钙钛矿电池设备行业深度报告：产业化步伐加快，设备市场空间广阔

证券研究报告|行业深度报告 机械设备 2023年2月13日 产业化步伐加快，设备市场空间广阔 ——钙钛矿电池设备行业深度报告 证券分析师 姓名：俞能飞 资格编号：S0120522120003 邮箱：yunf＠tebon.com.cn 研究助理 姓名：卢大炜 邮箱：ludw＠tebon.com.cn 0 目录CONTENTS 01 02 03 04 05 钙钛矿：优势明显的第三代光伏技术钙钛矿电池的商业化痛点与工艺路线 产业化探索步伐逐渐加快，设备先行市场 空间广阔 上市公司梳理风险提示 请务必阅读正文之后的信息披露及法律声明。1 01钙钛矿：优势明显的第三代光伏技术 钙钛矿：ABX3结构的化合物 钙钛矿最初是指钛酸钙（CaTiO3）这种矿物，后来将这种结构组成为ABX3的化合物一律称为钙钛矿结构化合物 A位离子通常是有机大分子或具有大离子半径的元素，如甲胺离子（MA+）、甲脒（FA+）或铯离子（Cs+）。 B位离子主要为IVA族金属元素离子，通常为二价铅离子（Pb2+）、锡离子（Sn2+）。 X位通离子常为卤素离子，主要为碘离子（I-）、氯离子（Cl-）、溴离子（Br-）等。 钙钛矿的晶体结构 资料来源：孔文池《高质量钙钛矿薄膜的合成、加工及应用研究》，德邦证券研究所 工作原理 一般由透明导电基底、电子传输层（ETL）、空穴传输层（HTL）、钙钛矿层及金属电极组成。 钙钛矿层吸光产生电子-空穴对，分别被传输层材料传输出去再被电极收集，形成电流。 结构，介孔结构、平面结构，规则结构、倒置结构 介孔结构VS平面结构，平面结构更为简单灵活，可低温制备，有利于大面积生产。 规则平面VS倒置平面，规则结构具有较高的开路电压和短路电流，以及更高的光电转化效率，倒置结构制备工艺简单、可低温成膜、无明显迟滞效应、光稳定性良好、适合制备叠层器件。 钛矿太阳能电池的典型器件结构钙钛矿太阳能电池的工作原理 资料来源：杨志春《大面积钙钛矿薄膜涂布技术与钙钛矿太阳能模组研究》，孔文池《高质量钙钛矿薄膜的合成、加工及应用研究》，德邦证券研究所 高效率 ·高光吸收系数 ·浅缺陷能级 ·载流子扩散长度长 ·带隙连续可调 低成本 ·材料成本低，来源丰 富 ·可低温制备，低能耗 ·工艺简单 实际发电量高 ·弱光性能好，发电时 间长 用途广泛 ·轻量化 ·可制备柔性组件 资料来源：孔文池《高质量钙钛矿薄膜的合成、加工及应用研究》，潘莹等《太阳能钙钛矿电池技术发展和经济性分析》，索比光伏网公众号，德邦证券研究所 高效率：钙钛矿材料在光电性质上有很大优势 优势 原因 高吸收系数 在太阳能电池领域，单晶硅、单晶砷化镓作为光吸收层是非常厚的，即使砷化镓厚度较薄也大于十几个微米，后期发展诞生的碲化镉和铜铟镓硒薄膜太阳能电池等厚度也大于几个微米，这增加了制备太阳能电池的成本。光吸收系数与材料的厚度成反比，与吸光度成正比。材料的厚度在很大程度上影响着吸光度，在某种程度上，材料越厚吸光越多。然而对于钙钛矿材料，其厚度仅为百纳米时，可见光范围内吸收系数就可达到105cm，具有较高的光捕获效率，可实现对光的全吸收，这是钙钛矿材料本征的优异光学特性。 长的载流子扩散长度 钙钛矿材料具有双极性载流子输运能力。载流子扩散长度由载流子迁移率和载流子寿命共同决定。