层/隧穿结。PERC 氧化硅和TOPCon 正面氧 化铝/氮化硅难以导电，需新增透明导电薄膜或NiO作为隧穿结以连接顶部钙钛矿电池；HJT 原结构顶部即为透明导电薄膜，理论上可直接承接钙钛矿顶电池，产业中可制备隧穿层优化叠层电池效率。表：钙钛矿晶硅叠层电池制备流程21资 料来源：隆基、爱旭、国家 电投等 公开专 利、天 风证券 研究所注：表格 为不完 全统计，皆为2-T 集成一 体化结 构叠层电 池的制 备流程2.1.制备流程：钙钛矿/晶 硅叠 层 电 池钙钛矿/PERC 叠层 电池制 备流程 钙钛矿/TOPCon 叠层电 池制备 流程 钙钛矿/HJT 叠层电池制 备流程PECVDPECVD/LPCVD PECVDALD|LPCVD PECVD刻蚀ALD 沉积氧化锡/蒸镀银磁控溅射/RPD/ALD磁 控 溅射/RPD/ALD蒸镀/喷涂/旋涂等涂布/喷涂/旋涂等蒸镀/ALD 等ALD 沉积氧化锡/蒸镀银激光开槽磁 控 溅射/RPD/ALD磁 控 溅射/蒸镀/丝网印刷双面制备本征非晶硅层下表面沉积p 型非晶硅层上 表面沉积n 型非晶硅 层上表面形成ITO 隧穿复 合层制备空穴传输层制备钙钛矿层制备电子传输层开槽制备透明导电层制备双面金属电极硅片两侧生成氧化硅层制备掺杂多晶硅层ALD 沉积氧化铝后去除沉积缓冲层沉积透明导电薄膜制备空穴传输层制备钙钛矿层制备电子传输层沉积缓冲层制备透明导电层制备双面金属电极LPCVD 沉积氮化硅层磁控溅射NiO 形成隧穿 结下表面制备透明导电层中 间层沉积 透明导电薄膜制备空穴传输层制备钙钛矿层制备电子传输层制备透明导电层制备双面金属电极除去氧化硅PERC 电池 根 据 已 公开 专 利，全 钙 钛 矿 叠 层电 池 的制 备 流程：先 制备 窄 带隙 底 钙钛 矿，随后 制 备隧 穿 复合 结，再制 备 宽带 隙 顶钙 钛 矿。制 备 隧 穿 复 合 结 包 括ALD 沉 积 氧 化 锡 致 密 层、磁 控 溅 射 制 备ITO 薄膜，随 着 产 业 对 全 钙 钛 矿 叠 层 电 池 的 研 究 越 发 深 入，未来或出现更多制备路径。表：全钙钛矿叠层电池制备流程22资 料来源：CN114914365A 一 种具有 倒置结 构的钙 钛矿/钙钛 矿叠层 太阳电 池、天风 证券研 究所注：表格 为不完 全统计，皆为2-T 集成一 体化结 构叠层电 池的制 备流程2.1.制备流程：全钙钛矿叠 层电池蒸镀磁控溅射蒸镀/喷涂/旋涂等丝网印刷/喷涂/旋涂等蒸镀/ALD 等ALD磁控溅射蒸镀/喷涂/旋涂等丝网印刷/喷涂/旋涂等蒸镀/ALD 等ALDPVD 磁控溅射/RPD/ALD丝网印刷/磁控溅射/蒸镀制备导电金属薄膜制备ITO 非金属 导电层制备空穴传输层制备ITO 薄膜制备空穴传输层沉积宽带隙钙钛矿制备电子传输层制备氧化锡缓冲层制备透明导电层制备顶部金属电极沉积窄带隙钙钛矿制备电子传输层制备氧化锡致密层图：全钙钛矿叠层电池结构制备顺序中 间层 4-T 机 械 堆 叠 结 构 叠 层 电 池：机 械 堆 叠 结 构 的 两 子 电 池 可 分 开 制 备，最 后 堆 叠 并 联 即 可。两子 电 池 之 间 须 有 绝 缘 层，以避免上下电池接触短路。表：4-T机械堆叠结构钙钛矿叠层电池制备流程23资料来源：CN218451112U 一 种 四 端 钙 钛矿 晶硅叠 层太阳 能电池、专 利 汇、天风 证券研 究所2.1.制备流程：4-T 机 械堆 叠 结构 叠 层 电池钙钛矿顶电池 底电池磁控溅射ITO涂布/喷涂等狭缝涂布等涂布/喷涂等卷对卷/喷涂/旋涂等制备柔性衬底薄膜制备透明电极制备电子传输层将底电池置于柔性衬底薄膜下，并联制备钙钛矿层制备空穴传输层制备透明电极制备底电池图：4-T机械堆叠钙钛矿/晶硅叠层电池结构 ALD 技 术多用于 叠层电 池中间 层，高 精度特 性助力 叠层电 池再攀 高峰。特点：ALD 是原子层 沉积技 术，其 优势是 三维共 形性好、精度 高、低 温工艺。应用：叠层 电池中 间层常 使用ALD 技术沉 积氧化 锡缓冲 层、致 密层、电子传 输层，另有实 验室将ALD 技术应用于 透明导 电层。