钙钛矿电池：光伏发展新方向，关注产业链动态变化

摘要 钙钛矿优势显著多方关注度日益提升，市场潜力大发展空间广阔 钙钛矿太阳能电池（PSCs）具有可调节的带隙，高吸收系数和长的载流子扩散长度等特性，是最有发展潜力的薄膜光伏技术。钙钛矿材料在太阳能电池领域取得了突破性的进展，通过改进钙钛矿材料配方、器件制造流程和高质量的成膜方法，小面积单节钙钛矿太阳能电池光电转换效率持续突破新高，钙钛矿领域的研究已进入规模化生产的探索阶段，代表企业有协鑫光电、纤纳光电、极电光能等。但目前钙钛矿电池的制备仍存在稳定性、铅污染及大面积制备效率尚低等工艺难点。 钙钛矿材料占总成本比例小，设备投资额有望进一步降低。以协鑫光电100MW产业为例，其生产线组件成本小于1元/W，预计5-10GW级别量产线组件成本降至0.5-0.6元/W，远低于晶硅生产成本1元/W。晶硅1GW的产能（包含硅料、硅片、电池、组件）投资额在10亿元左右，而协鑫钙钛矿的第一条100MW的设备产线投资在1亿元左右，1GW产能投资额规模化之后预计约为5亿元。 钙钛矿光伏电池的制备中，钙钛矿吸光层、ETL、HTL是制备工艺中的核心环节。其中，钙钛矿吸光层的制备是最核心的环节。 钙钛矿层：高效钙钛矿电池的首要条件是钙钛矿吸收层形貌，均匀度，结晶度，覆盖度，晶粒尺寸和晶粒取向质量均较高。对于钙钛矿薄膜的大面积制备技术，如何控制大面积薄膜均匀性（厚度约 500nm ）和降低薄膜的缺陷密度仍然是一个挑战。目前主要集中于MAPbI钙钛矿的研究，大面积通常采用狭缝涂布工艺。 空穴传输层（HTL）：第一类是无机物和有机金属化合物（有氧化铜，碘化亚铜，氧化镍（NiO）和硫氰化铜(CuSCN)）、一类是聚合物（如PSS、PTAA等）。 若是氧化镍，通常用喷涂、喷雾热解制备或者是用PVD法制备。若选择PTAA等有机物，采用刮涂或是喷雾热解制备。 电子传输层（ETL）：若为有机材料通常采用蒸镀工艺，若为金属氧化物，通常采用气象沉积工艺如PVD或RPD设备、材料包括 TiO2 ZnO、SnO、WO、 In2O3 富勒烯极其衍生物等。 、 X 、 非金属电极：非金属电极是透明导电氧化层（TCO），通常使用ITO和FTO。FTO可以耐500°高温，主要用于烧结 TiO2 的场合，比如介孔层，采用 TiO2 作为电子传输层的器件。ITO的透光性和导电性优于FTO，但不耐高温，通常用于低温和柔性器件。通常采用PVD磁控溅射制备。 背电极：包括金属电极和碳电极。金属电极通常采用真空蒸镀、磁控溅射镀制备；碳电极通常采用涂布法。 设备厂商率先受益，关注产业链动态。下游企业加速布局百兆瓦级中试线，大面积制备已具备一定基础，部分企业GW级产线已提上日程。产业发展处于0-1阶段，我们认为设备企业有望率先受益，捷佳伟创、德龙激光、京山轻机、大族激光等走在前列。关注其他领域的涂布、真空镀膜等设备公司可能在钙钛矿电池领域中的动态。 投资建议：鉴于行业正处于初期，蕴含较大机遇，我们给予行业“推荐”评级。 n n 受益标的：捷佳伟创、京山轻机、德龙激光、大族激光、帝尔激光、杰普特、迈为股份、科恒股份、奥来德、恩曼斯特（未上市）等风险提示：钙钛矿电池产业化进度不及预期；行业竞争加剧；下游行业景气度不及预期；公开信息有误。 钙钛矿电池：行业概述 钙钛矿电池：工艺与设备 钙钛矿电池：产业链分析 投资建议、受益标的及风险提示 一、钙钛矿电池：行业概述 钙钛矿电池：第三代太阳能电池 n 太阳能电池是指可以有效吸收太阳能，并将其转化为电能的半导体部件。目前太阳能电池已发展至第三代。1）硅晶太阳能电池：以单晶硅、多晶硅为代表，是目前技术发展成熟且应用最广泛的太阳能电池，但仍存在单晶硅太阳能电池原料要求高及多晶硅太阳能电池生产工艺复杂等问题；2）化学薄膜太阳能电池：主要以碲化镉（CdTe）、砷化镓（GaAs）、铜铟镓硒（CIGS）为代表，相较晶硅电池所需材料少易于进入量产化阶段，但仍存在部分金属材料价格昂贵、材料纯度要求高的问题；3）新型薄膜太阳能电池：主要有染料敏化太阳能电池（DSSCs）、钙钛矿太阳能电池（PSCs）、量子点太阳能电池（QDSCs）等，具有效率提升速度快、成本低等优势，已受到产业界的广泛关注。 