光伏行业专题报告——钙钛矿电池：“黑科技”见曙光（二）
钙钛矿材料拥有独特的半导体材料性质，使其拥有更高的理论和实验室转换效率、更低的理论生产成本。新材云创专研新材料行业，应用利用数字技术，**企业、产业发展中的难题。特此推出《光伏行业专题报告——钙钛矿电池： “黑科技”见曙光》，展望钙钛矿电池及创新生态发展。
技术路线： 多种技术并存， 碲化镉最成熟
薄膜电池现已发展出包括碲化镉(CdTe)、铜铟镓硒(CIGS)、砷化镓 (GaAs)、非晶硅 (a-Si)、有机薄膜、钙钛矿等多种技术路线，其中碲化镉 (CdTe)技术最为成熟，钙钛矿技术效率提升速度最快。
图表1 主流薄膜电池技术对比
资料来源：SOLARMAGAZINE，东方财富证券研究所
1.2.1 非晶硅 (a-Si)
非晶硅薄膜电池是最早的也是最成熟的用于制作薄膜太阳能电池。Spear 和 LeComber 在 1975 年首次观察到非晶硅 (a-Si)中的掺杂，1976 年证明 出可以制造非晶硅薄膜电池。
非晶硅薄膜电池的结构最常采用的是 p-i-n 结构，此类结构能够避免由于**态密度较高造成的电池寿命较短的问题。非晶硅薄膜电池的优势在于原料充足、无毒、物美价廉，但存在转换效率低 (实验室/工业效率分别为 14%/ 6% 左右)和性能衰减严重(组件衰减 15%-25%) 等问题， 已经很难具备较强竞 争力，目前主要应用于小型电子产品。
图表2 非晶硅薄膜电池结构及成品
Energy Central，东方财富证券研究所
1.2.2 碲化镉 (CdTe)
CdTe 是目前技术成熟度最高的刚性薄膜电池。第一个 CdTe 薄膜电池是 由 RCA 实验室于 1976 年在CdTe 单晶上镀上 In 的合金制得的，其效率为2.1%。1982 年，Kodak 实验室用化学沉积法在 P 型的 CdTe 上制备一层超薄的 N 型 CdS，制备了效率超过 10%的异质结 p-CdTe/n-CdS 薄膜太阳能电池。这是现 在产业化碲化镉薄膜太阳能电池的原型。
CdTe 薄膜电池的沉积技术有多种路线，包括气相输运沉积(VTD)、近距 离升华(CSS)、常压物理气相沉积(APPVD)、溅射沉积、电镀沉积等，其中气 相输运沉积(VTD)技术和近距离升华(CSS)技术最适合于工业化生产。
CdTe 材料带隙宽度约1.45eV，与太阳光谱更匹配，其理论效率达 32%， 高于晶硅电池，目前 CdTe 薄膜电池的实验室效率已达 25.5%，国外商业化组 件效率达到 19%。
图表3 CdTe 薄膜电池结构及成品
Energy Central，东方财富证券研究所
1.2.3 铜铟镓硒 (CIGS)
CIGS 电池的前身是由波音公司于 1981 年制造的硒化铜铟(C**) 电池， 其效率为 9.4% 。1995 年，美国国家可再生能源实验室 (NREL) 的研究人员 将镓嵌入到 C** 基质中， 以制造出第一个 CIGS 薄膜太阳能电池， 其效率为 17.1 %。
CIGS薄膜电池是通过溅射工艺在基板上放置钼电极层来制造的。基板通 常由聚酰亚胺或金属箔制成，PN 异质结中的 P 掺杂层由 CIGS 制成，N 掺 杂缓冲层则由CdS 通过化学浴沉积形成。为了保护吸收层，会在 CdS 缓冲层 上方放置了一层 i-ZnO 本征窗口层,最后覆盖有由铝掺杂氧化锌 (Al: ZnO) 制 成的厚 AZO 化合物层，作为保护电池的 TCO 层。
近三年国内外 CIGS 技术发展缓慢，实验室效率最高记录保持在由 Solar Frontier 于 2019 年创造的 23.4%，商业组件的效率通常在 12%至 14%之间，二者离 33%的理论效率仍存在较大差距。
图表4 CIGS 薄膜电池结构及成品
NREL，ScienceDirect，东方财富证券研究所
1.2.4 砷化镓 (GaAs)
GaAs 材料早在 1954 年就被发现具有光伏效应，70 年代，随着 IBM 等公司及研究单位的参与，GaAs 作为光伏电池开始蓬勃发展。
目前，常用于 GaAs 制备的技术有几种， 主要有液相外延 (LPE) 和有机 化合物气相淀积 (MOCVD)等。此外，由于砷化镓晶圆直径通常为 4 ―6 英寸， 比硅晶圆的 12 英寸要小得多，需要通过磊晶技术和特殊机台进行制备，总体 而言 GaAs 电池技术工艺较为复杂。
GaAs具有更高的电子迁移率和电子饱和速度，这使得 GaAs 晶体管能够 在超过***GHz 的频率范围内工作。GaAs 电池被认为是理论效率最高的薄膜 电池，单结电池理论效率达到30%，多结电池理论效率超过 50% 。2021 年，研究人员使用了由 GaAs材料制成的薄膜电池，在单色光下获得 68.9％的转化 效率。
图表5 CIGS 薄膜电池结构及成品
NREL，AirforceTechnology，东方财富证券研究所
1.2.5 钙钛矿 (Perovskite)
钙钛矿电池是新一代太阳能技术，钙钛矿化合物可以通过改变材料来调整 以响应太阳光谱中的不同颜色，在光伏应用领域潜力巨大。2012 年，研究人 员首次利用卤化铅钙钛矿作为光吸收层来制造稳定的薄膜电池，其光电转换效 率超过 10%。
钙钛矿薄膜电池结构与晶硅电池的经典结构略有不同。钙钛矿电池可以使 用传统的 n-i-p或 p-i-n结构制造，将钙钛矿吸收层夹在空穴传输层 (HTL) 和电子传输层 (ETL) 之间，然后用玻璃覆盖透明层。目前最广泛技术是一步 法沉积，但也有不同的制造方法使用两步法沉积、气相辅助或热气相沉积。
钙钛矿电池未来有望成为晶硅电池的有力竞争者，在小面积实验室设备 中，钙钛矿的转化效率在过去五年中快速提升，已经超过了几乎所有的薄膜技 术( III-V 技术除外)。根据 NREL数据，截至 2022 年1月26日，单结钙钛矿器件的效率记录为 25.7%，串联钙钛矿-硅器件的效率记录为 29.8%。
图表6 钙钛矿薄膜电池结构及成品
Department of Energy，东方财富证券研究所
光伏行业专题报告——钙钛矿电池： “黑科技”见曙光聚焦钙钛矿电池的技术路线解析，敬请期待。
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