优势：ALD 沉积的 薄膜紧 凑、共形、均匀，具有 高 效的空穴 阻挡能 力；硅 基 电池 200 C 时 a-Si:H 层会出现 不良的 H 迁移 率，使用ALD沉积SnO2代替需要500 退火的TiO2可有效 提升转 化效率。图：叠层 电池涉及ALD 技术的制备环节24 资 料来 源：各公 司公开 专利、天风证 券研究 所制备导电金属薄膜制备ITO 非金 属 导电 层制备空穴传输层制备ITO 薄膜制备空穴传输层沉积宽带隙钙钛矿制备电子传输层制备氧化锡缓冲层制备透明导电层制备顶部金属电极沉积窄带隙钙钛矿制备电子传输层制备氧化锡致密层全 钙钛矿双面制备本征非晶硅层下表面沉积p 型非晶硅层上表面沉积n 型非晶硅 层上 表面形成ITO 隧穿 复 合层制备空穴传输层制备钙钛矿层制备电子传输层开槽制备透明导电层制备双面金属电极下表面制备透明导电层钙 钛矿/HJT 钙 钛矿/TOPCon2.2.镀膜设备：高技术壁垒ALD，中 间 层崭 露 头 角硅片两侧生成氧化硅层制备掺杂多晶硅层ALD 沉积氧化铝后去 除沉积缓冲层（氧化 锡）沉积透明导电薄膜制备空穴传输层制备钙钛矿层制备电子传输层沉积缓冲层（氧化 锡）制备透明导电层制备双面金属电极LPCVD 沉积氮化硅层磁控溅射NiO 形成隧 穿结 先进ALD 技术壁垒高，设备价值量高。ALD 要 求 原 子 逐 层 沉 积，国 内 少 有 企 业 掌 握ALD 设 备 生 产 技 术，其 中 微 导 纳 米 是 钙 钛矿领域ALD 设备唯一上市公司，并且已公告获得钙钛矿叠层电池订单。表：钙钛矿电池ALD设备相关厂商25 资 料来 源：各公 司官网、理想 晶延HR 公众 号、企 查 查、全 球光 伏 公众 号 等、天 风证 券 研究 所2.2.镀膜设备：高技术壁垒ALD，中 间 层崭 露 头 角公司类型 公司名称 公司简介 钙钛矿电池领域动 态设备商微导纳米（已上市）成 立 于2015 年，以 原 子 层 沉积ALD 技 术 为 核 心，公 司 产 品 率先用 于 光伏 电 池片 生 产过 程 中的 薄 膜沉 积 环节，TOPCon电池ALD设备市占率高达70%-80%。20230201：公 司 已 取得 钙钛矿 异质结 叠层电 池订单。湖南红太阳成立于2009 年，隶 属 于 中 国 电 子 科 技 集 团 有 限 公 司，是国内最早 的光 伏装 备 研制 生产 单 位，具备 为行 业 量身 定制 高 效电池+智能制造集成方案和整线交钥 匙工程 的能力。20220725：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，多 家 一 线 光 伏 企 业 和 科 研 院所 项 目 正 在 洽谈中。理想晶延成立于2013 年，是 一 家 以 化 学 气 相 沉 积 技 术 为 核 心，覆盖半导体及泛半导体领域的高端 设备供应商，提供TOPCon产线包括：ALD 设备、管式PECVD 镀 膜 设 备、PE-Poly Si设备、低压扩散设备等。202212：公司2021 年起积极开展钙钛矿电池镀膜设备的研制，且在2022 年12 月 公 开 信 息 中 表 示：ALD 工艺沉积SnO2薄 膜 已 有 成 熟 客 户应 用 案 例，目 前 研 发 机 台 已 顺 利 出 货，中 试 机 型 也 获 得 多 家 行 业 一 线电 池 生 产 商 订单。众能光电成 立 于2015 年，掌握了钙钛矿光伏MW 级和GW 级 量 产 装 备 技术，曾 是 国 际 首 条kW 级 钙 钛 矿 光 伏 电 池 组 件 生 产 线 供 应 者。公司 产线 设备 下 线的 钙钛 矿 器件 曾多 次刷 新 大尺 寸钙 钛 矿光伏电池器件认证记录。20221105：公 司 目 前 已 完 成 平 米 级 大 面 积 产 业 化2 项，3 个 平 米 级 产业 化 项 目 正 在 交 付 中，已 与 国 内 大 型 企 业 和 知 名 高 校 科 研 机 构 累 计 完成近200 个 单 体 工 艺 设 备 交 付，包 括 涂 布 机、刮 涂 机、激 光 刻 蚀 机、PVD 和ALD 等。原速科技成立于2017 年，专 注 于 原 子 层 沉 积 系 统 工 艺 研 发
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