对于几乎没有晶界的钙钛矿单晶材料，载流子的扩散长度大于百微米，这表明载流子的扩散长度远远大于钙钛矿材料对光子的吸收深度，有利于自由载流子的输运，可被阴阳电极完全收集，进而实现高效的光电转化效率。钙钛矿单晶的载流子寿命可高达到几微秒甚至几十微秒，长寿命不仅有利于载流子的传输，也是钙钛矿材料质量高缺陷少的一个标志，更是制备高性能光电转化器件决定性的参数。 浅的缺陷能级 单晶硅太阳能电池对纯度要求大于99.9999%,而钙钛矿太阳能电池对碘化铅的纯度要求只需大于99%,就可以得到很高的效率，这也是由于ABX3结构类型的钙钛矿材料具有独特的缺陷性质。通常深能级的缺陷常常导致非辐射复合中心，降低载流子寿命，而钙钛矿材料中主导的缺陷为浅能级，对载流子寿命影响较低，进而使其具有较大的扩散长度。由于钙钛矿材料对缺陷的独特容忍性，使得其成为光电器件良好的材料载体。 资料来源：孔文池《高质量钙钛矿薄膜的合成、加工及应用研究》，德邦证券研究所 高效率：禁带宽度和吸光率可调节，突破效率瓶颈 钙钛矿太阳能电池禁带宽度可调节 45.00% 29.40% 24.50% 27.50% 28.70% 31.00% 35.00% 叠层电池突破效率瓶颈 50% 40% 30% 20% 10% 0% 4T叠层电池 2T叠层电池 资料来源：观研天下，孔文池《高质量钙钛矿薄膜的合成、加工及应用研究》，杨志春《大面积钙钛矿薄膜涂布技术与钙钛矿太阳能模组研究》，德邦证券研究所 高效率：单结电池理论转换效率可达30%以上，叠层的理论转换效率可达40%以上 效率快速提升：2009年仅为3.8%，目前经认证的单结电池最高效率25.7%，钙钛矿/硅叠层电池最高效率32.5%。 钙钛矿电池效率快速提升 钙钛矿/硅叠层电池 异质结 单结钙钛矿电池 资料来源：NREL，德邦证券研究所 低成本：材料、设备成本低廉 晶硅组件的制造成本在1元/W以上，钙钛矿组件（理论上）成本可降至0.5~0.6元/W。 材料用量少：钙钛矿吸光能力高于晶硅材料。钙钛矿电池中钙钛矿层厚度约0.4um，而晶硅组件中的硅片厚度通常为 180um。 材料要求低：晶硅材料纯度必须达到6N以上才能用于制造太阳能电池，而钙钛矿只需1N就可以用于制造效率达20%以上的太阳能电池。 3% 16% 34% 13% 3% 31% 晶硅 1GW产能投资额（亿元） 硅料 3.45 硅片 4 电池 1.5 组件 0.65 合计 9.6 钙钛矿 1GW产能投资额（亿元） 钙钛矿组件制备成本低于晶硅组件钙钛矿组件成本结构中电极材料占比最高 玻璃及其他封装材料电极材料 钙钛矿能源动力 目前未来 约13约6-7 固定资产折旧人工成本 资料来源：OFweek太阳能光伏网，中商产业研究院，索比光伏网公众号，协鑫光电，德沪涂膜设备公众号，德邦证券研究所 低成本：工艺简单，能耗低 工艺简单，产业链缩短：晶硅电池从硅料到组件需要4个以上不同工厂生产加工，从硅料到组件的制造时间需要3天以上；钙钛矿只需要1个工厂，从原料进入到组件成型，总共只需不到1小时的时间。 低温制备，能耗低：晶硅在拉单晶的过程中需要900℃以上的高温工艺，而钙钛矿各功能层的加工温度不超过180℃。单 晶组件单瓦制造能耗大约是1.52KWh，而钙钛矿组件为0.12KWh。 晶硅钙钛矿 资料来源：东方富海官网，光伏见闻公众号，德邦证券研究所 应用前景 BIPV：钙钛矿电池具有轻薄、透光性强、颜色可调的特点，适用于BIPV；BIPV市场空间广阔，有望成为钙钛矿首选应用市场。 