钙钛矿行业深度报告：下一代光伏电池新秀，产业化曙光初现

证券研究报告·行业研究·电力设备与新能源行业 下一代光伏电池新秀，产业化曙光初现 -----钙钛矿行业深度报告 电新首席证券分析师：曾朵红执业证书编号：S0600516080001联系邮箱：zengdh@dwzq.com.cn 新能源首席证券分析师：陈瑶执业证书：S0600520070006 联系邮箱：chenyao@dwzq.com.cn2023年02月06日 1 摘要 提效快、成本低，钙钛矿潜力十足！钙钛矿为有机无机金属卤化物ABX3，可由人工合成，配方达几十万种，且材料光电损失小。效率上：晶硅电池理论效率极限29.4%，目前最高已达26.8%，而单结钙钛矿肖克利极限33.7%，可调整配方来靠近理论上限。钙钛矿叠层发展潜力更广！成本上：钙钛矿材料可人工合成、原材料成本低、不易受限，GW级别量产钙钛矿材料成本占比约3%，组件成本<1.0元/W，5-10GW级别量产，组件成本可降至0.5-0.6元/W。应用上：钙钛矿具备轻薄、可弯曲特性、同时颜色可调节，在BIPV和车顶光伏市场具备竞争力，可广泛应用于各种场景，有望成为新一代光伏发电明星材料！ 单结/叠层多元发展，钙钛矿技术百花齐放！钙钛矿电池结构主要分为单结和多结叠层电池。单结电池结构分为介孔结构和平面正式或反式结构，目前单结电池产业化主要为平面反式结构。叠层结构分为窄带隙底电池、互联结/隧穿结、宽带隙顶电池三部分；两端叠层成本低、寄生吸收少，两电池电流需严格匹配，具备产业化生产前景；目前钙钛矿/晶硅叠层研究进展领先，实验室效率最高可达32.5%。不同技术路线各有优劣，目前晶硅大厂倾向选择钙钛矿/晶硅叠层的路线，全钙钛矿路线更适合初创企业。 工艺铸就核心竞争力，设备国产化降本可期！钙钛矿电池组件生产共需要镀膜、激光、涂布、封装四种设备，镀膜设备价值量最高 。目前MW级产线设备总投资约1.2亿元，其中镀膜：激光：涂布：封装设备投资比例为50%：25%：15%；10%，未来镀膜设备国产化为降本主要途径；钙钛矿层作为电池的最核心层主流方法采用狭缝涂布机制备，德沪涂膜产业化进程领先，2022年市占率达70%以上；激光设备国产化进程较快，封装设备承接晶硅组件封装，传统供应商有望受益。 技术+政策+资金助力，产业化曙光初现！钙钛矿产业化阶段具有寿命及稳定性、大面积制备难度、铅污染等问题，目前业内通过添加剂、组分工程、设备工艺改良、加强封装等多种手段来应对。协会推动建立行业标准，多家公司的钙钛矿产品通过IEC双85测试，进入量产阶段。目前纤纳光电、协鑫光电、极电光能产业化进度领先，百兆瓦级别产线已搭建完成，GW级产线筹备中，23年或有GW级设备招标；众能/仁烁/万度光能、宝馨科技、奥联电子、宁德时代百兆瓦级别产线搭建中，预计23/25/30年全国合计钙钛矿组件产能1.25/7.4/142GW，产业化在即！ 市场空间广阔，钙钛矿前景星辰大海！需求端看，光伏装机需求向好+渗透率提升带动钙钛矿市场空间广阔，2025/2030年全球地面电站钙钛矿需求分别为0.3/25.0GW，2025/2030全球分布式钙钛矿需求分别2.3/70.5GW,2025/2030整体市场空间为2.6/95.5GW,2022-2030CAGR达146%，市场空间广阔。 投资建议：降本增效促进下，钙钛矿有望成为下一代光伏电池技术方向，重点关注：1）钙钛矿组件：隆基绿能、天合光能、晶澳科技、晶科能源、通威股份，关注东方日升、杭萧钢构、奥联电子等；2）设备：关注捷佳伟创、迈为股份、京山轻机、大族激光、帝尔激光、德龙激光、杰普特、奥来德、德沪涂膜（未上市）；3）封装：福斯特、海优新材，关注天洋新材、激智科技 ；4）TCO玻璃：关注金晶科技、耀皮玻璃。5）关注钙钛矿领先创业公司：纤纳光电、协鑫光电、仁烁光能、极电光能、耀能科技、黑晶光电等（未上市）。 