钙钛矿设备：瞄准光伏终局，寻找高确定性技术趋势下的增量投资机会

证券研究报告|行业深度 2023年12月12日 【国盛机械】钙钛矿设备：瞄准光伏终局，寻找高确定性技术趋势下的增量投资机会 首席分析师张一鸣 邮箱：zhangyiming@gszq.com 执业证书编号：S0680522070009 分析师邓宇亮 邮箱：dengyuliang@gszq.com 执业证书编号：S0680523090001 打造极致专业与效率 目录 CONTENTS 01 钙钛矿基本情况介绍 1.1 钙钛矿电池的定义、基本结构与工作原理 1.2 1.3 钙钛矿电池应用场景丰富 钙钛矿在技术成熟的量产状态下，成本更低、效率更高 1.4钙钛矿产业化难点：稳定性、衰减、寿命、大面积制备 02 03 钙钛矿核心设备：真空镀膜&涂布设备 钙钛矿设备推荐标的 2 钙钛矿定义：钙钛矿是指一类分子通式为ABX3的晶体，其中A代表一价有机或无机阳离子（如甲胺MA+、甲醚FA+、Cs+铯等）；B代表二价金属阳离子（Pb2+铅、Sn2+锡、Ge2+锗，最常用是Pb2+）；X代表一价卤素阴离子（如Br-溴、I-碘、Cl-氯，最常用是I-）。 钙钛矿基本结构：按结构分为平面正式/平面反式。正式和反式的区别在于，电子传输层与空穴传输层的位置发生调换。 钙钛矿工作原理：中间钙钛矿材料为吸光层，材料的电子吸收光子能量后跃迁，形成电子-空穴对，电子与空穴在吸光层内部迅速分开，分别通过ETL和HTL输送到阴极、阳极，两极之间产生电动势，进而产生电流。 图表1：钙钛矿晶体结构 图表2：钙钛矿组件的正反结构 （注：下方透明电极为受光面；制作时从透明电极开始，使用时倒置）图表3：钙钛矿工作原理 资料来源：知网《n-i-p结构钙钛矿太阳能电池界 面钝化的研究进展》（刊载于物理学报，一作李 晓果），国盛证券研究所资料来源：中国科学，国盛证券研究所 资料来源：《钙钛矿太阳能电池研究进展与发展现状》 （刊载于中国科学，一作徐尧），国盛证券研究所3 场景一：大型地面电站：2022年2月15日，由纤纳投产的浙江省衢江区钙钛矿集中式光伏电站一期项目在后溪镇举行。衢江区钙钛矿集中式光伏示范电站一期项目占地约250亩，装机容量12兆瓦，计划总投资6000万元。这是全球首个钙钛矿地面光伏电站。 场景二：光伏建筑一体化（BIPV）：BIPV指与建筑物同时设计、同时施工和安装，并与建筑物形成结合的太阳能光伏发电系统，也称为“构件型”和“建材型”太阳能光伏建筑。在北京冬奥会期间运行的全球首个钙钛矿光伏建筑项目中，其外墙便采用协鑫光电1m×2m大尺寸钙钛矿组件搭建。 场景三：电动车车顶、智能可穿戴设备等：源自京都大学的日本初创企业EnecoatTechnologies和丰田于2023年6月27日宣布，将共同研发钙钛矿光伏电池，力争到2030年搭载于纯电动汽车的车顶。钙钛矿电池具备质量轻、厚度薄、柔性大、半透明、弱光效应好以及颜色可定制等优良特性，可广泛应用于光伏车顶、柔性光伏、穿戴光伏等新型场景。 图表4：纤纳衢江光伏电站项目图表5：协鑫大尺寸钙钛矿组件建成的光伏建筑图表6：Enecoat太阳能汽车 资料来源：浙江新闻，国盛证券研究所资料来源：腾讯网，澎湃新闻，国盛证券研究所 资料来源：Enecoat官网，国盛证券研究所 4 钙钛矿相比较于晶硅电池，生产成本更低。 钙钛矿的原材料丰富易得、用量少、成本低。原始材料储量丰富、不受稀有金属元素储量限制；钙钛矿是人工合成材料，其中A位、B位、X位均可迭代替换，可选的材质种类众多；原材料用量少，钙钛矿厚度大概0.3微米，晶硅电池厚度通常为180微米。 钙钛矿生产能耗更低。钙钛矿对缺陷和杂质不敏感，通常95%的纯度即可 满足需求，而晶硅电池需要将硅提纯到99.9999%，因此反复提纯和制作中涉及多个千度高温流程，而钙钛矿在200-300℃时就会分解，因此整个生产流程温度不超过其分解温度，生产能耗差距大，钙钛矿组件单瓦能耗约为晶 硅组件的1/10。 