中小盘主题：纯钙钛矿电池初见端倪，HJT-钙钛矿叠层愈发确定

钙钛矿电池效率更高成本更低，商业化趋势初见端倪 “钙钛矿”是指与CaTiO结构类似的ABX型化合物，钙钛矿材料相比晶硅具有更高的理论转换效率和更低的生产成本，但材料本身也存在不稳定性。钙钛矿电池属于第三代太阳能电池，包括纯钙钛矿电池和钙钛矿叠层电池两种类型，单节纯钙钛矿电池结构包含玻璃基板、TCO层、HTL层、钙钛矿层、ETL层、封装胶膜等，TCO、ETL、HTL可选材料相对较多，其中胶膜封装一般选用POE胶膜而不能用EVA胶膜。2022年以来，钙钛矿电池在产品端、设备端和政策端均可看到较为明显的边际改善，商业化趋势已经初见端倪。 纯钙钛矿电池：可颠覆晶硅的潜在路线，产品化商业化尚需时日 纯钙钛矿电池的制造环节包括10步：主受光面TCO和ETL沉积、P1激光划线、钙钛矿层涂覆、HTL层沉积、P2激光划线、背面TCO沉积、P3激光激光划线、P4激光清洗、层压、测试。其中，镀膜设备价值量占比较高。同时，材料端尚未形成统一，导致还无法形成规模效应，以及可落地的应用场景端仍未明确等因素，一直制约纯钙钛矿电池量产。纯钙钛矿电池领域，目前行业内布局较为领先的企业主要集中在一级市场，协鑫光电、纤纳光电、极电光能、任烁光能等，协鑫光电、纤纳光电已经具备100MW纯钙钛矿电池产线，极电光能150MW产线即将投产，任烁光能主要从事纯钙钛矿叠层电池生产，多次刷新小面积全钙钛矿叠层电池转换效率世界纪录，150MW产线逐步落地中，二级市场公司宁德时代和西子节能均有布局，宁德正在搭建目标尺寸为 1.2m * 0.6m 的中试线。 钙钛矿叠层电池：主流企业布局彰显信心，HJT-钙钛矿叠层路径愈发确定异质结电池和钙钛矿电池做叠层更为理想，可进一步发挥HJT电池开路电压和填充因子较高的优势，而topcon电池和钙钛矿电池做叠层需改动的环节相对较多，且会减少topcon电池本身电流高的优势，进而降低叠层电池整体转换效率。 HJT-钙钛矿叠层电池为串联结构，钙钛矿主要吸收中短波长太阳光，HJT主要吸收中长波长太阳光，叠层后可输出超高电压提高转换效率。目前来看，行业内主流企业都已在叠层电池布局，华晟和牛津光伏已有HJT-钙钛矿叠层电池中试线，且华晟计划2025年实现G12异质结钙钛矿晶硅叠层电池效率30%，晶科能源和通威股份已有实验线，隆基、晶澳、天合等传统组件一体化企业均处于研究阶段。 受益标的—捷佳伟创、京山轻机 从业绩释放节奏和投资确定性来看，设备类公司有望优先受益。镀膜设备在纯钙钛矿电池和钙钛矿叠层电池中价值量占比均较高。RPD设备为当前钙钛矿膜层之上镀膜的主流选择，蒸镀设备为HJT-钙钛矿叠层中钙钛矿层制备的主要设备。 受益标的为RPD设备公司（捷佳伟创）和团簇式蒸镀设备公司（京山轻机）。 风险提示：设备工艺尚不成熟的风险；材料及供应链尚待统一的风险；技术扩散导致市场竞争加剧的风险。 1、钙钛矿电池效率更高成本更低，商业化趋势初见端倪 1.1、第三代太阳能电池已至，纯钙钛矿电池和钙钛矿叠层电池双线并行 钙钛矿电池属于第三代太阳能电池，包括纯钙钛矿电池和钙钛矿叠层电池两种类型。 太阳能电池经历了三段发展时期，第一段属于晶硅电池，晶硅电池先后经历了多晶和单晶之争、N型和P型之争，单晶相比多晶效率更高，初始阶段成本相应也更高，2015年单晶组件市占率不超过20%，2019年已经达到62%，完成对多晶的超越。同时，根据CPIA数据，2021年perc电池市占率达91%，远大于效率更高的N型，未来随着N型不断降本，有望成为市场主流；第二代薄膜电池的发展较为波折，19世纪80年代和2000年至2010年间，薄膜电池均是当时市场主流，但19世纪90年代和2010年后晶硅电池分别凭借效率优势和成本优势快速抢占市场，2021年全球市场中薄膜电池市占率仅为3.8%。