机械设备行业-钙钛矿电池1：追风赶月莫停留，平芜尽处是春山！

行业报告|行业专题研究 证券研究报告 2022年10月27日 机械设备 钙钛矿电池1：追风赶月莫停留，平芜尽处是春山！ 分析师李鲁靖SAC执业证书编号：S1110519050003 作者： 联系人张钰莹 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 行业评级：强于大市（维持评级）上次评级：强于大市 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 2 摘要 太阳能电池发展到现在大致分为以下三代： 1）第一代是发展最久的硅基太阳能电池，制备成本较高，光电转换效率一般，电池器件稳定很好，使用寿命一般在20年左右。2）第二代多元化合物薄膜太阳能电池，主要包括砷化镓（GaAs）、碲化镉（CdTe）、铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池等，PCE较高，器件稳定性较好，电池器件制备工艺简单，但这类电池使用的材料部分元素严重污染环境且地球储备量很少，阻碍商业化和工业量产。3）第三代新型太阳能电池，主要包括钙钛矿太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池、量子点太阳能电池等。制备工艺简单、原材料地球储备量大、光电转化效率较高，但目前电池稳 定性比较差。 钙钛矿太阳能电池： 钙钛矿太阳能电池，采用具有钙钛矿晶体结构的有机无机杂化的金属卤化物作为吸光层。钙钛矿指代一大类具有与此类矿物相同晶体结构的化合物，把结构与之类似的晶体统称为钙钛矿物质。其化学成分简写为AMX3，其中A通常代表有机分子，M代表金属（如铅或锡），X代表卤素（如碘或氯）。截止2022年8月公开发表的单结钙钛矿太阳能电池世界最高光电转换效率已达到25.6％，钙钛矿与晶硅叠层电池的效率已经超过30%。 增效：在理论极限上，晶硅太阳能电池、PERC单晶硅电池、HJT电池、TOPCon电池的极限转换效率为29.40%、 24.50%、27.50%、28.70%。单结钙钛矿电池理论最高转换效率达31%，多结电池理论效率达45%。 降本：1）制备成本方面，硅料价格的持续上涨使得下游电池和组件厂商利润承压均出现一定程度的下滑。而PSCs制作过程无需硅料，制作金属卤化物钙钛矿所需原材料储量丰富，价格低廉，且前驱液的配制不涉及任何复杂工艺。2）设备投资额方面，钙钛矿实现1GW产能需要的投资金额约为5亿元左右，是晶硅的1/2左右，比起投资更高的第 二代GaAs薄膜太阳能电池，成本更是只有1/10。 建议关注：1）钙钛矿设备：捷佳伟创、京山轻机、帝尔激光、杰普特等；2）钙钛矿材料：金晶科技（建材组覆盖）、 杭萧钢构（建材组覆盖）。 风险提示：光伏装机不及预期；电池片技术路径变化风险；钙钛矿电池量产速度低于预期等 1.钙钛矿电池： 第三代叠层技术光伏电池 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明3 数据来源：CNKI_高效稳定钙钛矿太阳能电池的制备与研究_朱荣志，CNKI_太阳能电池的研究现状与进展_梁启超，爱疆科技公众号，天风证券研究所 4 钙钛矿电池 (PSCs) 量子点太阳能电池(QDSCs) 第三代新型电池 染料敏化电池 （DSSCs） 钙钛矿/硅叠层电池 多结叠层钙钛矿 单结钙钛矿 铜铟镓硒化合物 薄膜电池(CIGS) 太阳能电池 砷化镓薄膜电池 (GaAs) 碲化镉薄膜电池 (CdTe) 1.1历史复盘：第三代光伏电池技术正在崛起 太阳能电池发展到现在大致分为以下三代：1）第一代是发展最久的硅基太阳能电池，制备成本较高，光电转换效率一般，电池器件稳定很好，使用寿命一般在20年左右。2）第二代多元化合物薄膜太阳能电池，主要包括砷化镓（GaAs）、碲化镉（CdTe）、铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池等，PCE较高，器件稳定性较好，电 池器件制备工艺简单，但这类电池使用的材料部分元素严重污染环境且地球储备量很少，阻碍商业化和工业量产。