钙钛矿电池产业链深度报告I

中泰证券研究所专业｜领先｜深度｜诚信2022. 9 . 21差异化竞争，奠定产业化广阔前景——钙钛矿电池产业链深度报告I中泰机械首席分析师：冯胜执业证书编号：S0740519050004Email：fengsheng@r.qlzq.com.cn｜证券研究报告｜ 2•核心观点钙钛矿电池发展迅猛，产业化潜力巨大①钙钛矿电池是效率提升最快的光伏电池。自2009年钙钛矿电池面世以来，仅经过13年发展，其效率就从3.8%提升至25 .7%， 且理论极限效率（31%）高于晶硅电池（29 .4%）。钙钛矿电池相对晶硅电池具有耗材少、成本低、产业链紧凑、总投资少的优点；钙钛矿电池相对于其他化合物薄膜电池具有原料易获取、可迭代、 成本低的优点。②钙钛矿电池可与多种类型电池叠层以进一步提升转换效率，双结叠层电池的理论极限效率为46%。钙钛矿电池亮点突出，投产后可与晶硅差异化竞争①钙钛矿电池具备轻薄、透光性强、短波长吸光能力强、弱光效应好、可在柔性基材上制备的优点。基于这些特征，钙钛矿电池与晶硅电池存在差异化应用场景，其中BIPV（光伏建筑一体化）和CIPV（车载光伏）领域应用潜力最大。②在BIPV领域，钙钛矿电池相对晶硅电池具有安装方便、透光、低光照环境发电能力强的优点。根据测算，2025年钙钛矿电池在BIPV领域的装机量可达35GW，对应市场空间1472亿元。在CIPV领域，钙钛矿电池相对晶硅电池易于制备成匹配车身外形的曲面器件，且重量轻、透光性好，发展潜力巨大。根据测算，单车配备4平米钙钛矿发电组件，每天发电5小时，即可拥有20公里的续航增程。钙钛矿电池产业化初期，设备商受益目前钙钛矿电池中各功能膜层材料选型多样，各家钙钛矿电池生产商的工艺选型、设备构成也存在差异。但总体上钙钛矿电池的制造离不开磁控溅射设备、RPD、涂覆机、 蒸镀机、激光设备等。由于钙钛矿电池生产商大多不具备制造设备的能力，在产业化初期钙钛矿电池产能的增长将使钙钛矿电池设备商受益。仅考虑钙钛矿电池在BIPV领域的应用，2025年钙钛矿电池设备市场空间可达132亿元。建议重点关注钙钛矿电池相关标的①设备企业：捷佳伟创、京山轻机、杰普特 、帝尔激光、德龙激光、西子洁能（参股众能光电10%，众能光电为钙钛矿设备头部标的）；②材料企业：金晶科技（TCO导电玻璃）风险提示：钙钛矿技术推进不及预期、行业测算偏差风险、相关标的业务进展不及预期、相关标的业绩不及预期、研报使用的信息存在更新不及时风险。 目录一、钙钛矿电池介绍：新型化合物薄膜太阳能电池二、钙钛矿电池产业链分析：基于学术端和产业端视角三、钙钛矿电池市场空间测算：BIPV和CIPV四、钙钛矿电池产业化推进现状及受益个股3 41.1钙钛矿电池:新型化合物薄膜太阳能电池钙钛矿电池介绍钙钛矿电池是利用钙钛矿型材料作为吸光层的新型化合物薄膜太阳能电池。图表1：太阳能电池分类来源：前瞻产业研究院，中泰证券研究所 5图表2：钙钛矿材料晶体结构图表3：钙钛矿结构中A位B位X位均可迭代替换来源：物理学报，中泰证券研究所来源：Hybrid Perovskites; New Opportunities beyond Oxides，中泰证券研究所1.1钙钛矿电池:新型化合物薄膜太阳能电池钙钛矿材料是钙钛矿太阳能电池的核心。钙钛矿晶体为ABX3 结构， 一般为立方体或八面体结构。在钙钛矿晶体中，A离子位于立方晶胞中心，被12个X离子包围成配位立方八面体；B离子位于立方晶胞角顶，被6个X 离子包围成配位八面体。A离子和X离子半径相近，共同构成立方密堆积。钙钛矿层材质种类较多且成本低廉。ABX3结构的化合物，其中A位、B位、X位均可迭代替换，可选的材质种类众多。量产中钙钛矿层材料多采用有机无机杂化化合物，且厚度非常薄（0.1-0.5um)，相比晶硅电池（130-170um）耗材更少且成本低廉。钙钛矿电池介绍 61.2钙钛矿电池发展历程及发电原理钙钛矿电池介绍钙钛矿太阳电池是由染料敏化电池演化而来。