风险提示：竞争加剧，政策超预期变化，可再生能源装机不及预期，原材料供给不足等。 目录 Part1:提效快、成本低，钙钛矿潜力十足 Part2:单结/叠层多元发展，钙钛矿技术百花齐放 Part3:工艺铸就核心竞争力，设备国产化降本可期 Part4:技术+政策+资金助力，产业化曙光初现 Part5:市场空间广阔，钙钛矿前景星辰大海！ PART1提效快、成本低，钙钛矿潜力十足 数据来源：纤纳光电、东吴证券研究所 5 钙钛矿电池：薄膜电池新星，产业化星火燎原 钙钛矿材料是有机无机金属卤化物ABX3，可由人工合成，材料性质可使光电损失小。钙钛矿材料是ABX3型八面体结构，原材料储量丰富，可广泛由人工合成；钙钛矿材料具备高光电吸收系数、长载流子扩散长度、浅缺陷能级，多方面促成钙钛矿光电损失小。 钙钛矿电池具有降本增效、高弱光效应、应用场景广阔优势，是新一代量产光伏电池的优良选择。钙钛矿带隙可调节，通过不同带隙电池叠层，可最大程度吸收光子，效率上限远高于晶硅电池极限；钙钛矿具备高光吸收系数，电池在阴天以及日出、日落等弱光场景也能正常工作；钙钛矿电池可广泛应用于BIPV和车顶光伏，下游市场广阔。 钙钛矿电池结构主要分为单结和叠层结构，叠层结构效率上限高，但是技术难关多，目前钙钛矿/晶硅叠层是大部分厂商选择的技术路线。单结钙钛矿电池结构是类似三明治层状的5层结构，结构简单；叠层电池是宽带隙电池和窄带隙电池堆叠，以实现光谱最大程度吸收，目前双结叠层钙钛矿电池效率可突破43%，但是叠层电池存互联层光电损失大、底电池不稳定等问题，技术方面有望进一步升级。综合考虑叠层电池效率、成本、工艺难度，目前大部分晶硅厂商为发挥晶硅技术优势，选择钙钛矿/晶硅叠层路线。 图：钙钛矿电池组件 数据来源：中国知网、东吴证券研究所 6 钙钛矿材料—有机无机金属卤化物ABX3 1839年，在俄罗斯乌拉尔山脉，德国矿物学家GustavRose发现了矿物质钛酸钙CaTiO3，之后俄国矿物学家LevAlekseyevichvonPerovski将其命名为“Perovskite”。后来ABO3型氧化物的简单钙钛矿被广泛研究，于是人们以“perovskite”一词来描述庞大的钙钛矿家族及其衍生化合物。 目前光伏领域的钙钛矿材料是指具有半导体特性的卤素钙钛矿材料ABX3。 A代表一价有机或无机阳离子，如甲脒离子(HC(NH2)2+)、甲胺离子(CH3NH3+)、铯离子(Cs+)、铷离子(Rb+)或者多种阳离子混合等。 B代表二价金属阳离子，如铅离子(Pb2+)、锡离子(Sn2+)、锗离子(Ge2+),或者多种金属离子混合等。 X代表一价卤素阴离子,如溴离子(Br-)、碘离子(I-)、氯离子(CL-)，或者多种卤素离子混合等。 ABX3的晶体结构是1个金属B原子与6个卤素X原子配位形成[BX6]八面体结构，A原子被周围的共享顶点的8个 八面体骨架包围。 当满足上述晶体元素和结构，基本能成为光伏领域所需的钙钛矿材料，意味着钙钛矿材料能够广泛地由人工合成，不再受原材料掣肘。 图：钙钛矿图：钙钛矿晶体结构 数据来源：中国知网、东吴证券研究所 7 钙钛矿作为一种半导体材料，会产生光生伏特效应，即半导体在光照下会产生电动势。其光电转化过程主要包 括以下几个过程： 1）钙钛矿光电吸收层（Perovskite）具备高光吸收系数，吸收太阳光后容易产生电子-空穴对，并在室温下被热化后会形成激子，然后发生电荷分离，光生电子跃迁到吸光层的LUMO能级上，光生空穴跃迁到吸光层的HOMO能级上。1 2 2）分离的自由电荷具有长的载流子寿命和扩散距离使得它们能够在复合前被有效的提取和传输，其中电子传输层（ETL）提取并传输电子且能够快速地阻挡空穴，同时对应的空穴传输层（HTL）提取并传输空穴且也能够快速地阻挡电子。3 3）被提取地载流子经过传输层传输进一步被相应的阳极导电玻璃（photoanode）和阴极金属电极（counterelectrode）所收集并经过负载外电路形成回路。 