钙钛矿太阳电池研究总论（光伏设备专题策略）：朝阳之光，与时并明

证券研究报告 行业评级：领先大市-A 钙钛矿太阳电池研究总论（光伏设备专题策略）：朝阳之光，与时并明 安信证券研究中心机械团队分析师郭倩倩 SAC执业证书编号：S1450521120004 分析师范云浩 SAC执业证书编号：S1450521120007 2023/2/4 在未来的光伏电池技术路线中，钙钛矿是非常具备前景的候选材料。钙钛矿太阳电池 与传统晶硅太阳电池的差异主要体现在：①更加优异的本征光电性质，理论极限效率更高； ②吸光层材料（钙钛矿层）与基层（如TCO）相分离；③载流子的传输/阻挡更加依赖不同功能层材料之间的能级排布。与此同时，以典型的有机无机杂化钙钛矿电池为例，常见的组成元素如碳、氢、氮、铅、碘等在地球上都非常常见。优良的光电特性与物质丰度是钙 钛矿电池长期实现商业化最基础的先决条件。 我们认为钙钛矿太阳电池的商业化本质如下：①在未来光伏产业降本之路上的必然尝 试。就单结电池而论，随着人们对光电材料探索的深入，在目前已知已试范围内要么面临效率瓶颈，要么商业化逻辑证伪。钙钛矿范畴几乎是唯一值得探索方向，长期产业趋势不必担忧。②从晶硅到钙钛矿电池，行业属性从大宗工业品转向精细化学品，可通过吸光层材料组分的调控在材料端就会实现差异化。③工艺简洁带来产业链自然缩短，没有传统意义上的电池片环节，产业边界与工艺边界模糊化，前后道工艺天然一体化在材料选择与工艺落地方面需要兼顾问题较多，对组件制造及设备企业而言“易会难精”。④就工艺体系而言迎来光伏制造面板化，未来或有大量企业从面板行业跨界进入钙钛矿太阳电池领域。 从商业化进程来看：我们认为商业化初期，钙钛矿/晶硅叠层与钙钛矿单结电池双线并举，未来钙钛矿/晶硅叠层主要的目标市场是地面电站，而钙钛矿单结电池主要针对的目标市场是BIPV、CIPV及消费级小组件等，挤压其他小众薄膜电池的市场空间。从商业化时点来看，钙钛矿/晶硅叠层可能领先于钙钛矿单结，主要系：①光伏应用端主要场景如地面电 站回收周期长，是低风险偏好行业，钙钛矿电池尚缺乏产品可靠性背书，需要站在晶硅的肩膀之上慢慢积累成熟度再反客为主。②从实证数据来看，钙钛矿电池高效率、大面积、高可靠性三者之间尚未完全相兼而善，钙钛矿/晶硅叠层可解决大面积问题，且工艺成熟后不会牺牲晶硅绒面。③钙钛矿/晶硅叠层的理论效率（约42.5%）高于钙钛矿单结（约33%），叠层路线将延续晶硅电池生命周期，晶硅电池厂商面临瓶颈后会自发转向钙钛矿/晶硅叠层，尤其是HJT技术路线。 从投资主线来看：①基于产业化可行性看好钙钛矿/晶硅叠层确定性趋势，建议关注对 薄膜工艺理解深入的迈为股份，捷佳伟创，微导纳米等。②基于光伏制造面板化与钙钛矿电池先有再优过程中的工艺转型，建议关注奥来德、京山轻机等。③基于吸光层材料与基层材料分离带来电池片成本结构变化，推荐TCO玻璃环节，及靶材相关标的。④基于钙钛矿晶体对水氧光热敏感，封装的功能性意义凸显，建议关注组件层压设备及POE材料相关标的。⑤基于“激光法”实现钙钛矿串联结构，建议关注帝尔激光、德龙激光等激光设备公司。 风险提示：钙钛矿商业化进程不及预期；钙钛矿电池领域市场竞争加剧；钙钛矿电池部分原理性及工程性问题涉及专业及专业未知领域，市场研究层面可能有认知偏差；为方便广大投资者理解本研究语言表述不符合学术规范 目录/CONTENTS 太阳电池分类及钙钛矿电池与晶硅电池对比 01 钙钛矿太阳电池的商业化本质 02 钙钛矿太阳电池制备工艺及设备 03 钙钛矿太阳电池商业化进展与产业化难题 04 钙钛矿太阳电池行业投资主线及风险提示 05 01 太阳电池分类及 钙钛矿电池与晶硅电池对比 太阳电池按照材料类型来说，可以大致分为三个技术代际： （1）第一代硅基太阳电池（CrystallineSilicon）：主要指单晶硅、多晶硅、以及非晶硅作为吸光层的太阳电池。 （2）第二代多元化合物薄膜太阳电池（ThinFilm）：主要包括砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、铜铟镓硒（CIGS）、碲化镉（CdTe）太阳电池。 （3）第三代新型太阳电池（Organic&Nanomaterials）：主要包括钙钛矿太阳电池，染料敏化太阳电池，有机太阳电池、量子点太阳电池。 图表：太阳电池按照材料类型可分为硅基电池、多元化合物薄膜电池、新型太阳电池（补充） 资料来源：《光伏电池原理》，安信证券研究中心整理绘制 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 晶硅电池发展历程 ◆1953年Bell实验室首次制备出具有实际应用价值的晶硅电池； ◆1958年晶硅电池首次在空间应用(美国先锋I号)； ◆1959年美国HoffmanElectronics的晶硅电池效率突破10％； ◆1960年初西门子法制备多晶硅基本实现产业化，为太阳电池大规模地面的应用奠定了材料基础； ◆1970年初光伏在地面场景得到应用，70年代末地面太阳电池产量已远超过空间电池； ◆1985年澳大利亚新南威尔士大学的晶硅太阳电池实验室效率突破20%，1998年达到24.7％; ◆2004年德国实施修正的《可再生能源法》（即著名的“施罗德法案”），使得光伏产业在整个欧洲获得大规模商业化应用的机会，欧洲在主导光伏装机应用后市场对光伏电池技术逐渐“独尊晶硅”，即晶硅电池的发展有非常明显的时代底色。 中国美国日本德国 其他 18% 100% 17% 16% 80% 14% 13.70% 12% 11.70% 60% 10% 9.40%9% 40% 8% 8% 6% 6.80% 6.30% 20% 4% 3.50%3.20% 4.40%4%3.80% 0% 2% 0% 2009201020112012201320142015201620172018201920202021 资料来源：IRENA，安信证券研究中心 资料来源：CPIA，安信证券研究中心 图表：全球光伏装机量区域分布情况，2004年之前日本主导装机应用图表：薄膜电池市占率自2004年后持续受到晶硅电池的挤压 由于能量小于半导体带隙的光子不能发生本征吸收，Shockley和Queisser提出了太阳电池的极限效率与半导体带隙之间的计算关系，这个极限被称为Shockley-Queisser（SQ）极限。对地面光谱而言，晶硅太阳电池的理论极限效率大概在29.43% 2018年，德国哈梅林研究所 （ISFH）在瑞士的《太阳能材料和太阳电池》学报上，对各种电池片的极限效率进行了测算，结论： 单面poly钝化的TOPCon的效率极限是27.1%。 双面poly钝化的TOPCon极限是28.7%（把背光面的氧化硅和高掺杂的多晶硅复合钝化层同时搬到前表面，Polo架构） HJT（α-Si）：极限效率27.5%，论文发表较早是以非晶硅测算的HJT（μc-Si）：效率极限约28.5% 在资本市场关注度颇高的HJT电池目前在实验室效率层面取得了晶 硅电池之最。虽然HJT是晶硅电池， 但其核心工艺主要采用薄膜工艺 （CVD、PVD），借鉴了新型薄膜电池的结构特点，是承前启后的一代光伏电池片工艺技术。 图表：2018年ISFH对各类太阳电池的理论效率进行了测算 资料来源：《HJT与TOPCon的竞争与融合》—王文静，安信证券研究中心 相比于硅属于间接跃迁型半导体材料，使用III-V族化合物太阳电池、碲化镉（CdTe）、铜铟镓硒（CIGS）等直接跃迁型半导体吸光能力更强。硅属于间接跃迁型半导体，吸收光的能力比较弱，光吸收需要上百μm的衬底厚度，其薄片化程度有其物理瓶颈（通俗来讲厚度为几μm时光就直接透过去了，没有被吸收）。而上述化合物太阳电池则属于直接跃迁型半导体材料，在玻璃、塑料和不锈钢等基底上沉积薄膜光伏材料，厚度仅为几μm就可以取得较高的转换效率，为制造更廉价、低耗的光伏产品开辟了新思路。