钙钛矿电池产业化发展研究报告
钙钛矿电池成本低、效率天花板高，有望成为主流太阳能电池技术。钙钛矿太阳能电池是利用钙钛矿结构材料作为吸光材料的太阳能电池，具有高能量转化效率、价格低、重量轻、柔性大等特性。当前晶硅电池效率已经逐步接近理论效率极限29.4%，而钙钛矿单结电池的肖克利-奎伊瑟（S-Q）理论效率极限为33.7%，全钙钛矿叠层电池理论效率可达44%，截至2023年底，晶硅-钙钛矿叠层电池实验室效率已达33.9%（隆基数据）。原材料成本方面，钙钛矿材料原材料具有易得、成本低、价格周期性弱的属性；生产过程中，钙钛矿电池能耗低，加工过程无高温环节，能耗最低可达到0.2元/W。我们认为钙钛矿电池具备转化效率的突出优势，同时产业环节精简、生产成本较低，有望替代晶硅电池成为主流太阳能电池。 产业化主体具备资金技术优势，为钙钛矿发展提供坚实保障。钙钛矿研发方面，华能集团是最早从事钙钛矿技术研发的能源企业，多个央企均有钙钛矿研发布局；产业化方面，当前钙钛矿产业化进展领先的企业大量背靠国资及大集团：协鑫光电背靠协鑫集团，收获宁德时代、腾讯融资；极电光能获长城控股集团投资，已建设全球首条GW级产线；万度光能背靠宜昌国投集团，3GW组件项目已开工。同时，各行业巨头均涌入钙钛矿赛道，宁德时代、华纳集团、比亚迪、京东方等纷纷押注钙钛矿。腾讯控股、宁德时代、比亚迪、京东方A和华能国际总市值超4万亿。无论是国资背景还是各行业巨头，布局钙钛矿的企业均具备雄厚的资金实力，具有推动技术发展所需的资源和灵活性，可以大量投入研发创新，为推进钙钛矿产业化奠定坚实基础。 风险提示：原材料价格波动风险；技术进展不及预期风险；产业化投资不及预期风险；政策变动风险。 1.钙钛矿基本情况介绍 1.1钙钛矿电池原理 钙钛矿太阳能电池是利用钙钛矿结构材料作为吸光材料的太阳能电池，属于第三代薄膜电池的代表，包括单结钙钛矿电池和钙钛矿叠层电池两种类型，具有高能量转化效率、价格低、重量轻、柔性大等特性。当前晶硅电池效率已经逐步接近理论效率极限29.4%，而钙钛矿单结电池的肖克利-奎伊瑟（S-Q）理论效率极限为33.7%，全钙钛矿叠层电池理论效率可达44%，目前晶硅-钙钛矿叠层电池实验室效率已达33.9%（隆基数据）。随着工艺技术不断突破，钙钛矿电池将进一步打开光电转化效率天花板。 图表1：钙钛矿材料示意图 根据《Organic-Inorganic HalidePerovskitePhotovoltaics》，钙钛矿最初是指化学式为CaTiO3的矿物质以及拥有CaTiO3结构的金属氧化物，经过多年发展，目前演变为具备化学通式ABX3的物质都可被称为钙钛矿。钙钛矿材料的结构示意图如图1所示。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可选择甲胺（CH3NH3+，MA+）、甲脒（NH2-HC=NH2+，FA+）和Cs+等一价阳离子，B可选择为Pb2+、Sn2+和Ge2+等二价阳离子，X可选择I-、C l-和Br-等卤素阴离子，当A或X离子选择多种配方体系时即构成混合离子钙钛矿。 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。据测算，目前元素周期表里86%的元素均可作为钙钛矿的ABX3的原材料。所以，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。 1.2钙钛矿实验室效率提升和问题解决 钙钛矿自2009年开始应用于光伏电池发电，由日本科学家Kojima和Miyasaka将钙钦矿材料应用到染料敏化太阳能电池中，并实现了3.8%的光电转换效率。在各国实验室的研究推进下， 钙钛矿电池单结转换效率迅速提升。