第一块钙钛矿太阳电池诞生于2009年，实现了3.8%的效率 。但该电池存在严重缺陷：液态电解质会溶解或者分解钙钛矿敏化材料，使电池失效。2012年固态空穴传输材料（Spiro-M e OTA D）被引入到钙钛矿电池中，第一块全固态钙钛矿太阳电池面世，其电池效率达到9.7%。固态空穴传输材料的引入初步解决了液态电解质钙钛矿电池不稳定与难封装的问题。自此以后钙钛矿电池的研究都转向固态钙钛矿电池，钙钛矿电池的效率也得到长足发展。图表4：钙钛矿电池演化路径来源：Youtube,中泰证券研究所 71.2钙钛矿电池发展历程及发电原理单结钙钛矿型太阳能电池目前最高效率为25.7%，并且还有增长的趋势。单结钙钛矿电池是指结构简单的非叠加电池。钙钛矿电池转换效率受到肖克利-奎瑟极限的限制，其单结极限效率为31%。钙钛矿电池自2009年第一次面世到如今，其效率提升速度是所有光伏技术中最快的。钙钛矿电池仅用10年时间就取得了其它光伏电池几十年才实现的成就。图表5：光伏电池最高效率演化（单结）图表6：钙钛矿电池效率发展历程来源：NREL，中泰研究所来源：Nature Reviews Materials，，中泰证券研究所钙钛矿电池介绍 81.2钙钛矿电池发展历程及发电原理钙钛矿电池发电原理：当光照在钙钛矿材料上，太阳光强度大于其禁带宽度时，钙钛矿吸收光子产生电子–空穴对。电子通过电子传输层(ETL)最后被TCO收集；空穴通过空穴传输层(HTL)最后被电极收集。最后将TCO与电极连接成电路，宏观上产生光电流。图表7：钙钛矿电池发电示意图（正式/反式）图表8：钙钛矿电池发电原理(正式）来源：Youtube，中泰证券研究所来源：能源新闻网，中泰证券研究所钙钛矿电池介绍 91.3钙钛矿电池与晶硅电池比较钙钛矿电池相对晶硅太阳能电池优势：轻薄、柔性、透光性强、短波长范围内吸光能力强。钙钛矿电池介绍图表9：钙钛矿电池与晶硅电池性能对比来源：众能光电，中泰证券研究所条目钙钛矿电池晶硅电池单结最高效率25.7%26.7%效率上限31%29.4%器件厚度500nm>150um透光性20%~55%无吸光范围350~800nm400~1200nm禁带宽度~1.4，且可调1.1弱光效应强，阴雨天等低光照环境正常工作弱，阴雨天及低光照环境基本不工作柔性易制备为柔性电池难以制备为柔性电池 10图表10：钙钛矿电池与晶硅电池产业链比较来源：众能光电，中泰证券研究所1.3钙钛矿电池与晶硅电池比较钙钛矿电池产业化效率目前为15.5%，当产能扩大到1GW以上时，组件成本可达0.7元/W左右(协鑫光电口径)；与此对应，PERC电池平均转换效率为22.8%，组件成本1.95元/W。钙钛矿电池具备轻薄、透光性强、短波长吸光能力强、弱光效应好、可在柔性基材上制备的优点。基于这些特点，钙钛矿电池与晶硅电池存在差异化应用场景，其中BIPV（ 光伏建筑一体化）和CIPV（车载光伏）领域应用潜力最大。钙钛矿电池产业链比晶硅电池短，总投资比晶硅电池低。晶硅电池从无到有需要经历硅料、硅片、 电池、 组件四个环节，总投入接近10亿；钙钛矿电池在一个厂房就可以完成生产，总投入5亿元。钙钛矿电池介绍 11图表11：理论上可能形成钙钛矿结构的元素图12：钙钛矿电池与薄膜电池成本比较来源：npjComputational Materials，中泰证券研究所来源：Energy & Environmental Science，中泰证券研究所1.3钙钛矿电池与其他化合物薄膜电池比较钙钛矿电池相对其他化合物薄膜电池的优势钙钛矿材料中A位、B位、X位均可迭代替换，可选用的材质种类众多。钙钛矿电池相对于其他化合物薄膜电池（如C d Te、CIGS电池等）具有原料易获取、可迭代、成本低的优点。