钙钛矿产业链短、耗时短。晶硅电池需要经历硅料、硅片、电池、组件4个环节，需要在多地、多厂、多环节流转，耗时最少需要3天；对比之下，钙钛矿生产流程简单，直接将玻璃、胶膜、靶材、化工原料在一间工厂内加工成组件，从原材料到组件只需要45分钟。 钙钛矿生产成本低。钙钛矿进入量产后，预计组件成本为0.5-0.6元/瓦，而晶硅组件的极限成本为1-1.2元，钙钛矿的组件成本仅为晶硅组件极限成本的50%。 钙钛矿单层和叠层的理论值和实验室效率均超过晶硅电池。由于钙钛矿材料的带隙可调范围（1.72-3.06eV）远大于晶硅（1.12eV），单层钙钛矿理论效率上限超过30%，叠层的理论转化效率可达45%，而晶硅为29.43%。 图表7：晶硅电池与钙钛矿电池光电特性对比 光电特性 晶硅电池 钙钛矿电池 带隙宽度 1.12eV 1.2-3eV 可调节 弱光效应 差，阴雨天气、日出日落基本不工作 好，阴雨天气、日出日落稳定工作 效率上限 29.43% 叠层：33.9% 柔性电池 难以制备 易制备 图表8：晶硅电池和钙钛矿电池生产流程对比 资料来源：知网《钙钛矿:光伏电池的“明日之星”》（中国电力报，作者苏伟）、 《宽带隙钙钛矿材料及太阳电池的研究进展》（物理学报，一作崔兴华），产业调研，Ofweek太阳能光伏网，北极星太阳能光伏网，澎湃新闻，摩尔光伏，隆基绿能公众号，国盛证券研究所 钙钛矿电池发展瓶颈——稳定性、衰减、寿命问题：钙钛矿结构为ABX3，其中A通常为甲胺或甲脒体系（有机），B和X通常为铅（无机金属）和氯/碘 （无机非金属）；这种有机、无机、金属、非金属混杂的三元结构不稳定（稳定性不如晶硅），容易被水氧光热分解，进而影响寿命。以效率下降到初始值的80%为淘汰标准。 钙钛矿电池发展瓶颈——大面积成膜导致转换效率下降：单结钙钛矿面积做大后，对于晶硅才会有明显的成本优势，但是，根据当前试验数据，随着面积的增加，钙钛矿转换效率下滑幅度较大，主要原因包括：1）大面积钙钛矿薄膜容易出现孔洞；2）大面积界面层质量不易控制；3）大面积组件进行激光划线后产生不具备发电能力的死区。 解决方式：调整材料配方、优化电池结构设计、优化封装工艺、设备升级迭代，如掺杂其他离子增加晶格稳定性，或设计特殊钝化层来提升稳定性。 图表10：钙钛矿电池不稳定性因素剖析及优化路径 资料来源：澎湃新闻、产业调研、国盛证券研究所 图表9：钙钛矿激光划线后的死区（不发电） 资料来源：激光制造网、国盛证券研究所 图表11：钙钛矿电池实验室层面的稳定性 年份 效率 测试条件 时间（小时） 测试后效率 2019 20.52% 85℃ 1500 91% 2021 23.32% 85℃ 500 80% 2021 24.35% 85%湿度&85℃ 1056 94% 2022 24.01% 氮气55℃ 1000 88% 资料来源：AdvancedMaterials《InternalEncapsulationforLeadHalidePerovskiteFilmsforEfficientandVeryStableSolarCells》（一作：YansongGe）,Nature《Intact2D/3Dhalidejunctionperovskitesolarcellsviasolid-phasein-planegrowth》（一作：Yeoun-WooJang）,Nature《Surfacepassivationofperovskitefilmforefficientsolarcells》 （一作：QiJiang），Science《AEu3+-Eu2+ionredoxshuttleimpartsoperationaldurabilitytoPb-Iperovskitesolar cells》（一作：LIGANGWANG）,国盛证券研究所 