钙钛矿专题：商业化进程加速，关注设备投资机会

⑴钙钛矿：第三代太阳能电池，商业化进程有望提速 钙钛矿是具有革命性的新材料。钙钛矿太阳能电池是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体（具有ABX3的化学通式）作为吸光材料的太阳能电池。钙钛矿电池具有效率上限高、成本低、可叠层、柔性四大优势，是具有革命性的新材料。 效率、稳定性为商业化核心因素，正处于快速改善阶段。效率方面，钙钛矿（小面积）实验室效率提升迅速，已经远超晶硅电池极限效率；大面积钙钛矿生产线转化效率亦有望持续提升，协鑫光电规划自身组件效率于2023年达18%；于2024年达20%；于2025年达22%。 稳定性方面，当前国内外的研究中，最大光功率输出点MPP处的长期运行稳定性已经长达几千个小时；纤纳光电α组件已顺利通过IEC61215、IEC61730稳定性全体系认证，可在双85测试下工作1000小时。 钙钛矿商业化进程提速。截至目前，国内已有三条百兆瓦级别的钙钛矿光伏组件产线建成（协鑫光电、纤纳光电、极电光能），多条百兆瓦产线、GW级产线正在推进中。根据我们的不完全统计，2022年钙钛矿产能约为0.47GW，2023/2024年有望达到1.16/4.47GW。在技术与资本的双重推进下，我们认为多条GW级别生产线有望于2023年招标，2-3年内落地。 ⑵单节钙钛矿电池：建议优先关注镀膜、涂布设备 以协鑫光电100MW生产线为例，单节钙钛矿生产线主要设备包括PVD设备、涂布设备、激光设备、封装设备。具体的生产流程为：阳极缓冲层——激光P1——钙钛矿涂布——阴极缓冲层——激光P2——背电极——激光P3——激光P4——封装设备。 PVD是钙钛矿电池核心设备，技术较为成熟，价值量占比高。PVD（物理气相沉积）设备并非新概念，其在半导体&HJT领域已有应用，技术较为成熟。钙钛矿生产线中，PVD设备主要用途为给电子传输层、空穴传输层以及电极等进行镀膜，因此一条生产线可能需要多套设备，这使得目前PVD镀膜设备占钙钛矿整线的价值比例高达50%左右。 涂布设备主要用于制备钙钛矿层，具有性价比优势。无接触的狭缝涂布工艺，可以满足当前钙钛矿层物理一致性的要求，且涂布工艺单设备投资额通常在300-400万左右，与PVD设备相比性价比较高。 但后道控晶具有一定难度，膜层质量（化学一致性）仍有待提高，因此设备、工艺均尚需完善。目前上海德沪涂膜市占率达70%。 激光工艺涉及到整个钙钛矿薄膜电池的制备流程，起分片效果。 加工精度高、适用薄膜材料的激光是实现电路连接的关键，是整个钙钛矿电池制备的必备环节。钙钛矿电池需要分别进行3次平行激光刻蚀（P1-P3），并完成P4的清边，整体价值量约10~20%。在P1-P3的刻蚀环节，激光实现切割效果，使材料表面快速被加热到汽化并形成槽线，从而可以形成阻断电流导通的单独模块，起分片效果，以实现增大电压和串联电池的目标。 ⑶叠层钙钛矿电池：效率优势明显，光伏终极解决方案 钙钛矿/晶硅叠层为晶硅电池进一步增效，或将会成为钙钛矿产业化的初期路径。钙钛矿/晶硅叠层电池需要将晶硅表面做成锯齿面，便于钙钛矿层吸光。现有技术较难实现在锯齿面上涂布钙钛矿层，因此钙钛矿/晶硅叠层电池的钙钛矿层需要更多运用PVD镀膜技术。 全钙钛矿叠层电池理论效率最高，度电成本最低，有望成为产业化的终极路径。全钙钛矿叠层电池的难度整体不大，主要性能取决于单节钙钛矿电池性能，难点在于由于层数的增加，需要解决下层均匀度偏差问题的累积问题，且对激光刻蚀工艺要求更高。 ⑷建议关注设备价值量较高的镀膜设备商京山轻机、捷佳伟创； 依托原有蒸镀技术，拟切入钙钛矿赛道的奥来德；提出“材料+装备+组件”三位一体规划的奥联电子；激光设备商大族激光、杰普特、帝尔激光。 风险提示： 钙钛矿产业化进展不及预期。 