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2024-06-05 返回

鈣鈦礦電池工藝技術概述

過去在60多年的時間里，已經有三代太陽能電池發展出來。第一代是以硅材料為基本材料的太陽能電池，是目前最成熟的主流商業電池；第二代是薄膜太陽能電池，以銅銦鎵硒(CIGS)、碲化鎘(CdTe)電池為代表，相比第一代具有厚度薄、光電轉化效率高等的優勢，但部分因素也限制了這類電池的發展，如部分材料儲量稀少或有毒性，制備過程復雜等；第三代為新型太陽能電池，主要包括鈣鈦礦太陽能電池、染料敏化太陽能電池、有機太陽能電池和量子點太陽能電池。

鈣鈦礦電池在2009年才首次誕生，但因其在理論轉換效率、發電能力、低生產成本、多應用場景等方面的優秀潛力，在學術界和產業界受到了大量的關注和重視。從2021年到2022年，鈣鈦礦領域投資額已經接近100億元。在之前的幾年中，據Web of Science統計，其上所發表研究的鈣鈦礦文章的數量增加到了驚人的10000篇/每年。

和晶硅電池一樣，鈣鈦礦電池產業化進程將經歷從0-1再從1-N過程，即從實驗室、中試線、100MW產線到GW量產線逐步實現大規?；?。目前鈣鈦礦電池產業仍處于從0-1階段，但產業化進程不斷提速。

一、單節鈣鈦礦電池工藝技術

1. 技術路線

單結鈣鈦礦電池作為薄膜電池的一種，為各類膜層堆疊三明治結構。其中，鈣鈦礦電池吸光層制備工藝總體參照硅基薄膜、銅銦鎵硒薄膜等薄膜光伏制備工藝，分為濕法工藝和干法工藝兩大類。其中，濕法工藝又包括狹縫涂布和絲網印刷。

濕法工藝溶液涂布法具有原料利用率高，成本較低，生產速率快，設備兼容度較高，鈣鈦礦層配方變化對涂布設備無底層改動要求等優勢；而干法工藝真空鍍膜法具有大面積厚度和均勻性更好控制，對基底平整度要求低等優勢，理論上或適合晶硅疊層路線。

通常情況下鈣鈦礦電池企業在實驗室階段各種技術路線均會嘗試進行初步論證，而走向大面積100MW中試產線時目前大多數企業選用濕法工藝進行鈣鈦礦組件制備，少數企業選擇干法或涂布加蒸鍍兩步法工藝。無論選擇哪種工藝技術路線，都還需要時間進行工藝包優化論證為實現GW級規模產業化做準備。

除吸光層外，單結鈣鈦礦電池核心層還包括電子傳輸層、空穴傳輸層。電子傳輸層和空穴傳輸層沉積技術路線較為相似，基本包括PVD（包含磁控濺射和蒸鍍法），反應等離子沉積（RPD）和狹縫涂布三種。目前，產業界制備鈣鈦礦核心層主流路線包括PVD→>狹縫涂布（絲網印刷）→>RPD（PVD）、PVD→>PVD（氣相沉積）→RPD（PVD）、PVD→狹縫涂布+PVD（蒸鍍）→>RPD（PVD）三大類，不同技術路徑均有優缺點，尚未形成統一的技術路徑。

2. 涂布法鈣鈦礦電池整線工藝流程

涂布法鈣鈦礦電池整線生產工藝，分為前段電池制備和后端組件封裝，累計超過30多個環節。前段工藝主要包括前電極制備、激光劃線、鈣鈦礦吸光層、電子傳輸、空穴傳輸、背電極制備等，其中鈣鈦礦吸光層最為關鍵。后段工藝主要包括膠帶貼合，丁基膠涂敷、層壓及接線盒焊接、檢測等工序。

二、鈣鈦礦疊層電池工藝技術

1. 晶硅/鈣鈦礦疊層電池

目前，TOPCon憑借較高的性價比、提效路徑清晰等優勢，率先大規模量產，進入推廣紅利期。相比TOPCon電池，異質結有更高的理論轉換效率、更簡化的工藝流程。TOPCon和異質結效率提升已趨近物理極限，與鈣鈦礦電池疊層將進一步推動光伏電池技術迭代發展。

目前晶硅/鈣鈦礦疊層電池處于研究階段，在電池結構，制備工藝以及效率和成本上都將發生變化其中高效雙端鈣鈦礦/TOPCon疊層電池技術挑戰包括：1）TOPCon底電池P+發射極結構及鈍化性能提升：2）TOPCon底電池n+poly界面形貌及光學性能提升：3）鈣鈦礦頂電池正面光學性能提升。

目前業界鈣鈦礦/TOPCon疊層電池企業研發如下針對性改善：1）單面拋光為鈣鈦礦生長提供低粗糙度平面，提升鈣鈦礦頂電池成膜品質和效率，同步提升TOPCon的Voc（鈍化性能）和效率：2）超薄Poly-Si（多晶硅）減小吸光損失。Poly- Si可減薄至小于15nm,提升疊層電池效率，提升疊層電池穩定性。另外，TOPCOn電池高溫制備，穩定性好，鈣鈦礦傳輸層可選擇穩定性更好的高溫制備膜層。

異質結/鈣鈦礦面臨的工藝難點主要是電池絨面晶硅保角鈣鈦礦沉積，HJT與鈣鈦礦層，從器件結構，制備工藝和關鍵裝備上二者完全匹配，只需要在低溫金屬化工藝之前增加四道鈣鈦礦工藝即可完成疊層制備。

2. 薄膜/鈣鈦礦疊層電池

CIGS是傳統商業薄膜電池技術之一，窄帶隙寬度可調，能與鈣鈦礦頂電池帶隙匹配。CIGS電池的典型結構為襯底/Mo/CIGS(p型)/CdS(n型)/ZnO，這種極性結構限制了頂部鈣鈦礦只能是p-i-n(反式)結構。CIGS通常通過真空方法沉積，導致表面粗糙，因此挑戰之一是在粗糙的CIGS電池表面保形生長鈣鈦礦頂子電池，或通過增加表面后處理工藝或者優化CIGS吸收層的沉積工藝改善表面粗糙度。