2012年研究小组使用固态spiro-OMeTAD作为空穴传输层以替代传统的液体电解质并制备出全固态钙铁矿太阳能电池，转换效率突破10%；2013-2015年得益于两步沉积法、氧化铝取代二氧化钦、采用阳离子交换等途径，钙铁矿太阳能电池转换效率相继突破15%和20%；2019年通过增强电荷载体管理，实现了25%的效率突破，2022年叠层钙钛矿再度实现29%的突破。 图表2：钙钛矿电池发展史 根据美国国家可再生能源实验室（NREL）在2023年7月公布的数据，单结钙钛矿太阳能电池的认证效率已经提升到了26.1%；在2023年11月的NREL报告中，隆基绿能自主研发的晶硅-钙钛矿叠层电池效率已达到33.9%。随着工艺技术不断突破，钙钛矿电池将进一步打开光电转化效率天花板。 图表3：钙钛矿电池转化效率演进 针对钙钛矿存在的有关缺陷，如寿命短、面积不同时效率不统一、钙钛矿材料和器件稳定性不足等劣势，科研学术界仍不断钻研，并取得一定进展。2024年1月，陈江照和易健宏团队开发了一种多齿配体增强的螯合策略，通过管理界面缺陷和应力，来提高埋底界面的稳定性。他们采用膦酸酯修饰埋底界面，并减轻了界面残余拉应力，促进钙钛矿结晶，降低影响电池性能的界面能垒。该多齿配体调控策略，可适用于不同的钙钛矿组分，具有很好的普适性。由于显著减少了非辐射复合和显著提高的界面接触，膦酸酯修饰的器件实现了24.63%的功率转换效率，这是目前报道的空气环境制备器件最高效率之一。 1.3钙钛矿电池的优点 钙钛矿与晶硅电池的光吸收波长互相补充，下表对比了钙钛矿电池与晶硅电池的各项性能参数指标。钙钛矿电池在期间厚度、透光性、弱光效应、吸光层纯度方向都具备明显优势。 图表4：钙钛矿电池与晶硅电池对比表（截至2023年末） 钙钛矿电池相较晶硅电池存在以下五个主要优势 优势一：钙钛矿材料原材料易得，原料成本低，价格周期性弱。 优势二：钙钛矿电池吸光层材料对杂质容忍度高（95%即可），远小于晶硅的99.9999%。 优势三：钙钛矿材料吸光系数高，厚度更薄（钙钛矿吸光层厚度可做到 500nm 左右，仅为晶硅硅片厚度的0.3-0.4%），原料使用量小。 优势四：钙钛矿电池能耗低，加工过程无高温环节，能耗最低可达到0.2元/w。 优势五：钙钛矿电池轻薄、吸光性好、透光度高，具备理想的柔性组件应用场景。这里将钙钛矿电池的应用可分为“柔性应用”与“刚性应用”。柔性应用场景简单分为以下三部分，并且根据现有政策简单测算了一下，未来十四五期间，国内具备近5000亿的柔性组件应用场景（①BIPV即Building Integrated PV，即光伏建筑一体化，是将太阳能发电(光伏)产品集成到建筑上的技术；②BAPV即Building Attached Photovoltaic，主要指在现有建筑上安装的太阳能光伏发电系统；③CIPV（汽车集成光伏）领域处于起步阶段，可利用光伏全景天窗的功率输出约为数百瓦，主要用于支持供暖、通风和车载空调系统。）我们测算，十四五期间，上述三个领域对应的市场规模可达5000亿（此处不包括可穿戴便携充电设备）。 图表5：钙钛矿电池柔性市场应用预测 钙钛矿电池的高效率还可以拓展其“刚性”的应用场景，根据2022年8月发表的《钙钛矿光伏组件在集中式光伏电站中的应用前景分析》中论文提及数据，钙钛矿组件成本预期可低至100元 /m2 以下，全资本金的内部收益率可高达19.97%。这样低成本单节钙钛矿电池在沙隔荒大基地项目中讲会保有较强的竞争力。 图表6：100元/㎡成本下，钙钛矿电池的资本金IRR测算表 2.钙钛矿电池研究进展 2.1钙钛矿行情复盘 钙钛矿电池从2020年开启多轮上涨行情。2020年初至2021年末，钙钛矿电池指数（8841634.WI）上涨超180%，政策催化、价格驱动、需求增长等多重因素推升光伏行业景气度。2019年12月，欧盟发布《欧洲绿色协议》明确提出了在2050年实现碳中和的目标和一系列政策与行动；2020年9月，中国在75届联合国大会上首次在国际公开场合提出双碳目标，提出我国二氧化碳排放力争在2030年前达到碳峰值，2060年前实现碳中和；全球陆续达成发展可再生能源共识。