钙钛矿：本指化学式为CaTiO的矿物质以及拥有为CaTiO结构的金属氧化物。发展至今，钙钛矿已经成为化学式为ABX的 钙钛矿电池：第三代太阳能电池 n 钙钛矿太阳能电池基本原理：光生伏特效应。工作机制总体可以分为五个过程，即光子吸收过程（产生激子）、激子扩散过程、激子解离过程（分离为电子和空穴）、载流子传输过程和电荷收集过程。经过五个过程后，自由电子通过电子传输层后被阴极层收集，自由空穴通过空穴传输层后被阳极收集，两极形成电势差，电池与外加负载构成闭合回路，回路中形成电流常见高效钙钛矿太阳能电池结构是透明导电氧化物（FTO或ITO），电子传输层（ETL）、钙钛矿吸光层、空穴传输层（HTL）、金属电极（背电极）。根据电子传输层与空穴传输层位置不同，可分为正式结构电池（n-i-p）与反式结构电池（p-i-n）；根据电荷传输层的形貌结构，可分为介孔结构和平面结构。 介孔结构：采用 TiO2 作为介孔骨架，相较平面结构散光效果好、接触面积大、成膜均匀光滑。但由于制备工艺复杂、能耗高，或不利于大规模制备量产。 正式（常规）结构：无介孔电子传输层，制备更简单灵活，减少了500℃高温煅烧 TiO2 的步骤，但相较介孔结构效率略差。 反式（倒置）结构：构成为导电玻璃基地上先制备HTL、钙钛矿吸光层、ETL及金属对电极，制备工艺简单、成膜温度低、成本低，是目前产业化进程中的主流结构。 钙钛矿电池：第三代太阳能电池 钙钛矿太阳能电池还可分为单结电池和多结叠层电池。单结电池相较于多结叠层电池效率更低，主要为平面反式结构，目前在市场上广泛应用。多结叠层电池则主要通过叠层方式与HJT、IBC等电池组合，实现吸收光谱互补，可以突破传统晶硅电池理论效率极限，提升光伏电池转换效率。目前两端叠层电池效率已经突破28%。 钙钛矿晶硅叠层电池结构有多种。2-T叠层电池又称集成一体化结构，是指在硅电池上生长钙钛矿电池，采用中间层连接两个子电池；4-T叠层电池又称为机械堆叠结构，是指将带隙较大的钙钛矿电池作为顶电池，将带隙较小的晶硅电池作为底电池，通过简单堆叠形成叠层电池，顶电池和底电池分别保留其正负极，构成4个终端结构。另外，还有光谱分离的四端叠层电池、反射结构的四端叠层电池、三端叠层等。图表：钙钛矿/晶硅叠层太阳电池结构 钙钛矿电池优势显著：极限效率和发电量高 n 钙钛矿电池光电转化效率理论极限高于晶硅电池。根据权威测试机构德国哈梅林太阳能研究所（ISFH）测算，普通单晶硅太阳能电池理论极限转换效率为24.5%，HJT电池理论极限转换效率为27.5%，TOPCon电池理论极限转换效率为28.7%。 而单层钙钛矿电池理论极限转换效率高达31%，钙钛矿双节钙钛矿效率极限高达35%，三节钙钛矿理论极限效率为45%。 钙钛矿电池转换效率极限高主要原因在于其禁带宽度适宜、钙钛矿材料带隙宽度可调以及无组件效率损失。 禁带宽度适宜：过宽的带隙宽度会使得被吸收的光子过少。例如MAPbI Br中，随x的变化可实现带隙1.5~2.3eV连续可调。 3-x x 带隙宽度可调：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，可实现带隙连续调控，这也决定了钙钛矿可以广泛应用在发光、光伏和光探等领域。根据上海交大物理与天文学院官微显示，数值计算表明使用带隙为1.72eV的钙钛矿与1.12eV的晶硅结合，理论叠层效率高达43%。 钙钛矿电池优势显著：极限效率和发电量高 n 钙钛矿电池发电量高：主要原因在于其抗衰减性强、具有低温度系数、吸收系数高且弱光效应好。 抗衰减性强：钙钛矿电池无PID效应与LID效应。