目前主流的薄膜电池包括碲化镉（CdTe）、铜铟镓硒（CIGS）和砷化镓（GaAs）；第三代新型薄膜电池中既包括钙钛矿太阳能电池，也包括量子点太阳能电池和染料敏化太阳能电池，其中钙钛矿太阳能电池又可分为纯钙钛矿电池和钙钛矿叠层电池，钙钛矿电池可分别和晶硅电池或薄膜电池进行叠层，理论上最大的叠层数量是4层。 图1：钙钛矿电池属于第三代太阳能电池 广义“钙钛矿”是指与CaTiO结构类似的ABX型化合物，目前用于太阳能电池发电层的钙钛矿材料一般为有机-无机杂化钙钛矿材料。钙钛矿材料电池命名取自俄罗斯地质学家Perovski的名字，狭义的钙钛矿特指CaTiO，广义的钙钛矿泛指与CaTiO3结构类似的ABX型化合物，A代表有机分子（一般为CHNH等），B代表金属离 子（一般为铅或锡），X代表卤素离子（一般为氟、氯、溴、碘、砹），A、B、X分别对应图2中蓝色、灰色、紫色部分，BX构成八面体。用于太阳能电池发电层的钙钛矿材料一般为有机-无机杂化钙钛矿材料，该类型的结构是1987年由Weber首次提出。 图2：钙钛矿材料晶体结构呈八面体形状 图3：钙钛矿石材料示意图 纯钙钛矿电池中n-i-p型电池结构较为普遍，钙钛矿叠层电池中HJT-钙钛矿叠层电池较为合适。纯钙钛矿电池可分为n-i-p和p-i-n两种器件结构，其中n-i-p结构是指电子传输层-钙钛矿层-空穴传输层的器件结构，p-i-n结构是指空穴传输层-钙钛矿层-电子传输层的器件结构，其中n-i-p器件结构较为常见。钙钛矿叠层电池方面，钙钛矿可以选择和晶硅电池叠层，也可以选择和薄膜电池叠层，其中由于HJT电池结构天然适合与钙钛矿电池进行叠层，因此HJT-钙钛矿叠层电池是较为普遍的产业选择，HJT-钙钛矿叠层电池的顶电池一般为钙钛矿电池，底电池一般为HJT电池，由钙钛矿电池负责吸收短波长的太阳光(紫外+蓝绿可见光)，HJT电池负责吸收长波长的太阳光(红外光)，可以很好的提高太阳能电池的性能。 图4：n-i-p型的纯钙钛矿电池结构较为普遍 图5：HJT-钙钛矿叠层电池结构示意图 TCO、HTL、ETL层的可选材料相对较多。在钙钛矿电池结构中，玻璃一般采用超白浮法玻璃；空穴传输层的作用是只允许空穴通过，不允许电子通过，电子传输层则是只允许电子通过，不允许空穴通过，使得空穴和电子分离进而产生电动势，材料上HTL层和ETL层的选择相对较多，各个材料之间存在一定差异，ETL层可以选用 TiO2 、SrTiO、ZnO、SnO、ZrO等，HTL层可以选用NiO、CuS、CuS、CuO、MoO、WO； TCO薄膜需满足多项条件，一般选用ITO。透明导电层膜TCO的主要作用是镀在玻璃上使其具有导电性，成为太阳能电池的顶电极，或是在叠层电池中作为晶硅电池和钙钛矿电池的过渡层，以减少表面载流子的复合。TCO薄膜一般需要同时满足透光性、导电性和稳定性，受光面TCO膜需要是较低的载流子浓度防止红外吸收，且需与接触的硅薄膜的功函数匹配，形成良好的欧姆接触。TCO一般通过掺杂来获得一定的导电性，一般可选择ITO（铟掺杂氧化锡，90%InO+10% SnO）、IWO（铟掺杂氧化钨）、AZO（铝掺杂氧化锌）、IZO（铟掺杂氧化锌）等材料，上述材料也可以构成复合膜层而提升器件性能，一般使用较多的ITO。ITO具有良好的光电性能，但ITO由于含有稀有金属铟，价格也相对较贵； 纯钙钛矿电池中胶膜封装一般选用POE胶膜而不能用EVA胶膜。由于钙钛矿材料比较敏感，因此钙钛矿电池在封装的要求相比晶硅电池更高，一般采用POE胶膜而不能采用EVA胶膜，主要原因有两点，一是EVA胶膜的水汽透过率较高，晶硅可以容忍的水汽透过率钙钛矿不能容忍，二是EVA胶膜降解分解会产生醋酸，对钙钛矿材料造成腐蚀，降低电池性能。POE胶膜相比EVA胶膜的封装效果和稳定性更好，但POE胶膜目前同样存在两点问题，一是POE粒子目前仍严重依赖于进口，二是层压工艺上存在打滑等问题。整体来看，尽管各膜层可供选择的材料相对较多，但各档次最优材料或最适合量产材料的确定对于产业化规模降本来说也同样重要。 