民生机械周报：钙钛矿电池的潜力

本周关注：埃斯顿、迈为股份、新强联、建设机械 本周核心观点：当前新能源、汽车行业景气度较高，带动设备需求旺盛。疫情期间压制的扩产需求有望批量释放，设备厂商有望收获批量订单。技术变革进行时，新技术、新工艺带来的设备需求不容忽视。 为实现太阳能的高效转化和利用，太阳能电池材料成为关键，钙钛矿材料成为最具备潜力的新型电池材料之一，成为市场关注热点。钙钛矿指一大类化合物，具有与矿物钙钛氧化物相同晶体结构，其化学成分简写为AMX3，其中A通常代表有机分子，M代表金属（如铅或锡），X代表卤素（如碘或氯）。钙钛矿太阳能电池，是采用具有钙钛矿晶体结构的有机无机杂化的金属卤化物半导体作为吸光层材料的电池，多用作太阳能电池，属于第三代太阳能电池，世界最高光电转换效率记录已达到25.2％，钙钛矿与晶硅叠层电池的效率已经达到29.15%。 钙钛矿电池研发不断推进，极限转换效率优势突出。在理论极限转换效率上，HJT和TOPCon极限效率分别为27.5%、28.7%；但是相比之下，钙钛矿电池单层电池、晶硅/钙钛矿双节叠层电池、三节层电池的理论转换极值分别可达到31%、35%、45%，转换效率随着钙钛矿材料的叠加使用，转换效率不断提升至新的高度。如果在钙钛矿中掺杂新型材料，钙钛矿电池的转换效率最高可达到50%，约为目前晶硅电池转换效率两倍以上。海外技术仍整体保持领先，牛津光伏是全球工人的钙钛矿叠层电池的全球领先企业，其工艺及原材料的专业技术受到200多个专利保护；同时德国柏林HZB也保持最高转换效率记录。国内企业不甘落后，技术发展提速，基本与国际先进水平同列。南开大学通过在迎光面引入倒金字塔陷光结构，并在钙钛矿电池中采用溶剂工程，使钙钛矿/晶硅叠层电池效率达到23.73%，创造我国该类电池最高效率。 国内钙钛矿电池产业链企业布局推进，未来可期。从设备端看，国内设备企业与下游该太阳电池企业强强联合，开展钙钛矿叠层电池技术开发战略合作，联合开发钙钛矿与叠层电池的工艺及相关设备（蒸镀设备）；同样也有其他的设备企业所研发生产的RPD设备也取得中试线订单，后续将深度开展整线设备的研发和推进等。除设备端外，国内光伏企业（包括通威股份、东方日升等）以及非光伏企业（包括宁德时代、聆达股份等）纷纷布局钙钛矿电池项目；同时，协鑫光电成为在钙钛矿太阳能电池组件中推进最快的企业之一，打造100MW量产线，推动钙钛矿的商业化进程；今年2月，由纤纳光电供货的全球首个钙钛矿光伏地面电站开工，该电站装机规模为12MW。国内企业纷纷布局钙钛矿，尝试抢占钙钛矿电池赛道的先发优势。 投资建议：建议关注在电池片电池技术上领先布局的设备公司。如迈为股份、帝尔激光、京山轻机、捷佳伟创等光伏设备企业等。 风险提示：技术路径变化；电池技术产业化进展不及预期；下游需求不及预期。 1上周组合 上周关注组合：迈为股份、帝尔激光、新强联、精功科技。截至2022年7月1日，周区间涨跌幅-5.86%，同期机械设备申万指数涨跌幅0.06%，同比跑输设备指数。从2021年11月21日组合开始至今，累计收益率-24.33%，跑输沪深300指数14.44pct，跑输申万机械指数5.28pct。 2钙钛矿材料是什么？ 为实现太阳能的高效转化和利用，太阳能电池材料成为关键，钙钛矿材料成为最具备潜力的新型电池材料之一，成为市场广泛关注的热点。 钙钛矿（Perovskite）指一大类化合物，具有与矿物钙钛氧化物相同晶体结构。 其化学成分简写为AMX3，其中A通常代表有机分子，M代表金属（如铅或锡），X代表卤素（如碘或氯）。