图：钙钛矿电池工作原理 晶硅电池效率即将接近极限，下一代钙钛矿潜力充足。晶硅电池经过40余年的发展，实验室转换效率逼近27%，接近极限；钙钛矿电池具备光电损失小、带隙可调节特点，叠加叠层技术，可实现接近两倍晶硅电池效率，潜力充足。 晶硅电池理论效率极限为29.4%，目前最高效率已达到26.8%。晶硅太阳能电池被俄歇复合限制在理论效率为29.4%,考虑到现实中的光学损失与电学损失，最终可以达到的效率上限可能进一步降低至27%；2017年日本的Kaneka公司研发的HJT电池以26.7%晶硅电池效率最高记录保持5年，2022年12月隆基HJT效率达26.81%，成为新世界纪录。 图：晶硅电池实验室最高效率 单晶硅电池（聚光）单晶硅电池（非聚光）多晶硅电池 异质结电池薄膜硅电池 钙钛矿材料光电损失小。钙钛矿材料具备长的载流子扩散长度、浅的缺陷能级，因而载流子复合率低，寿命可 高达几微秒到几十微秒，光电损失较小。 单结效率上限可达30%以上。根据Shockley-Queisser极限，单结太阳能电池吸光材料的禁带宽度在1.34eV时，其理论光电转换效率可达最高的33.7%，典型的甲胺铅碘(CH3NH3PbI3)钙钛矿带隙为1.55eV，接近最优带隙，单结效率上限可达30%以上。目前钙钛矿最高单结效率已达到25.7%。 图：单节钙钛矿效率发展历程 PSCsC-PSCsFPSCs 30.0% 25.0% 20.0% 19.3% 20.2% 22.1% 16.8% 23.3% 18.4%19.0% 16.4% 17.8% 25.2%25.7% 21.1% 18.6% 15.0% 10.0% 10.9% 15.4% 12.2% 14.9% 12.0% 13.6% 15.4% 5.0% 3.8% 6.6% 2.6% 8.3%10.3% 7.0% 0.0% 2009201020112012201320142015201620172018201920202021 钙钛矿材料带隙可调节。带隙是半导体可以吸收的最低能量，半导体无法吸收能量小于带隙的光子，能从光子获得的能量也不会超过带隙能量，钙钛矿材料带隙可调节，与晶硅材料或者和经过人工调整的钙钛矿材料叠层后，就可以覆盖大范围带隙，因而能够吸收不同波长的光。 与晶硅叠层，理论效率超过43%。采用1.12eV带隙的晶硅电池与1.73eV钙钛矿电池串联，可以保证太阳光谱照射的最佳分布吸收，全谱匹配两结叠层电池的效率理论极限可超过43%，即便使用典型钙钛矿甲胺铅碘(带隙1.55eV)作为顶部电池时理论最大效率也能达到33%。 钙钛矿/晶硅两结叠层电池效率已经达到32.5%（德国HZB研究中心22年12月最新认证）。 图：钙钛矿两结叠层在不同带隙下理论 效率 图：新概念电池实验室效率 染料敏化电池钙钛矿电池 钙钛矿/硅叠层有机质电池 有机质叠层电池铜锌锡硫电池量子点电池 钙钛矿/铜铟镓硒叠层 产能投资：钙钛矿组件目前产能投资略低于晶硅组件，未来仍有下降空间。钙钛矿组件生产流程简单，可在45分钟内将化工原料、玻璃、靶材、胶膜在单一工厂加工为组件，目前GW级别晶硅组件产能投资需要7.5亿元，钙钛矿组件投资需5-7亿元，略低于晶硅。考虑到目前钙钛矿电池处于起步阶段，晶硅电池产业链已经成熟，预计未来钙钛矿组件产能投资大幅小于晶硅组件。 组件成本：钙钛矿材料制备所需原材料储量丰富、价格低廉，且钙钛矿材料本身占组件成本比例较低。以协鑫光电为例，GW级别量产，钙钛矿材料占比3.1%，组件成本<1.0元/W，5-10GW级别量产，组件成本可降至0.5-0.6元/W。 图：钙钛矿&晶硅产能投资对比 图：钙钛矿组件GW级别量产成本构成 光伏组件 3.1% 钙钛矿组件厂 化工原料玻璃 靶材 封装胶膜接线盒 硅料厂 硅片厂 5-7亿/GW 30.9