1钙钛矿：第三代太阳能电池，商业化进程有望提速 1.1钙钛矿为第三代太阳能电池，发展前景广阔 钙钛矿太阳能电池是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体（具有ABX3的化学通式）作为吸光材料的太阳能电池。钙钛矿结构的化学通式为ABX3，其中A位一般为原子半径较小的阳离子（如Cs、MA、FA等），B位为原子半径较大的过渡金属离子（如Sn、Pb等），X为卤素阴离子（I、Br、Cl等）。钙钛矿材料拥有优越的电荷传输性质、长载流子扩散距离、全光谱吸收和高吸光系数，因而可以有效吸收太阳光并高效地产生光生载流子,同时减少在光电转换过程中的能量损失，是较为理想的光电材料。 + + + 2+ 2+ 图表1：钙钛矿的ABX3结构 当前常用的高效率的钙钛矿太阳能电池的结构通常是以透明导电玻璃作为基底，再是电子传输层（ETL）、钙钛矿吸光层、空穴传输层（HTL）、金属电极。 虽然钙钛矿电池可分为正式、反式；介孔、平面等多种结构，但是其工作原理是一致的：当钙钛矿吸光层受到光照后，内部激子发生分离产生电子和空穴对，电子通过电子传输层导出，空穴通过空穴传输层导出，当器件外加负载便能够形成完整的回路。 图表2：钙钛矿电池结构及特点 图表3：钙钛矿基本原理（以反式钙钛矿电池为例） 根据电子传输层与空穴传输层的位置不同，钙钛矿太阳能电池可分为正式结构电池（n-i-p）与反式结构电池（p-i-n），其中n代表电子传输层（ETL），i代表钙钛矿吸光层，p代表空穴传输层（HTL）。相比于正式器件，反式结构器件具有多种优点，例如制备工艺更加简单、可低温成膜、无明显迟滞效应、适合与传统太阳能电池（硅基电池等）结合制备叠层器件等。但是，反式结构器件也存在一些显著的不足，例如开路电压与理论值差距较大，通常为1.10 V（类似带隙的正式钙钛矿电池开路电压大于1.20 V），导致反式结构光电转化效率相对偏低。 根据电荷传输层的形貌结构，钙钛矿太阳能电池可分为介孔结构和平面结构。 介孔结构相较于平面结构有散光效果好(增加光程增强吸收)、电子传输层与光吸收层的接触面积大(利于电子的抽取和传输)等优势，但是由于界面粗糙度显著增大而容易造成界面或光吸收层内缺陷的增多，且制备工艺复杂，能耗较高，因此应用范围不及平面结构广泛。 图表4：四种钙钛矿电池结构图 钙钛矿为第三代太阳能电池，发展前景广阔。从1954年光伏电池诞生世界第一块太阳能电池，光伏电池技术迭代已经走过三代：（1）第一代是以晶硅为主的太阳能电池，主要应用场景为集中式光伏电站，目前技术最为成熟，但光电转化效率已经接近上限，提效降本空间较为有限，边际成本大幅升高；（2）第二代以薄膜太阳能电池为主，典型代表为铜铟镓硒（CIGS）、碲化镉（CdTe）太阳能电池，主要应用场景为分布式光伏，实验室小面积试件光电转化效率高于晶硅电池，但实际应用中光电转化效率低于晶硅，且造价较为昂贵；（3）第三代为新型太阳能电池，主要包括：钙钛矿电池、染料敏化电池和量子点电池。第三代钙钛矿电池具备第二代薄膜电池效率提升速率快、成本低、材料可设计性强的优势，同时随着商业化推进，有望弥补第二代面临的量产表现与理论优势条件差距大的问题。 图表5：各类光伏电池转化效率发展统计 1.2钙钛矿电池具有效率上限高、成本低、可叠层、柔性四大优势 钙钛矿电池光电转化效率上限远高于晶硅电池，是具有革命性的新材料。学术界通常认为晶硅电池的理论极限为29.4%，技术极限约为27.5%，而当前晶硅太阳能电池实验室最高效率已经达到26.7%，已非常接近其理论效率天花板。打破传统晶硅转化效率上限的方式包括新材料与新工艺，钙钛矿是具有革命性的新材料，而叠层技术是具有革命性的新工艺，单节钙钛矿效率可达33%，钙钛矿/晶硅双节钙钛矿效率可达45%，三节钙钛矿效率可达45%。 图表6：不同组件结构类型太阳能电池理论极限电能转换效率对比情况 钙钛矿太阳能电池成熟期投资成本、生产成本较晶硅电池均有优势。