其命名取自俄罗斯矿物学家Perovski的名字。钙钛矿晶体如今在超声波机器，存储芯片以及现在的太阳能电池中都可以找到。 钙钛矿太阳能电池（Perovskite SolarCells），是采用具有钙钛矿晶体结构的有机无机杂化的金属卤化物半导体作为吸光层材料的电池，多用作太阳能电池，属于第三代太阳能电池，也称作新概念太阳能电池。钙钛矿太阳能电池世界最高光电转换效率记录已达到25.2％，钙钛矿与晶硅叠层电池的效率已经达到29.15%。 图1展示了最为典型的杂化钙钛矿MAPbI（MA：CHNH）的晶体结构。 图2展示了钙钛矿电池结构：以反型平面钙钛矿电池为例，自下往上依次为：玻 图1：最典型的杂化钙钛矿MAPbI的晶体结构 图2：钙钛矿电池结构 3钙钛矿电池研发不断推进，极限转换效率优势突出 钙钛矿电池极限转换效率总体高于晶硅电池，优势突出。在理论极限上，晶体硅太阳能电池、普通单晶硅电池、HJT电池、TOPCon电池的极限转换效率为29.40%、24.50%、27.50%、28.70%。但是相比之下，钙钛矿电池单层电池、晶硅/钙钛矿双节叠层电池、三节层电池的理论转换极值分别可达到31%、35%、45%，转换效率随着钙钛矿材料的叠加使用，转换效率不断提升至新的高度。如果在钙钛矿中掺杂新型材料，钙钛矿电池的转换效率最高可达到50%，约为目前晶硅电池转换效率两倍以上。 图3：不同电池结构类型太阳能电池理论极限转换效率对比情况 德国柏林亥姆霍兹中心(HZB)创造迄今为止钙钛矿电池的最高转换效率。 2009年，日本科学家Tsutomu Miyasaka首次用钙钛矿光伏电池发电，当时电能转换效率仅3.8%；2019年，钙钛矿电池实现跨越式突破，转换效率迅速提升至25%；一年后，2021年11月，柏林亥姆霍兹中心(HZB)研发的钙钛矿串联电池转换效率高达29.8%，创造了至今为止钙钛矿电池最高纪录。 表1：钙钛矿/晶硅叠层电池效率进展 我国钙钛矿太阳能电池技术发展提速，基本与国际先进水平同列。我国钙钛矿太阳能电池技术在电池及组件转换效率在保持现有领先水平的技术上，不断突破纪录。从技术参数指标看，2022年2月，华东师范大学教授方俊锋团队与中科院宁波材料技术与工程研究所副研究员李晓冬合作，创造了新的反型钙钛矿电池效率世界纪录，转化效率首次实现大于24%；4月份，经中国计量科学研究院检测认证，极电光能研发团队在 300cm2 的大尺寸钙钛矿光伏组件上，创造了18.2%转换效率新的世界纪录。我国南开大学通过在迎光面引入倒金字塔陷光结构，并在钙钛矿电池中采用溶剂工程，使钙钛矿/晶硅叠层电池效率达到23.73%，创造我国该类电池最高效率。 从产业化推进的角度看，协鑫纳米作为我国钙钛矿电池项目进展最快的企业之一，创造截至2019年9月世界最大面积钙钛矿光伏组件之最、大面积钙钛矿组件效率之最，目前正在建设100MW级钙钛矿电池生产线。 表2：我国钙钛矿太阳能电池技术发展情况 4国内钙钛矿电池产业链企业布局推进，未来可期 （1）上市公司： 京山轻机：核心产品：蒸镀设备。公司通过集团募资，开展制备异质结和钙钛矿叠层电池的核心设备研发项目，旨在研制、开发光伏电池生产核心工艺设备，对现有业务与技术进行延伸和扩展。钙钛矿叠层电池设备方面，与下游钙钛矿电池领先企业强强联合，开展钙钛矿叠层电池技术开发战略合作，联合开发钙钛矿与叠层电池的工艺及相关设备，新产品研发正在稳步推进。2021年6月，公司定增募集5.4亿元，用于高端光伏组件设备扩产项目、制备异质结和钙钛矿叠层电池的核心设备研发项目以及补充流动资金。 