钙钛矿行业深度报告：新型合成材料，前景广阔

投资建议：关注钙钛矿材料领域，具备破局优势的龙头公司。受益标的：万润股份、奥来德。 钙钛矿电池与OLED协同性：钙钛矿电池基于光生伏特效应，是“电转光”的逆过程。钙钛矿电池与OLED，两者最核心的部件均为“电子传输层-光电转化层-空穴传输层”结构，制备工艺协同，OLED上游与钙钛矿设备和材料有一定共通性。钙钛矿电池与OLED差异性：钙钛矿电池成本相比OLED面板成本明显偏低，且钙钛矿作为光吸收层是光电器件的核心，单片组件成本占比仅约为5%。OLED面板成本中，设备成本占比最高为35%，其次为OLED有机材料，成本占比为23%；OLED有机材料成本中，发光层、空穴传输层材料成本占比较高。 手机OLED面板有机材料，发光层占40%，空穴传输层占20%；电视OLED面板有机材料，发光层占59%，空穴传输层占20%。 钙钛矿层间材料体系尚未定型，成分选择灵活：钙钛矿电池主要由五部分叠合而成，包括两个电极，两个传输层，以及一个吸光层。钙钛矿指一大类化合物，结构通式为ABX3，在较弱的范德华力相互作用下保持结构稳定。对A、B、X位进行组分调控可获得不同组分的钙钛矿材料，覆盖最佳带隙。原料不涉及贵金属和稀有金属，也没有苛刻的纯度要求。传输层常用材料包括金属氧化物和有机材料，常用电极材料有金属电极与透明导电薄膜（TCO）。 钙钛矿材料面临稳定性难题：钙钛矿材料属于离子型晶体，稳定性不佳。A、B阳离子与X阴离子通过离子键结合，易水解、高温易分解、温度变化下相变、光照和氧气作用下发生光致分解等。面对界面层，有机无机杂化钙钛矿材料容易发生离子迁移。 材料、结构、工艺协同破局，OLED上游厂商具备先天优势：钙钛矿材料内部体系仍需进一步优化，可选择更稳定的材料，可引入交联剂，添加剂以阻碍钙钛矿中离子迁移。吸光层是提效核心，高效率钙钛矿电池薄膜的制备方法中，湿法的喷墨打印和干法的蒸镀和AMOLED的制备方法有一定相似性。此外，低成本、高迁移率的空穴型载流子材料可有效提高钙钛矿光伏电池的稳定性，提高钙钛矿光伏电池寿命，降低大面积制备钙钛矿光伏电池成本。 风险提示：光伏装机不及预期，钙钛矿电池组件渗透率低于预期。 1.钙钛矿电池与OLED协同性、差异性比较 1.1.钙钛矿电池：“电转光”逆过程与OLED上游设备、材料共通 钙钛矿电池是利用钙钛矿作为吸光层的薄膜太阳能电池，基于光生伏特效应。当太阳光照射在电池上时，能量大于禁带宽度的光子被吸收，产生电子-空穴对，随后电子与空穴在钙钛矿层分离，变为电子和空穴分别注入电子传输层和空穴传输层中，再通过外电路流向对电极，形成电流。 图1：钙钛矿电池利用钙钛矿作为吸光层 钙钛矿电池类似于“三明治”结构，主要由五部分叠合而成。五个部分包括两个电极，两个传输层，以及一个吸光层，其中吸光层是提效的核心。钙钛矿细分构造又可分为三种典型结构：正式介孔，正式平面，反式平面。光入射到透明电极后，先进入电子传输层的结构为正式结构（n-i-p）；光入射到透明电极后，先进入空穴传输层的结构为反式结构（p-i-n）。 反式(p-i-n)平面结构是目前的主流结构。反式结构比正式结构的工艺更简便价廉、低温成膜、更适合与传统光伏电池结合叠层器件等，同时因为反式(p-i-n)结构的空穴层选材，更有利于抑制迟滞效应。但缺点是效率不如前两者，以及电子传输层用材偏贵和热稳定性差。 图2：钙钛矿电池典型结构 钙钛矿电池与OLED两者最核心的部件均为“电子传输层-光电转化层-空穴传输层”结构，工作原理是“电转光”的逆过程。OLED，即有机发光二极管，电能经电极输入，阳极产生的空穴和阴极产生的电子发生移动，分别向空穴传输层和电子传输层注入，迁移到发光层。二者在发光层相遇产生能量激子，从而激发发光分子最终产生可见光。 图3：OLED面板发光原理是“电转光” 图4：钙钛矿电池核心部件与OLED共通 OLED上游与钙钛矿设备和材料有一定共通性，制备工艺具备协同效应。 