光伏电池技术百花齐放，谁是未来的天选之子？

作者 | 王豪

编辑 | 叶林旗

技术变革是光伏成本下降的最大驱动力，在光伏产业链众多环节中，电池环节是技术进步的核心。太阳能电池实验室效率从1954年诞生时的6%提升到如今的31.25%（串联硅钙钛矿），同时太阳能电池发展历经三代：晶硅、薄膜、新型太阳能电池。光伏电池技术百花齐放，谁是未来的天选之子？

光电效应首先由德国物理学家海因里希·赫兹于1887年发现，爱因斯坦第一个成功的解释了光电效应（金属表面在光辐照作用下发射电子的效应，发射出来的电子叫做光电子）。实际上，太阳能电池的工作原理并不是简单的光电效应，而是它的小弟——“光生伏特” 效应。

“光生伏特”效应是光伏发电的原理，它的发现使人类利用太阳能发电成为可能。

1839年，法国贝克勒尔做物理实验时，发现了“光生伏特”效应。1954年，贝尔实验室研制成功第一个实用价值的硅太阳能电池，纽约时报把这一突破性的成果称为“无限阳光为人类文明服务的一个新时代的开始”。

“光生伏特”效应指的是半导体在受到光照的条件下，光子能量激发价带内的束缚电子穿过禁带到达导带成为自由电子，并在价带中留下空穴，形成为空穴-电子对，从而改变了材料的载流子浓度。在有外电路接入的情况下，电子和空穴少数载流子在扩散作用和PN结内建电场的共同的作用下按照特定的方向移动，从而产生电流。

根据CPIA数据，光电转化效率每提升1%对应度电成本下降5%-7%，因此，尽可能高的提高光电转换效率是太阳能电池技术革新的目标。

光学损失和电学损失是影响光伏效率的重要因素。因此，光伏电池片的技术发展主要有两个方向：

尽管电池的材料和结构多种多样，但效率提升原理万变不离其宗，最终都归结到减少电学损失和减少光学损失两种路径之上。

当前市场的主流技术路径仍是第二阶段的PERC，未来2-3年PERC可能仍为市场主流，但其产线扩张已进入尾声。随着异质结（HJT）、TOPCon设备的成熟，太阳能电池将逐步进入第三阶段和第四阶段。HJT、TOPCon是太阳能电池产业化发展到第三阶段的代表，而钙钛矿-异质结、钙钛矿-TOPCon叠层电池是第四阶段的支柱。

▲ 从光电转换效率看：单结钙钛矿太阳能电池（PSCs）当前最高转换效率达25.7%，理论转化效率可达31%。单结PSCs指只有一个PN结的钙钛矿太阳能电池，多结PSCs指有多个PN结的钙钛矿太阳能电池，多结的PSCs光谱吸收效果更好、效率更高，但成本也更高。理论上，单结PSCs最高光电转换效率可达31%，多结PSCs最高光电转换效率可达47%，显著高于晶体硅太阳能电池的29.4%。

根据光电转换的理论效率，多结PSCs有可能成为未来的太阳能电池的天选之子。当前钙钛矿实验室光电转换效率和理论极限仍有差距。最近由洛桑联邦理工学院(EPFL)和瑞士电子与微技术中心(CSEM)共同创造了钙钛矿-硅叠层光伏电池新的世界纪录，达到31.3%。

▲ 从制造成本看：钙钛矿太阳能电池（PSCs）产业链显著缩短，原材料到组件仅需45分钟。晶硅电池在四个不同工厂内分别加工硅料、硅片、电池、组件，此过程需要至少耗时3天。PSCs产能投资是晶硅的二分之一，1GW仅为5亿元。据协鑫光电总经理范斌指出，晶硅1GW的产能（硅料、硅片、电池、组件）投资在11.6亿。

此外，PSCs原材料纯度要求低且十分易得，用量亦低于晶硅类。钙钛矿太阳能电池的原材料均为基础化工材料，不含稀有元素。晶硅类太阳能电池对硅料纯度要求需达99.9999%，而钙钛矿材料对杂质不敏感，纯度在90%左右的钙钛矿材料即可制成转换效率在20%以上的太阳能电池，95%纯度的钙钛矿即可满足生产使用需求，原材料更加易得。

诚然，从光电转换效率和制造成本上看，钙钛矿太阳能电池（PSCs）前途光明，但其产业化还面临一些挑战。

稳定性是制约钙钛矿太阳能电池产业化的重要因素。钙钛矿太阳能电池作为历史上发展最快的光伏技术，在效率及成本端均较晶硅类电池有优势，但主要缺点是寿命短（稳定性低）。目前钙钛矿太阳能电池的T80寿命（效率下降到初始值的80%）约4000小时，距当前主流光伏技术的25年寿命相差甚远。

从原因来看，钙钛矿太阳能电池不稳定的原因可以分为吸湿性、热不稳定性、离子迁移等内在因素，和紫外线、光照等外在因素。这需要设备及镀膜等上下游环节共同发力才能解决这样的世纪性难题。

此外，目前PSCs大面积模块的效率仍远低于小面积，是制约产业化的另一难题。小面积电池与大面积模块之间存在显著效率差距的原因主要有：

事物的发展是前进性与曲折性相统一，但总归是向前发展的。学术端，科研团队在不断探索最具竞争力和性价比的技术路线。产业端，钙钛矿厂商订单先行，部分已经成功交付。

数据来源：ifind

在二级市场，钙钛矿指数推出后，资本市场对钙钛矿热度一直不减。资本市场对隧穿氧化层钝化接触（TOPCon）太阳能电池的热度更高，这得益于TOPCon电池与当前主流的PERC电池产线有着良好的兼容性，技术工艺也相对更加成熟，耗材综合成本较低，盈利能力相对较强，目前已经具备量产性价比。

光伏电池的光电转换效率、稳定性、产业化是未来发展的核心。在当前阶段，TOPCon电池相对占优，已经具备了量产性价比。钙钛矿电池尚在产业化初期，距离量产还有一定距离。事物的发展是前进性与曲折性相统一，但总归是向前发展的。钙钛矿太阳能电池凭借高效率、低成本和日益提升的稳定性，将逐步提高在全球光伏市场的渗透率。

参考资料：http://news.sohu.com/a/564823282_121124363

兴业证券经济与金融研究院、国信证券经济研究所、信达证券研发中心、浙商证券研究所