PID效应又称电势诱导衰减，电池片与其接地金属边框间高电压作用下出现离子迁移，大量电荷聚集于电池片表面使其表面钝化，最终导致组件效率下降。LID效应是指光致衰减效应，一般发生于P型掺硼硅片制作的电池片中。但PID、LID效应不会显著影响钙钛矿的发电量。协鑫光电表示，目前大多数先进实验室已经可以实现钙钛矿组件连续工作至少1000小时不衰减，协鑫光电100MW产线下线产品的使用寿命预计将超过25年。 具有低温度系数：相较晶硅低两个数量级，高温条件下效率受影响较低。晶硅组件的温度系数是-0.3左右，即温度每上升1度，功率会下降0.3%。而钙钛矿的温度系数为-0.001，接近于0，因此实际发电效率就会显著高于晶硅。 -1 吸收系数高：光吸收系数是指在单位浓度及单位厚度时的吸光度。钙钛矿层厚度为百纳米，晶硅电池光吸收系数仅 103cm ，而钙钛矿吸收系数达 105cm ，光系数高，弱光效应强，阴天及室内等弱光条件下转换效率更高。 -1 钙钛矿电池优势显著：成本低 n 钙钛矿电池相较于晶硅电池投资成本、生产成本均较低。钙钛矿太阳能电池的制程耗时明显减少，一体化工厂大幅降低生产成本。晶硅电池需要至少在四个不同的工厂分别加工硅料、硅片、电池、组件，单位制程至少需要3天以上，同时还需要大量的人力、运输成本等。根据协鑫纳米的数据，钙钛矿太阳能电池的生产流程较为简单，仅需45分钟就可将玻璃、胶膜、靶材、化工原料等在一个工厂内加工成组件，极大地缩短了制程耗时，简化了流程，价值高度集中，成熟期后单GW投资成本将降至5亿元。钙钛矿材料占总成本比例小，以协鑫光电100MW产业为例，其生产线组件成本小于1元/W，预计5 10GW级别量产线组件成本降至0.5-0.6元/W，远低于晶硅生产成本1元/W。 n 钙钛矿电池产能投资额仅为晶硅产能投资额的一半，成本进一步降低。根据协鑫光电，晶硅1GW的产能（包含硅料、硅片电池、组件）投资额在10亿元左右，而协鑫钙钛矿的第一条100MW的设备产线投资在1亿元左右，1GW产能投资额规模化之后预计约为5亿元。 钙钛矿电池优势显著：应用范围广 n 钙钛矿电池下游应用范围广阔。钙钛矿电池可以应用于BIPV。 1）透光性能好，弱光性高：虽然传统晶硅组件具有较高转化率，但在BIPV场景应用中，由于组件接收光照角度差、无法达到最佳光照条件，组件转化效率低。而钙钛矿电池基于其弱光性能强，能在弱光条件下达到更高光电转换效率，安装要求低，发电时间更长。同时传统晶硅组件须通过电池片排布改变透光性，而钙钛矿具有更高透光度。 2）满足结构多样化市场需求：在BIPV领域应用中已涉及弧面等多种形态。钙钛矿既可以采取刚性基板，又可采用柔性基板，易于加工成弯曲半径更小的弧面形状。 3）满足颜色多样化需求：BIPV建筑对色彩要求较高，而传统晶硅组件多为蓝色，色彩单调，而钙钛矿则可调整颜色，满足市场对色彩的多样化需求。 4）经济型好：传统电池重量大，对建筑的支撑要求高，建造成本高；而钙钛矿电池自重轻，建造应用中成本及难度均较低。 钙钛矿电池可用于车顶光伏制作。由于钙钛矿具有高弱光性，较差天气条件下仍可维持稳定发电。目前现代汽车、长城汽车、特斯拉等均有布局车顶光伏。 钙钛矿电池：小面积实验室效率进展飞速 钙钛矿自2009年来，各类型钙钛矿实验室效率均进展飞速。 单结钙钛矿电池：2009年由日本科学家首次提出，初始实验室效率为3.8%，2017年由韩国蔚山国立科技研究所首次突破20%，截至2022年已提升至25.6%。 硅/钙钛矿叠层太阳能电池：2018年牛津光伏首次提出叠层太阳能电池，效率为28%，远高于当期单结钙钛矿电池。 2022年，北京曜能科技有限公司研发团队研发的小面积钙钛矿叠层电池光电效率达32.44%，创国内转换效率记录。 全钙钛矿叠层电池：在2020年由美国能源部国家可再生能源实验室提出，效率为23.1%。目前国内仁烁光能团队所研发的全钙钛矿叠层电池转换