瞻觀前沿

韓國能源研究所光伏研究部與KIER能源人工智能和計算科學(xué)實驗室合作，擁有顯著先進的半透明鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)，達到破紀錄的21.68%，成為全球使用透明電極的鈣鈦礦太陽能電池中效率最高的。此外，它們還表現(xiàn)出卓越的耐用性，研究表明，在黑暗儲存400小時和連續(xù)照明操作條件下240小時以上，其初始效率仍保持在99%以上。

這一突破旨在增強太陽能電池在窗戶和串聯(lián)配置中的應(yīng)用，解決了到2050年實現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。通過創(chuàng)新研究，該團隊提高了這些電池的穩(wěn)定性和效率，為太陽能領(lǐng)域做出了重大貢獻活力。

研究人員利用電光分析和原子級計算科學(xué)來確定半透明鈣鈦礦太陽能電池制造過程中電荷傳輸特性和穩(wěn)定性降低的原因。通過這一點，他們發(fā)現(xiàn)，為了增加空穴傳輸層的電導(dǎo)率而添加的鋰離子(Li)會擴散到用作緩沖層的金屬氧化物層中，最終將金屬氧化物緩沖層的電子結(jié)構(gòu)改變?yōu)榻档推涮匦浴?/p>

此外，除了確定原因外，研究人員還通過優(yōu)化空穴傳輸層的氧化時間來解決問題。他們發(fā)現(xiàn)，通過優(yōu)化氧化將鋰離子轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的氧化鋰(LixOy)可以緩解鋰離子的擴散，從而增強器件的穩(wěn)定性。這一發(fā)現(xiàn)表明，鋰氧化物，以前被認為是一種簡單的反應(yīng)副產(chǎn)物，可以在提高效率和穩(wěn)定性方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。

該研究的負責(zé)人、光伏研究部的Ahn SeJin博士表示，這項研究代表了該領(lǐng)域的重大進展，通過檢查有機化合物和金屬氧化物緩沖層界面處發(fā)生的降解過程，這是獨特的半透明鈣鈦礦太陽能電池，并補充道，我們的解決方案易于實施，展示了我們開發(fā)的技術(shù)未來使用的巨大潛力。

圖片來源：韓國能源研究所

技術(shù)價值觀察

太陽能電池產(chǎn)業(yè)鏈一般包括上游的原材料，如硅片、銀漿、純堿、石英砂等，以及將原材料進行加工，制造成硅棒、硅錠和硅片等;中游分為兩大部分，光伏電池板及光伏組件;下游為太陽能電池，光伏的應(yīng)用領(lǐng)域，包括電站系統(tǒng)的集成和運行。目前中國太陽能行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈較為完整，市場需求量大。

韓國科學(xué)家實現(xiàn)半透明鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)的顯著突破，實現(xiàn)了世界領(lǐng)先的21.68%效率。因此，從太陽能電池產(chǎn)業(yè)鏈上看，該電池技術(shù)處于產(chǎn)業(yè)鏈的中游電池環(huán)節(jié)。

宏觀市場觀察

——全球太陽能電池技術(shù)來源國分布：中國占比最高

目前，全球太陽能電池第一大技術(shù)來源國為中國，我國太陽能電池專利申請量占全球太陽能電池專利總申請量的42.31%;其次是日本，日本太陽能電池專利申請量占全球太陽能電池專利總申請量的20.70%。韓國和美國分別排名第三和第四，占比也均超過10%。

——全球太陽能電池行業(yè)專利申請人競爭：LG電子株式會社奪得桂冠

全球太陽能電池行業(yè)專利申請數(shù)量TOP10申請人分別是LG電子株式會社、浙江愛旭太陽能科技有限公司、廣東愛旭科技有限公司、松下知識產(chǎn)權(quán)經(jīng)營株式會社、鐘淵化學(xué)工業(yè)株式會社、蘇州阿特斯陽光電力科技有限公司、夏普株式會社、阿特斯陽光電力集團股份有限公司、太陽電子公司和天合光能股份有限公司。

其中，LG電子株式會社太陽能電池專利申請數(shù)量最多，為932項。浙江愛旭太陽能科技有限公司排名第二，其太陽能電池專利申請數(shù)量也超過600項。

——太陽能電池分類

太陽能電池可以分為三類：第一代晶硅電池、第二代化合物薄膜電池以及第三代新型電池。鈣鈦礦電池屬于第三代新型太陽能電池，具有原料無毒且儲量豐富、成本低、工藝簡單且可柔性制備等優(yōu)點，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展?jié)摿薮?，目前發(fā)展仍處于中試線階段。

——鈣鈦礦電池發(fā)電原理為光生伏特效應(yīng)