图表12：钙钛矿电池产业层面的稳定性性（IEC认证：湿冻、热循环、湿热、爬电、脉冲电压、老化等几十项系列测试等，IEC认证通过默认在25年寿命中效率损失≤20%） 公司 尺寸 IEC标准 测试通过时间 备注 纤纳光电 20cm² IEC61215 2019年 通过4项核心指标稳定性测试（湿热、温度循环、UV老化及光老化测试） 20cm² IEC61215 2020年7月 3倍湿热测试、6.5倍UV老化测试 1200cm² IEC61215 2021年1月 - 1.245×0.635m ² IEC61215、 IEC61730 2023年1月 通过全体系测试 极电光能 64.8cm² IEC60904 2021年3月 - 1.2×0.6m² IEC61215 推进中 商用尺寸钙钛矿组件通过了IEC61215、IEC61730稳定性认证测试。 众能光电 46.2cm² IEC61215、 IEC61646 2020年6月 - 协鑫光电 1×2m² IEC61215 待送样 预计2023年底结束测试 仁烁光能 0.3×0.4m² IEC61215 2023年9月 大尺寸产品落地送检，通过可靠性测试 无限光能 - 自测 2022年 未封装的电池在干燥空气中放置20000小时保持95%的初始光电转换效率 资料来源：纤纳、极电、众能、协鑫、仁烁、无限公司公众号,国盛证券研究所 目录 CONTENTS 01钙钛矿基本情况介绍 02 2.1 钙钛矿核心设备：真空镀膜&涂布设备钙钛矿未来发展路径？ 2.2钙钛矿怎么做？需要哪些设备？ 2.3 2.4 钙钛矿设备空间有多大？ 谁在做钙钛矿？用谁的设备？ 03钙钛矿设备推荐标的 7 旋转涂布 刮刀涂布 狭缝涂布 喷墨涂布 类似于半导体领域给晶圆上光刻 将浆料涂表面，用刮刀以 涂布头中间有一条缝，浆料在缝里面，结构上与狭缝涂布类似，区别在于把 原理胶。把要涂的浆料滴在基材的表面，然后开始高速旋转，浆料随 着离心力，就向四周扩散开来。 固定的倾斜角和悬空高度 刮涂浆料，在基板上涂出均匀的膜层。 随着浆料在缝隙中流出，涂到基材表面上。 长缝变成了喷墨孔，把狭缝涂布头做 了细小化处理，并且悬空让浆料滴落在基板上形成膜层。 优点 工艺简单，成本低，高速旋转能 够使溶液快速干燥。 操作简单，调节方便，涂 布液粘度要求范围广。 涂布过程中较好地控制浆料的流出量，调试精度足够高的前提下，可以适应 保障膜厚的均匀度，精度较高，涂布 液利用率高，可大面积制备。 基板平整度较差和曲面基板的情形。 一般适合圆形基材，方形基材在 缺点四个角的边缘处容易涂不匀。由于放射状涂布，离圆心越远，均 匀度越低。涂布液利用率较低。 膜层厚度的一致性不高。基板的平整度会影响膜厚的均匀度。微米级以下的精度不再适用。刮刀损耗大、涂布液利用率较低。 对基材平整度有一定要求，基材表面过于凹凸不平则还是涂不匀（比方说晶硅的绒面）。设备成本和维护成本较高，对操作人员技术要求高。 价格比狭缝涂布贵。设备调控和参数调试困难：环境温度湿度和落点状况复杂。损耗大：喷孔容易堵塞、喷墨的损耗高，导致材料成本偏高。 钙钛矿层钙钛矿电池不是圆形、且面积大，精度不够、对基板平整度 控制系统可通过缝隙宽度、基底移动目前精度不够，未来经调试喷墨效率 适配度匹配度不高。要求高，适配度不高。 速度、储液泵给料速度控制镀膜效果。更高或效果更好，可能会慢慢进入市 场。 图表13：旋转涂布原理图 资料来源：researchgate、国盛证券研究所 图表14：刮刀涂布原理图 资料来源：researchgate、国盛证券研究所 图表15：狭缝涂布原理图 资料来源：化工仪器网、国盛证券研究所 图表16：喷墨涂布原理图 资料来源：reseachgate、国盛证券研究所 蒸镀 磁控溅射 RPD等离子沉积 ALD原子层沉积 原理 材料源在真空腔体内加热汽化为蒸汽，蒸汽接触冷的基板冷却凝固成膜。材料的加热性能、对蒸发速率的控制能力