中国光伏终端装机增长势头强劲，光伏行业内公司估值和业绩双轮驱动，钙钛矿电池行情随光伏整体行情同步上涨。 图表7：2017-2023年钙钛矿电池行情图 一级资本陆续入局+政策再度发力，2022年是钙钛矿投资热潮元年。2022年至2023年，钙钛矿电池指数有涨幅分别近80%、25%的两轮上涨行情。以2022年首个开盘日为基日，截至2023年末，钙钛矿电池指数跑赢沪深300指数约16个点，跑赢申万光伏设备约30个点。 政策角度来看，2021年末国家能源局、科技局发布的《“十四五”能源领域科技创新规划》，是钙钛矿发展政策强心剂，文件指导研制基于溶液法与物理法的钙钛矿电池量产工艺制程设备，开发高可靠性组件级联与封装技术，研发大面积、高效率、高稳定性、环境友好型的钙钛矿电池；开展晶体硅/钙钛矿、钙钛矿/钙钛矿等高效盏层电池制备及产业化生产技术研究。2022年全年，《“十四五”可再生能源发展规划》、《加快电力装备绿色低碳创新发展行动计划》等多项政策多次提到促进钙钛矿产业研究发展，为钙钛矿发展铺就政策底色。 资本角度来看，2021-2022年，钙钛矿领域整体投资额已近百亿元，大部分风险投资发生在2022年。2022年12月21日，协鑫光电宣布完成5亿元人民币B+轮融资，此轮融资由淡马锡投资、红杉中国、IDG资本三家联合领投，川流投资等机构跟投，协鑫科技持续加码。 图表8：2022-2023年钙钛矿电池行情图 图表9：钙钛矿相关企业融资进度 2.2能源央企押注钙钛矿，大力研发促进产业化 华能集团是最早从事钙钛矿技术研发的能源企业，于2013年开始基础理论研究，2015年着手实验室级小面积钙钛矿研发，效率达到18.8%，进入国内领先水平；2019年，小面积电池效率突破22.8%，同年进行工艺放大，100平方厘米电池模组效率达到18%； 2020年，华能开启产业化进程，建设大面积模组中试实验线；2021年3月，首片三代线级别（3500平方厘米）钙钛矿光伏组件正式下线。 2021年12月，华能大面积钙钛矿光伏组件转换效率经第三方检测达到15.51%。2022年11月，认证转换效率突破18.5%。华能方面表示，这是公开报道首次基于3500平方厘米大面积组件上实现的最高效率，是华能集团从小面积钙钛矿研发到大面积产业化的重要阶段性进展。 2023年12月25日，中国华能集团有限公司青海分公司共和塔拉滩30万千瓦光伏建设项目成功并网发电，该项目部分运用了最新钙钛矿电池组件，是由中国华能牵头建设的全球最大商用尺寸兆瓦级钙钛矿组件光伏示范项目。 图表10：中国华能钙钛矿进展 国家电投：国家电投集团中央研究院于2019年底开始启动叠层电池技术研究，于2022年7月完成第一阶段实验室验证，2023年3月，中央研究院自主研发的钙钛矿/硅异质结两端叠层电池（5×5mm）效率达到27.69%，截至2023年末，经第三方机构测试，小面积叠层电池效率已达29.4%，并同时在进行面向产业化的大面积叠层电池技术开发。 中国能建：中国能源建设集团与中国电力科学研究院有限公司在2022年11月宣布，将联合众能光电成立零碳院，专注于第三代光伏技术等新技术的研发与应用，支撑具有中国特色国际领先的太阳能发电产业的发展。 华电集团：华电集团旗下的华电重工于2023年3月在投资者关系活动会上表示，华电重工拟在“十四五”期间，紧跟异质结、钙钛矿等行业新技术应用，进入光伏制造环节，补足华电集团光伏产业链制造短板，积极发展支架制造，补足产品短板，适时开发外部市场，发展成为国内一流的光伏装备提供商。 中核集团：中核集团旗下主要上市公司中国核电于2023年6月27日通过了《关于柔性、刚性钙钛矿商业级中试产线研发科研项目立项的议案》，议案表示中国核电2022年钙钛矿项目科研工作有序推进；重点项目钙钛矿太阳能电池项目加速研发。2023年将重