投资成本方面，由于晶硅太阳能电池需要经历硅料、硅片、电池、组件四个环节，因此需要四个工厂来生产，耗时至少三天，单GW投资成本之和约10亿元；而钙钛矿太阳能电池流程可在一个工厂完成，45分钟即可走完生产流程，成熟期后单GW投资成本只需5亿元（当前约为7亿元+）。生产成本方面，由于钙钛矿材料占成本比例较小，协鑫光电100MW生产线的组件成本小于1元/W，预计5-10GW级别的量产生产线的组件成本约为0.5-0.6元/W，远低于晶硅极限生产成本1元/W。 图表7：钙钛矿电池可在单一工厂完成生产，投资成本远低于晶硅电池 图表8：100MW级别组件量产成本构成 钙钛矿具有带隙可调的优点，可用于制备叠层电池，以进一步增加转化效率。 通过调整A、B和X含量可以获得不同组分钙钛矿材料，对应钙钛矿材料的带隙及能级分布也各不相同。通过对钙钛矿进行组分调控，可实现禁带宽度从1.2-3eV的调节，能够与其他中窄带隙底电池，如晶体硅太阳能电池、钙钛矿太阳能电池等带隙匹配来制备叠层电池，实现上、下两个电池吸收不同波段的光能，从而进一步提升转化效率。 图表9：钙钛矿叠层电池基本结构图与不同组分的钙钛矿禁带宽度图 钙钛矿可用柔性基板，应用范围可拓展至BIPV领域。传统晶硅电池刚性强、透光性差、难以弯折，因此并不适用于BIPV，尤其是光伏幕墙领域。应用场景与BIPV更为契合的第二代薄膜电池产品，又面临着实际应用中转化效率低，且造价较为昂贵的问题。待技术成熟后，钙钛矿既可以采用刚性基板方案，与传统晶硅电池竞争集中式光伏市场；亦可采用柔性基板方案，与第二代薄膜电池竞争分布式光伏市场。并且从光电转化效率与成本而言，取代第二代薄膜电池的难度要远低于取代传统晶硅电池的难度，因此我们认为BIPV有望成为大规模钙钛矿产线的优先应用场景与拓展方向。 图表10：钙钛矿BIPV应用案例 1.3效率、稳定性为商业化核心因素，正处于快速改善阶段 制约钙钛矿商业化的重点影响因素包括成本与效率，其中增效为当下的核心要素，主要通过提升转换效率与稳定性实现。目前钙钛矿企业降本的路径主要包括通过提高量产的规模从而摊低单位产能的成本、研发与优化生产线上的设备等； 提效主要通过提升转换效率（增加单位时间发电量）与稳定性（降低衰减速度，增加工作年限）实现，具体的路径包括技术、材料及设备等系统性细节的改进。 钙钛矿电池（小面积）实验室效率提升迅速，已经远超晶硅电池极限效率。 钙钛矿技术自2009年被提出以来，经过十几年的发展，单节钙钛矿电池实验室效率已从3.8%提升至25.7%。叠层电池方面，德国柏林亥姆霍兹中心（HZB）科学家最新研发的钙钛矿/晶硅叠层电池的光电效率高达32.5%；经中国计量院第三方测试认证，北京曜能科技有限公司自主研发的小面积钙钛矿/晶硅两端叠层电池稳态输出效率达到32.44%，时隔三个月再次刷新国内转换效率纪录；经日本JET第三方认证，仁烁光能团队研发的全钙钛矿叠层电池稳态光电转换效率达到29%，打破了谭海仁团队在2022年6月创造的28%（ 0.049cm2 ）的世界纪录。 图表11：单节钙钛矿电池实验室效率提升迅速 图表12：钙钛矿/晶硅叠层实验室效率提升迅速 随着技术、材料及设备的改进，大面积钙钛矿生产线转化效率亦有望持续提升。事实上，由于大面积试件的工艺与稳定性尚存在一些问题，会导致组件效率出现损失，当前投产/在建的百MW级别钙钛矿产线，转化效率多在16%-20%的区间，距实验室转化效率尚存在较大差距。但我们认为，随着技术、材料及设备等系统性细节的改进，大面积钙钛矿生产线转化效率将持续提升，以协鑫光电为例，公司规划自身组件效率于2023年达18%；于2024年达20%；于2025年达22%。 图表13：大面积钙钛矿组件效率持续提升 图表14：协鑫光电产线规划与组件效率预计 钙钛矿材料稳定性尚存在问题，随时间推移会影响转化效率。由于体/表界面缺陷、A位阳离子稳定性、离子迁移、相稳定性、应力、器件中各功能层、周围环境等因素影响，钙钛矿材料对水、氧、热、光、电等外界因素非常敏感，随着工作时间的推延会影响组件的转化效率。以光照为例，其不仅能够辅助水、氧分解钙钛矿，而且