钙钛矿电池介绍 121.4钙钛矿电池产业化瓶颈与对策瓶颈一：钙钛矿电池转换效率随面积增大而衰减严重原因：大面积制备时，钙钛矿电池面积厚度比极大（103~106），膜质量（平整度、致密性等）难以保证效率衰减：当单结钙钛矿电池面积从0.1 cm2增加到约10 cm2时，实验室效率从25.5%下降至19.6%。瓶颈二：钙钛矿电池发电不稳定：1.钙钛矿电池发电效率随使用时间下降，传统晶硅电池可持续发电20-25年，而钙钛矿电池因其不稳定性难以持续长时间发电；2. 钙钛矿电池会与水、氧发生反应，潮湿环境中极易快速降解。钙钛矿电池介绍图表13：2020年不同面积的钙钛矿电池效率图表14：不同类型电池效率随面积增加的变化情况来源：Nano-micro Letters，中泰证券研究所来源：Nature Reviews，中泰证券研究所 131.4钙钛矿电池产业化瓶颈与对策钙钛矿电池大面积制备转换效率低是一个工程问题。瓶颈一对策：可以从干法大面积成膜、磁控溅射工艺优化、激光划线技术优化等角度尝试解决该问题。产业上也在积极推进钙钛矿电池面积的提升：众能光电已实现550*650mm尺寸的组件稳定效率15.5%；明年计划实现1100mm*1300mm尺寸的组件，预计效率18%。钙钛矿电池发电稳定性差是一个机理问题。瓶颈二对策：解决方法：1.优化材料、加强封装，提高钙钛矿电池长时间稳定性。2.优化材料、优化界面，提高钙钛矿电池水氧稳定性。钙钛矿电池介绍 14目录14一、钙钛矿电池介绍：新型化合物薄膜太阳能电池二、钙钛矿电池产业链分析：基于学术端和产业端视角三、钙钛矿电池市场空间测算：BIPV和CIPV四、钙钛矿电池产业化推进现状及受益个股 152.1单结钙钛矿电池结构以及材料分析钙钛矿电池产业链分析钙钛矿电池结构主要分为介孔结构、正式平面结构、反式平面结构。正式平面结构的钙钛矿器件有利于提升其光电转换效率，多用于学术领域；反式平面结构的钙钛矿器件便于制备，被广泛用于产业领域。图表15：钙钛矿电池典型结构来源：中国科学，中泰证券研究所介孔结构正式平面结构反式平面结构 162.1单结钙钛矿电池结构以及材料分析钙钛矿电池产业链分析平面结构的钙钛矿电池包含以下功能层：TCO导电玻璃、电子传输层(ETL)、钙钛矿层、空穴传输层(HTL)以及背电极。平面结构的钙钛矿电池主要分为正式（n-i-p）和反式（p-i-n）两种类型。反式结构的电子传输层（n型半导体）和空穴传输层（p型半导体）的位置不同。图表16：正式钙钛矿电池结构图表17：反式钙钛矿电池结构来源：ADVANCED ENERGY MATERIALS，中泰证券研究所来源：ADVANCED ENERGY MATERIALS，中泰证券研究所光束光束 172.1单结钙钛矿电池结构以及材料分析结构端：反式钙钛矿电池便于制备，多用于产业化1.反式钙钛矿电池制备工艺更加简单。常规的正式器件通常需要介孔氧化物作为电子传输层，其制备工艺相对复杂。反式结构器件可低温成膜且无明显迟滞效应。2.反式钙钛矿电池的效率逐步接近正式钙钛矿电池，已经可以达到24.3%（最新认证效率）3.反式钙钛矿电池与柔性基底的兼容性更好，也适合与传统太阳能电池结合制备叠层器件，提升光电转换效率。材料端：全无机钙钛矿电池受到产业青睐全无机钙钛矿电池热稳定性优异、载流子迁移率高。目前无机钙钛矿电池的效率已经超过20%，其出色的光电特性也使得其产业化成为可能。图表18：反式钙钛矿太阳能电池效率演化图表19：全无机钙钛矿太阳能电池效率演化来源：化学学报，中泰研究所来源：wikipedia，中泰证券研究所钙钛矿电池产业链分析 18图表20：电子传输层常用材料来源：公开资料整理，中泰证券研究所2.1单结钙钛矿电池结构以及材料分析TCO导电玻璃：产业上常用ITO、FTO等材料。电子传输层：接受携带负电荷的电子载流子并传输的结构。学术端常用材料：金属氧化物、有机小分子或者复合材料，产业端多采用SnO2、富勒烯及氧化物。钙钛矿层：产业上多采用FA（甲脒）系、铯系、多元材料系化合物。MA（甲胺）系材料因为稳定性较差，产业上已不再使用。钙