3）第三代新型太阳能电池，主要包括钙钛矿太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池、量子点太阳能电池等。制备工艺简单、原材料地球储备量大、光电转化效率较高，但目前电池稳定性比较差。 第二代薄膜电池 第一代晶硅电池 多晶硅太阳能电池 单晶硅太阳能电池 N型 IBC HJT TOPCon PERT P型 PERC 图：太阳能光伏电池分类 1.1历史复盘：第三代光伏电池技术正在崛起 图：太阳能光伏电池分类 第一代晶硅电池第二代薄膜电池第三代新型电池 量产转换效率最高23.1%（p型单晶）最高16.6%（碲化镉）18%（协鑫纳米单结钙钛矿）制造成本高高低 商业化程度商业化最为成功已实现商业化量产处于初级阶段量产情况已非常成熟已实现商业化量产处于初级阶段 资料来源：CNKI_吕凤_低成本制备高效率钙钛矿太阳能电池的研究，德沪涂膜设备公众号，天风证券研究所 图：太阳能电池不同阶段成本与转换效率的关系 数据来源：CNKI_钙钛矿太阳能电池_光伏领域的新希望_魏静、天风证券研究所5 数据来源：CNKI_低成本制备高效率钙钛矿太阳能电池的研究_吕凤，天风证券研究所 6 1.2钙钛矿电池概述：既不含钙，也不含钛 钙钛矿电池：1839年，德国科学家GustavRose在俄国考察中在乌拉尔山脉发现元素组成为CaTiO₃矿物，并将其命名为"perovskite”以纪念同名的俄国地质学家，因最早被发现于钙钛矿石中的钛酸钙（CaTiO₃）化合物中而得名，属于第三代太阳能电池。 钙钛矿材料：广义的钙钛矿其实是指具有ABX3型的化学组成的化合物。其中A（A=Pb2+,Na+，Sn2+，Sr2+, K+,Ca2+,Ba2+等）是大半径的阳离子，B（B=Ti4+,Mn4+,Zr4+,Fe3+,Ta5+等）是小半径的阳离子，X （X=F-,Cl-,Br-,I-,O2-等）为阴离子。 典型的ABX3有机-无机钙钛矿材料中（如图a），A位一般是有机阳离子，如甲铵离子，甲脒离子，占据正方体的八个定点；B位一般是二价金属离子，如，Pb2+、Sn2+等，处于正方体的体心；X是卤素离子，例如： Br-、I-和Cl-，占据面心。由于他们的离子半径比较恰当，尺寸较小的有机离子可以调节无机离子之间的空隙，无机卤化金属就可以构成连续的八面体骨架，形成较为规整的近似于立方体的晶体。由于堆叠紧密所得的三维连续结构拥有较窄的带隙。这种有机-无机杂化的方式与传统的杂化材料不同的是在分子尺度的复合，因此能够结合有机材料和无机材料各自性能上的优势。最常用的纯碘的钙钛矿材料（MAPbI3），带隙约为1.55eV，对应的吸收带边为800nm，可吸收整个可见光谱内的光子，且吸收系数高。有机基团的存在使材料能有溶于常见的有机溶剂，性质可通过改变有机离子尺寸而调节，因此有机-无机钙钛矿材料非常适合作为太阳能电池的吸光层。 1978年，Weber将甲铵离子引入晶体中，形成具有三维结构的有机-无机杂化钙钛矿材料（如图b）。 图：钙钛矿材料的晶体结构 数据来源：CNKI_低成本制备高效率钙钛矿太阳能电池的研究_吕凤，天风证券研究所 7 1.3钙钛矿电池结构：主要分为介孔结构和平面结构 钙钛矿电池主要分为：介孔结构和平面结构。 介孔结构：目前文献中所报道的高效率的钙钛矿太阳能电池的结构是以透明导电玻璃（TCO）作为基底，再是空穴传输层（HTL）或电子传输层（ETL）、钙钛矿活性层和金属电极。钙钛矿层夹在HTL和ETL中间。当钙钛矿层受到光照后，内部激子发生分离产生电子和空穴对，电子通过ETL导出，空穴通过HTL导出，当器件外 加负载便能够形成完整的回路。 平面结构：钙钛矿材料具有良好的双极性载流子传输性能，电子-空穴扩散长度可达到微米级别。除最开始的介孔结构（如图a所示），平面异质结结构又分为n-i-p和p-i-n型被广泛研究（如图b、c所示）。 •n-i-p正置结构钙钛矿太阳能电池如图b，一般的结构形式为导电玻璃-致密的电子传输层ETL-钙钛矿层-空穴 传输层HTL-电极层，电池结构简单且不需要高温工艺； •p-i-n倒置结构钙钛矿太阳能电池如图c，一般的结构形式为导电玻璃-空穴传输层HTL-钙钛矿层-致密的电子传输层ETL-电极层。 图a：介孔结构钙钛矿电池器件结构图b：n-i-p钙钛矿电池器件结构图c：p-i-n钙钛矿电池器件结构 数据来源：CNKI_低成本制备高效率钙钛矿太阳能电池的研究_吕凤，天风证券研究所 8 1.3钙钛矿电池结构1：介孔结构 介孔结构的钙钛矿太阳能电池与染料敏化太阳能电池结构相似，最早诞生的钙钛矿太阳能电池就是此结构（如下图所示）。 此结构从下到上分别是：透明导电玻璃（TCO），TiO2致密层，TiO2介孔层，钙钛矿层，HTL和金属电极。 TiO2作用：TiO2致密层主要起到收集传输电子阻挡空穴的作用，TiO2多孔层主要起这骨架支撑的作用。钙钛矿薄膜附着在多孔的TiO2上，为了确保钙钛矿颗粒能够吸收到足够的光，TiO2多孔层和钙钛矿层的总厚度大约在500nm左右。在这种结构中空穴传输材料会填充在TiO2多孔层和钙钛矿形成的孔洞中，这就很难避免有电子传输能力的TiO2颗粒与空穴传输层材料接触，进一步导致漏电流的产生，最后导致开路电压下降。 ZnO，NiOX，Al2O3等纳米颗粒也被用来代替TiO2颗粒作为此结构的骨架层。 这类结构往往需要经过高温烧结，耗能严重且不利于产业化，也不利于柔性器件的制备。因此这类结构有一定的局限性。 图：介孔结构钙钛矿电池器件结构 数据来源：CNKI_低成本制备高效率钙钛矿太阳能电池的研究_吕凤，天风证券研究所 9 1.3钙钛矿电池结构2：平面结构 平面结构：比介孔结构更加简单。这类结构是典型的三明治结构，钙钛矿活性层位于P型材料和N型材料之间；类似于有机聚合物太阳能电池。相比于与有机聚合物太阳能电池，钙钛矿材料的载流子扩散长度能达到微米，激子束缚能小。因此受光照产生的激子既能在界面处拆分也可以在钙钛矿层进行拆分，形成自由的电子和空穴。 优点：1）这类结构的钙钛矿活性层厚度在400nm左右就可以吸收足够多的光子，还能实现载流子的有效传输。 2）与介孔结构相比平面结构的钙钛矿太阳能电池能得到更高的开路电压，制备工艺相对更简单。 缺点：1）钙钛矿膜质量对电池光电性能至关重要，但这类结构的钙钛矿膜形貌难以控制，器件重复性较差。 平面结结构根据电子传输层和空穴传输层的位置不同，又分为n-i-p型和p-i-n型。n代表n型半导体材料（即 电子传输层材料），i代表钙钛矿材料，p代表p型半导体材料（即空穴传输层材料）。 n-i-p型：最早应用于平面结构，这种结构一般采用金属氧化物（如：TiO2、ZnO）作电子传输层材料，往往需要高温烧结，耗能严重且无法应用于柔性衬底上。 p-i-n型：p型材料主要是PEDOT:PSS，n型材料是C60及其衍生物。基本结构为：TCO/PEDOT:PSS/Perovskite/PCBM或C60/金属电极。这种结构可实现低温制备，因此被应用于柔性器件当中。柔性太阳能电池可以应用于卷对卷（roll-to-roll）生产工艺，不仅能降低生产成本还能实现大面积制备生产，也为钙钛矿太阳能电池产业化和大规模生产提供可能。 图a：n-i-p钙钛矿电池器件结构图b：p-i-n钙钛矿电池器件结构 数据来源：CNKI_低成本制备高效率钙钛矿太阳能电池的研究_吕凤，天风证券研究所 10 1.4钙钛矿电池工作原理 因为钙钛矿这种材料的激子束缚能较小，当太阳光穿过TCO和ETL，照射在钙钛矿活性层上，吸收光子后产生电子-空穴对（载流子），成为自由载流子或激子。激子分离成电子和空穴，空穴和电子分别通过HTL和ETL传输到两侧电极，电极两端将形成电位差。若此时将电极两端连接负载电路，则可以产生回路形成光电流。 1）产生电子空穴对：钙钛矿材料带隙适中、可以吸收800nm以下的可见光而且吸收系数较高等。在光的照射下，能量大于钙钛矿材料带隙的光子会把钙钛矿价带上的电子激发到相应的导带上，但空穴会留在价带上