捷佳伟创：核心产品：RPD设备。异质结和TOPCon、钙钛矿设备都是公司布局的方向，目前来看，在钙钛矿电池技术路线下，公司的RPD设备已取得钙钛矿中试线的订单，同时钙钛矿的整线设备已进入研发阶段。 宁德时代：电池中试线。2022年5月5日，公司钙钛矿光伏电池研究进展，正在搭建中试线。根据我们调研了解，宁德时代试图进军光伏产业的基础在于，钙钛矿的涂层方式与锂电池工艺的中的涂布较为相似，技术难度存在差异，但是部分原理或较为接近。 通威股份：叠层电池技术研发。为提高自主研发能力，把握未来核心技术、产品及应用领域的发展机遇，不断强化公司核心竞争力，公司在光伏各业务板块科研体系基础上成立光伏技术中心，组建以行业专家为主的科研技术团队，统筹推进光伏产业链各环节的技术研发与技术集成。2021年公司光伏技术中心重点开展新技术、新产品（如TOPCon、HJT）量产导入过程中的跨板块链接和集成工作，着力深化与国内外大学、研究所等科研机构的产学研合作，进一步加强对行业跨代技术、前沿技术（包括HBC、钙钛矿、叠层电池/组件、光伏+储能等技术）的跟进、研究和开发。根据公司公告，公司目前已布局两项钙钛矿电池相关专利技术：平面无掺杂异质结-钙钛矿叠层电池以及背接触无掺杂异质结-钙钛矿叠层太阳电池。 东方日升：钙钛矿叠层电池技术研发。公司该项目已取得阶段性成果，已应用于产线。公司最新的募投项目中的光伏研发中心项目，同样涉及钙钛矿相关的技术研发，计划能将终端产品的指标验证合格，进入市场销售，并产生一定的经济效益。 聆达股份：钙钛矿叠层电池技术研发。金寨嘉悦新能源科技有限公司为聆达邠的全资子公司，成立于2019年1月，是一家集研发、生产、销售高效晶硅PERC太阳能。公司项目总投资40亿元，占地522亩，规划建设10GW高效光伏电池项目，项目分三期建设，一期已建成投产3GW高效PERC晶硅电池项目；二期规划投资建设5GW 210兼容182TOPCon电池智能工厂；三期拟建设HJT异质结叠加钙钛矿电池项目。 万润股份：公司拥有涉及生产钙钛矿太阳能电池所需原料的部分专利，然而公司在该方面的专利不具备商业化条件。 拓日新能：正在进行杂化钙钛矿光电探测器的关键技术研发，钙钛矿研发项目正处于原有设备改造、使用寿命以及封装等技术试验测试阶段，未正式投产。 （2）非上市公司 协鑫光电：致力于打造全球第一条钙钛矿太阳能电池组件100MW量产线，推动钙钛矿的商业化进展，并且将组件面积扩大至 1m *2m ，目前可大规模量产的是 45cm *65cm 的产品 极电光能： 300cm ²的大尺寸钙钛矿光伏组件转换效率18.2%，6 3.98cm ²的钙钛矿光伏组件实现20.5%的光电转换效率。正在进行全球规模最大的150MW钙钛矿光伏组件试制线的建设，预计2022年建成投产。 纤纳光电：2022年2月15日，由纤纳光电供货的全球首个钙钛矿光伏地面电站开工，该电站装机规模为12MW。 此外，还包括合特光电（杭萧钢构子公司）、众能光电、曜能科技、中国华能集团清洁能源技术研究员有限公司、万度光能、锦能新能源等均在钙钛矿电池项目上有不同程度的布局。 5风险提示 1）技术路径变化：光伏电池及材料技术迭代较快，未来技术发展路径仍存在不确定性； 2）电池技术产业化进展不及预期：目前钙钛矿材料以及电池技术仍在实验室验证阶段，经济性和可靠性仍需要更长时间的产业验证； 3）下游需求不及预期：目前硅料价格依旧维持较高水平，或影响光伏下游需求不及预期。