OLED产业链上游主要包括设备制程（显影、蚀刻、镀膜、封装等）、材料制造（OLED成品材料、基板、电极等）和组装零件（驱动IC、电路板和被动元件），钙钛矿电池制备工艺包括镀膜、刻蚀、封装。制备高纯度、缺陷少、高覆盖率、致密的钙钛矿层薄膜与传输薄膜实现高的电池转换效率，高效率钙钛矿电池薄膜的制备主要有溶液法（湿法）、气相法（干法）两类工艺，可单独或组合使用，其中湿法的喷墨打印和干法的蒸镀皆和AMOLED的制备方法有一定相似性。通过多道激光刻蚀构建钙钛矿电池中的电路结构，把多个钙钛矿电池串联成组件。 1.2.材料成本、价格结构，钙钛矿电池与OLED明显不同 随良率提升，OLED面板制造成本边际下行。据Omdia、IHS，55英寸OLED面板成本约600美元，以面板长宽比4：3、美元人民币汇率6.5进行折算，OLED面板成本4163元/平方米。随着生产良率提升，OLED制造成本边际下行，当生产良率超过80％，若元器件和材料价格合理，自发光显示器成本将低于被动发光显示器。 图5：55寸OLED、LCD面板制造成本对比（美元）图6：OLED、LCD成本差距随良率提升而缩小（美元、%） 钙钛矿电池组件相比OLED面板成本明显偏低，且有进一步下行空间。 根据协鑫官网，全球首条 2m*1m 超大尺寸100MW钙钛矿光伏组件量产线在昆山建成，转换效率高达18%，系统造价低于3元/W。我们按照系统造价3元/W进行折算，钙钛矿组件成本约540元/平方米。且成本有进一步下行空间。根据协鑫光电，100MW线的钙钛矿组件成本目标达到1元/W，未来5-10GW线投产时成本有望降到0.5-0.6元/W。 图7：钙钛矿电池、OLED面板成本对比（元/平方米） 钙钛矿作为光吸收层是光电器件的核心，单片组件成本占比较低。根据全球光伏，钙钛矿电池单片组件成本结构中，钙钛矿材料占比仅约为5%，总成本约为0.5-0.6元左右，是晶硅极限成本的一半。电极材料成本占比37%，玻璃及其他封装材料占比32%。 1095500 图8：钙钛矿材料在单片组件成本中占比较低（%） OLED面板，设备、有机材料成本占比较高。根据华经产业研究院，OLED面板成本结构主要由设备、有机材料、人工、PCB、玻璃基板和驱动IC等构成。设备成本占比最高为35%，其次为OLED有机材料，成本占比为23%。 图9：设备、有机材料在OLED面板中成本占比较高（%） OLED面板有机材料中，发光层、空穴传输层材料成本占比较高。按功能结构层划分，OLED有机材料包括电子注入、电子传输、有机发光、空穴传输、空穴注入材料，其中电子注入材料、电子传输、空穴传输、空穴注入材料被统称为Common材料。发光层材料又分为RGB三基色的Host（主体）、Dopant（客体）及Prime材料，负责将注入的电能转化为光能，是OLED器件的功能核心和成本核心。手机OLED面板的有机材料中，发光层占40%，空穴传输层占20%；电视OLED面板的有机材料中，发光层占59%，空穴传输层占20%。 图10：发光层、空穴传输层材料在有机材料中成本占比较高（%） 1.3.钙钛矿材料稳定性难题，OLED上游厂商破局具备先发优势 钙钛矿指一大类化合物，结构通式为ABX3。钙钛矿最初指化学式为CaTiO3的矿物质以及拥有为CaTiO3结构的金属氧化物，后来把结构与之类似的晶体统称为钙钛矿物质。其结构通式为ABX3，晶体结构呈8面体形状，由1个金属B原子与6个卤素X原子配位形成，A原子被周围的共享顶点的8个八面体骨架包围，在较弱的范德华力相互作用下保持结构稳定。其中， A：一价有机或无机阳离子，如甲脒离子、甲铵离子、铯离子、铷离子,或多种阳离子混合等； B：二价金属阳离子，例如铅或锡离子；如铅离子、锡离子，锗离子，或者多种金属离子混合等； X：一价卤素阴离子，例如氟、氯、溴、碘、砹离子等； 图11：钙钛矿材料晶体结构呈八面体形状 图12：钙钛矿材料示意图 钙钛矿材料属于离子型晶体，稳定性不佳。