多元化合物薄膜电池均有较大的产业化瓶颈。III-V化合物半导体太阳电池虽然具有很高的转换效率，但基板材料昂贵，且需要非常高难的制造技术（类集成电路），因此只能应用在航天等特殊领域。碲化镉、铜铟镓硒由于其所用铟元素和镓元素属于稀有元素，地壳中含量并不丰富，因此不利于大规模商业化生产。 图表：CdS/CdTe太阳电池板的截面结构示意图图表：CIGS太阳电池截面结构示意图 钙钛矿材料（分子通式为ABX3的一类晶体材料）起初是1839由普鲁士科学家GustavRose于俄罗斯的乌拉尔山的矽卡岩中发现，并以沙俄地质学家LevPerovski的名字命名。由于最早被发现的钙钛矿材料是钙、钛的复合氧化物（CaTiO3）,因此国内将Perovskite翻译为“钙钛矿”。 在光电领域我们所谓的钙钛矿是指具有钙钛矿结构类型的ABX3型化合物，已经完成从钙钛矿氧化物到有机-无机杂化钙钛矿的演化。其中：A（顶点，A=CH3NH3+、CH(NH2)2+等）有机阳离子 （也可用Cs+无机阳离子），B（体心，B=Pb2+、Sn2+等金属离子），X:（面心）卤素阴离子。钙 钛矿结构的一个重要特征就是半径大小相差悬殊的离子可以稳定共存于同一结构中，故其衍生家 族十分庞大。 图表：钙钛矿材料结构示意图图表：钙钛矿容忍因子t介于0.8-1.0之间具有光敏性 Ammoniumion Halogenion 钙钛矿的容忍因子： 对于钙钛矿材料而言，容忍因子t是是考量其能否维持稳定的ABX3结构的重要参数。一般而言，钙钛矿的t介于0.813到1.107之间，t与1的差距越大，则晶格畸变越大。 RA、RB、RX分别为A、B、X离子的半径 Metalion 最初，钙钛矿材料以染料敏化电池的敏化剂形式应用于太阳电池。纳米TiO2是做光催化剂的半导体材料，其带隙为3.0～3.2eV，所以几乎无法吸收可见光而呈无色透明状，无法直接用来制作太阳电池。因此在具有介孔结构的TiO2表面吸附染料分子，染料将吸收可见光，并用产生的电子和空穴来进行发电，称为染料敏化太阳电池。2009年，东京大学TsutomuMiyasaka教授制备出效率为转换效率为3.81%的钙钛矿电池，但在电解质中很容易分解。 钙钛矿 颗粒 东京大学TsutomuMiyasaka 图表：东京大学TsutomuMiyasaka教授制备出效率为转换效率为3.81%的钙钛矿电池 钙钛矿材料性质：①直接带隙材料，主流带隙接近1.4eV（单结SQ极限比晶硅更高）且连续可调；②光吸收系数高，比晶硅高出近两个数量级；③载流子扩散长度长（微米级，与吸收深度相当）；④载流子迁移率高；⑤激子束缚能低等等。同时，有机无机杂化钙钛矿电池中常见的组成元素有碳、氢、氮、铅、碘等，在地球上都非常常见。优良的光电特性与物质丰度是钙钛矿电池能够实现商业化的最基础先决条件。 图表：钙钛矿材料具有良好的光电特性 钙钛矿 硅 铜铟镓硒 砷化镓 带隙（eV） 1.5(可调） 1.1 1.12 1.42 吸收系数（cm-1） 104-5 103 104-5 104-5 迁移率cm2/（V·s） ＞10 1500 ＜10 8500 载流子浓度（cm-3） 1016-17 1016 1015-16 1017 载流子寿命 ＞μs ms 50-200ns ＜100nm 无序态能量（meV） 15 11 25 7 晶硅电池与钙钛矿电池一个很大的结构上的差异在于，吸光层材料与基底材料相分离，晶硅电池硅作为吸光层材料，在晶硅电池片中本身就承担基底材料的作用，对整个电池片结构形成物理支撑。钙钛矿电池吸光材料是钙钛矿活性层，基底材料主要为TCO。晶硅电池有非常明显N区指向P区的内建电场，钙钛矿电池也有内电场（如MAPI表现出固有的双极自掺杂行为），但通常我们不直接类比晶硅电池的PN结。 图表：晶硅太阳电池结构（以Perc