表1：钙钛矿电池各模型结构的可选材料相对较多 钙钛矿电池的发电原理本质上依旧是扩散，钙钛矿材料的吸收系数、载流子复合率、载流子迁移率等性能指标均较为优异。光照下钙钛矿材料吸收光子能量，其价带内的束缚电子穿过禁带到达导带，在价带中留下空穴，产生电子-空穴对，这些载流子或成为激子或成为自由载流子，其中，未复合的电子从钙钛矿层传输到电子传输层，进而被导电基底收集，未复合的空穴从钙钛矿层传输到空穴传输层，进而被金属电极收集。在接通外电路情况下，电子和空穴在扩散作用下分别向特定方向移动进而形成电流。钙钛矿材料具有较高的吸收系数，双极载流子传输性质，较低的载流子复合率和较高的载流子迁移率，所以载流子的扩散距离和寿命较长。例如，CHNHPbI的载流子扩散长度至少为 100nm ，有的钙钛矿材料甚至可以达到1μm， 图6：钙钛矿电池发电原理本质上依旧是扩散 钙钛矿电池的能量损失主要来自于光损失和电损失，对于钙钛矿/晶硅叠层电池还存在电流失配导致的能量损失。光损失：钙钛矿叠层电池的光损失包括不能被吸收的太阳光损失、上表面的反射损失、透明电极或中间层寄生吸收损失。晶体硅的禁带宽度为1.12eV，纯钙钛矿的禁带宽度为1.55eV，钙钛矿-晶硅钙钛矿叠层电池中钙钛矿的禁带宽度为1.73eV，太阳光中能量低于禁带宽度的长波段光子不足以提供足够的能量产生光生载流子，叠层电池的反射损失主要发生在顶电极和底电极的表面，晶硅的折射率约为3.8，空气的折射率略大于1，钙钛矿层的折射率的一般在2.34-2.38，可通过减反处理降低反射损失。图7中白色部分即是不同波长的反射损失，其他部分是各层的吸收情况。叠层电池的寄生吸收损失主要原因为叠层电池中钙钛矿层和硅层吸收光产生光电流，但电子传输层、空穴传输层、透明电极的光吸收不会产生光电流，从而导致寄生吸收损失，通过削减膜层厚度可以降低吸收损失；电损失：是由电子传输层、空穴传输层、透明电极等各层的表面电阻引起，降低膜层厚度一方面可以降低寄生吸收损失，但另一方面也会增加表面电阻，因此优化薄膜厚度使得光损失和电损失之间达到平衡是提高叠层电池性能的重要方式之一；电流失配导致的能量损失：叠层电池的光电流遵循短板效应，即取决于子电池中最小的光电流，因此使得顶电池和底电池的电流匹配也是提高叠层电池性能的重要途径，需要通过不断的计算和模拟以获得最理想的匹配结果。 图7：钙钛矿层吸收短波长，晶硅层吸收长波长，光损失主要发生在顶电极表面 1.2、钙钛矿电池具有更高实验效率和更低生产成本，稳定性尚待提升 钙钛矿电池的优势：钙钛矿材料吸光性更好且带隙可调，相较于晶硅电池拥有更高理论转换效率和更低生产成本两点核心优势。 钙钛矿电池优势1：晶硅电池理论极限效率为29.4%，钙钛矿叠层电池实验室效率已达到31.3%。 单节晶硅电池理论转换效率上限是29.4%，实验室效率极限约28%，工程极限效率是27.1%。半导体材料本身决定着光伏电池转换效率的上限，而半导体材料的禁带宽度决定了其开路电压和短路电流，一般来说，禁带宽度越大，开路电压越大，而短路电流越小。晶体硅的带隙宽度为1.1 eV，对应单结晶硅电池理论效率极限是29.4%，实验室极限效率约28%，现实条件可实现的工程极限效率是27.1%。 2021年Perc电池量产平均效率23.1%，天合光能210 perc电池量产最高效率24.5%，理论转换效率上限24.5%。根据CPIA数据，2021年perc电池平均转换效率为23.1%，市场占比91.2%，同期2021年异质结电池平均转换效率达24.2%，N型电池平均转换效率超过24%，市场占比仅为3%；天合光能2022年7月宣布其自主研发的210mm高效p型PERC电池最高效率达到24.5%，已经达到perc电池的理论效率极限，也是天合光能第24次刷新和创造世界纪录； 截至2022年8月，topcon电池量产平均效率已达到24.8%，实验室效率已达到25.7%，理论转换效率上限是28.7%。目前晶科能源2022