在钙钛矿类化合物的组成中，A、B阳离子与X阴离子通过离子键结合，易水解、高温易分解、温度变化下相变、光照和氧气作用下发生光致分解等。有机-无机杂化钙钛矿材料容易发生离子迁移，即带电离子（主要为A有机阳离子与X卤素阴离子）在晶体中移动，可以导致点缺陷或杂质的聚集，改变薄膜的电学性质，如吸光层中的碘离子会腐蚀金属电极，银金属电极和钙钛矿层中的碘反应生成AgI。此外，空穴传输层材料Spiro-OMeTAD需要进行LiTFSI的掺杂，而LiTFSI容易吸水会导致稳定性降低。 材料、结构、工艺协同破局。钙钛矿材料稳定性不佳的解决方式仍需学术界进一步探索，需要从材料配方、组件结构、封装工艺三个维度协同优化以加强整体器件的稳定性。目前，普遍采用POE+丁基胶的封装方式，装阻隔外界的水气和氧气，避免对钙钛矿的侵蚀。钙钛矿电池材料内部体系仍需进一步优化，选择更稳定的材料。此外，钙钛矿面对界面层的接触、反应、分解，可引入交联剂、添加剂以阻碍钙钛矿中离子迁移。 图13：材料、结构、工艺因素影响钙钛矿太阳能电池稳定性 破局稳定性难题，OLED设备、材料厂商破局具备先天优势。低成本、高迁移率的空穴型载流子材料可有效提高钙钛矿光伏电池的稳定性，提高钙钛矿光伏电池寿命，降低大面积制备钙钛矿光伏电池成本。根据奥来德公告，公司具有丰富的空穴型载流子开发经验，可通过进一步设计材料，提高有机空穴传输材料的迁移率和稳定性，获得满足钙钛矿光伏太阳能电池所需的空穴传输材料，提升材料稳定性，改善钙钛矿太阳能器件稳定性的技术难题。 2.层间材料体系尚未定型，成分选择灵活 2.1.钙钛矿：新型合成材料，前景广阔 钙钛矿成分灵活可调，覆盖最佳带隙。带隙指电子从它的主原子（的一个轨道带）挣脱（到轨道带之外）所需要的能量，为电池的电力输出提供所需能量。根据Schockely-Queisser极限曲线，单结太阳能电池光吸收材料的最佳带隙为1.4eV。若带隙过大，大多数光子将缺乏发射电子所需的能量，并直接穿过太阳能电池，无法产生大量电流；若带隙过小，大多数光子会释放电子，但只向每个电子传递少量能量，从而导致电压过低。钙钛矿带隙约为1.5eV，且调控钙钛矿组分可以调节带隙。A、B、X含量不同可获得不同组分的钙钛矿材料，相应材料的带隙和能级分布也会产生差异。若对钙钛矿的A、B、X位进行组分调控，可将带隙宽度在1.17-2.8eV内做到连续可控，覆盖最佳带隙。 图14：各类太阳能电池能量转化效率图 图15：不同光伏电池理论极限转换效率（%） 光吸收系数优异，钙钛矿吸光层厚度极薄。光吸收系数一般与材料的厚度成反比，与吸光度成正比。某种程度上，材料越厚吸光越多。根据《高质量钙钛矿薄膜的合成、加工及应用研究》，钙钛矿材料厚度仅为百纳米时，可见光范围内吸收系数就可达到 105cm ，具有较高的光捕获效率，可实现对光的全吸收，是钙钛矿材料本征的优异光学特性。根据Energy Trend，晶硅太阳能电池中硅片的厚度通常为160至180微米，而钙钛矿太阳能电池中钙钛矿层的厚度仅为0.3微米。一个由60片硅片构成的晶硅组件消耗硅材料约1公斤，而相同尺寸的钙钛矿组件仅消耗2克钙钛矿材料。 -1 钙钛矿拥有较低的生产成本，各组分储量丰富价格低，且纯度要求低。 根据协鑫光电专利《钙钛矿晶体复合材料及其制备方法及应用》，协鑫光电的光电转化层材料为铅卤钙钛矿 ， 其分子结构为MAxFA1-xPbI3-y-zBryClz，其中MA为一甲胺阳离子，FA为亚甲基二胺阳离子，Pb为铅原子，I为碘原子，Br为溴原子，Cl为氯原子。在ABX3晶体结构中，MA和FA处于钙钛矿晶体结构中的A位置，Pb处于B位置，I、Br和Cl处于X位置。原料不涉及贵金属和稀有金属，也没有苛刻的纯度要求。根据全球光伏，太阳能级的硅料纯度需要达到99.9999%，钙钛矿只需要纯度达到95%。 钙钛矿原材料经过加工后直接成组件，单位制程耗时短。钙