鈣鈦礦太陽能電池是利用鈣鈦礦型的有機金屬鹵化物半導(dǎo)體作為吸光材料的太陽能電池，其發(fā)電原理基于半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)，利用電子和空穴對產(chǎn)生電流。鈣鈦礦電池器件的工作機制總體可以被劃分為五個過程：光子吸收過程、激子擴散過程、激子解離過程、載流子傳輸過程以及電荷收集過程。經(jīng)過五個過程后，自由電子通過電子傳輸層后被陰極層收集，自由空穴通過空穴傳輸層后被陽極收集，兩極形成電勢差，電池與外加負載構(gòu)成閉合回路，回路中形成電流。

——鈣鈦礦電池理論極限轉(zhuǎn)換效率高

從技術(shù)路線來看，鈣鈦礦電池主要有單結(jié)鈣鈦礦電池和疊層鈣鈦礦電池。如果一個鈣鈦礦電池只有鈣鈦礦本身的三明治結(jié)構(gòu)，那么就是單結(jié)鈣鈦礦電池。所謂疊層鈣鈦礦電池，是指鈣鈦礦層可以堆疊在彼此之上，也可以堆疊在傳統(tǒng)晶硅太陽能電池之上，形成能夠吸收更寬太陽光譜的串聯(lián)電池。按照不同材料的堆疊，疊層鈣鈦礦電池的技術(shù)路線有晶硅/鈣鈦礦疊層電池、全鈣鈦礦疊層電池、薄膜電池(如銅銦鎵硒)/鈣鈦礦疊層電池等。

鈣鈦礦電池擁有更高的理論轉(zhuǎn)換效率，未來發(fā)展空間更大。追求持續(xù)的降本增效一直是光伏行業(yè)發(fā)展的主旋律，目前晶硅電池越來越接近29.4%的理論極限，發(fā)展?jié)摿τ邢?而鈣鈦礦電池擁有更高的31%理論轉(zhuǎn)換效率上限，且可與其他電池進行雙結(jié)、三結(jié)疊層，分別達到35%和45%的轉(zhuǎn)換效率。

——太陽能電池產(chǎn)業(yè)將進入整合階段

十四五規(guī)劃提出要構(gòu)建現(xiàn)代能源體系，推進能源革命，建設(shè)清潔低碳、安全高效的能源體系，提高能源供給保障能力。大力提升光伏發(fā)電規(guī)模，加快發(fā)展東中部分布式能源，建設(shè)一批多能互補的清潔能源基地，十四五期間非化石能源占能源消費總量比重提高到20%左右。

2021年5月11日，國家能源局發(fā)布《關(guān)于2021年風(fēng)電、光伏發(fā)電開發(fā)建設(shè)有關(guān)事項的通知》，明確提出2021年全國風(fēng)電、光伏發(fā)電發(fā)電量占全社會用電量的比重達到11%左右，后續(xù)逐年提高，確保2025年非化石能源消費占一次能源消費的比重達到20%左右。

隨著我國太陽能電池行業(yè)的快速發(fā)展，光伏技術(shù)的不斷成熟，太陽能電池產(chǎn)品發(fā)展將趨于智能化、輕量化和集成化;而行業(yè)補貼的不斷滑坡，將不斷促使行業(yè)的市場化發(fā)展，因此降低成本仍將是行業(yè)發(fā)展未來幾年的主題，并且在這一大背景下，行業(yè)整合將進一步加劇，企業(yè)間兼并重組事件數(shù)量預(yù)計將大幅增加。

——需求將推動太陽能電池產(chǎn)量持續(xù)快速增長

認為2021年我國太陽能電池行業(yè)產(chǎn)量將隨著碳中和碳達峰政略的落實以及全球?qū)Νh(huán)保能源需求的快速增加，從而繼續(xù)保持高增長，行業(yè)產(chǎn)量將突破23000萬千瓦。在隨后的幾年，我國太陽能電池行業(yè)雖然將受國家補貼下滑的負面影響，但由于整體綠色能源市場需求潛力巨大，因此太陽能電池需求仍將快速增長，而更多的則是行業(yè)內(nèi)部的兼并重組，企業(yè)通過這一形式獲取規(guī)模收益。預(yù)計2027年，我國太陽能電池產(chǎn)量將達到85000萬千瓦，年復(fù)合增速約30%。

中國太陽能電池技術(shù)賽道熱力圖

 

根據(jù)產(chǎn)業(yè)熱力圖顯示，與太陽能電池關(guān)鍵技術(shù)強關(guān)聯(lián)的城市集群主要集中在華東和華南地區(qū)，并且以江蘇、廣東省為重點發(fā)展區(qū)域，未來布局太陽能電池技術(shù)及其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展路徑，極大可能性在于華東華南優(yōu)先導(dǎo)入，其中可重點關(guān)注江蘇省揚州市高郵市、廣東省深圳市福田區(qū)、龍華區(qū)、寶安區(qū)所處太陽能電池的相關(guān)企業(yè)，以及該地方對于太陽能電池的產(chǎn)業(yè)發(fā)展投資環(huán)境、供給市場的潛力空間。

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