车载光伏：钙钛矿电池具有轻薄、透光性强、颜色可调、柔性化的特点，在车载光伏领域应用空间较大。目前已有部分车企进入钙钛矿领域。 室内光伏：理论预测表明，光学带隙1.6eV的PSCs在荧光灯或白光LED照明下可实现高达50%的光电转换效率。 地面电站：钙钛矿与晶硅叠层电池有望率先实现突破。 资料来源：环球零碳，全球光伏，杨文樊等《室内光伏的应用前景与挑战》，纤纳光电官网，德邦证券研究所 02钙钛矿电池的商业化痛点与工艺路线 提升转换效率 ·溶剂 ·添加剂 ·界面工程 ·叠层器件 提升稳定性 ·结晶工艺 ·配方 ·缺陷钝化 ·低维钙钛矿 ·封装工艺 降低毒性 ·无铅钙钛矿（锡、锗 等） ·锡-铅混合钙钛矿 大面积制备 ·钙钛矿薄膜制备工艺 （夹缝式涂布、喷涂、刮涂、旋涂、真空辅助溶液工艺、蒸镀、喷墨打印等） 资料来源：王爱丽等《钙钛矿太阳电池的研究进展与关键挑战》，德邦证券研究所 稳定性、器件面积是商业化的主要瓶颈 稳定性：纤纳α组件已通过IEC61215测试，为钙钛矿大规模商业化应用铺平了道路。 大面积：制备工艺不完善→薄膜均匀性差、缺陷增多、有效光照面积减小... 高温会引起钙钛矿材料相的转变 IEC61215标准测试流程图 不同类型太阳能电池的光电转换效率和器件面积的关系 资料来源：纤纳光电官网，金胜利等《钙钛矿太阳能电池稳定性研究进展及模组产业化趋势》，美能光伏公众号，杨志春等《大面积钙钛矿薄膜制备技术的研究进展》，德邦证券研究所 制造工艺 资料来源：DongHoeKim等《钙钛矿太阳能电池面向兆兆瓦级光伏技术的展望和挑战》，协鑫光电，德沪涂膜设备公众号，德邦证券研究所 钙钛矿太阳能电池生产线设备 清洗透明导电玻璃激光P1划线清洗 机器人上玻璃清洗机PVD激光刻蚀设备清洗机 制备第一电荷传输层薄膜 涂布机PVD 激光P4清边 激光清边设备 （P4） 激光P3划线 激光刻蚀设备 （P3） 透明背电极沉积 PVD 激光P2划线 激光刻蚀设备 （P2） 制备第二电荷传输层薄膜 涂布机RPD 其他 制备钙钛矿层薄膜 涂布机蒸镀其他 封装设备 镀膜设备 涂布设备 激光设备 其他 封装 资料来源：德邦证券研究所绘制 方法 优点 缺点 示意 涂布法 刮刀涂布法 可大面积制备，设备要求低，维护简单 材料利用率低 狭缝涂布法 可大面积制备，可连续生产，材料利用率高 对设备精度要求高 旋涂法 工艺重复性好，易控制膜厚及薄膜成分 难以满足大面积大规模工业化生产要求 喷涂法 可大面积制备，设备成本低 材料利用率低，易造成腔室污染 方法 优点 缺点 示意 真空法 气相 沉积法 可大面积制备，成膜质量好 材料利用率低，生产效率较低，成本高 其他 喷墨打印法 可大面积制备，原料利用率高 生产效率较低，喷墨头的维护与更换复杂 软覆盖沉积法 可大面积制备 材料利用率低，生产效率较低 气相辅助溶液法 比溶液法制备的更加均匀平整，也避免了真空下制备的条件限制 材料消耗较多，成膜质量受加热温度、蒸发速率等因素的影响 大面积、高稳定性的关键：钙钛矿薄膜制备工艺 资料来源：杨志春等《大面积钙钛矿薄膜制备技术的研究进展》，降戎杰等《钙钛矿薄膜制备技术及其在大面积太阳电池中的应用》，李今朝等《气相辅助刮刀涂布法制备钙钛矿薄膜》， 、 德邦证券研究所 03 产业化探索步伐逐渐加快，设备先行市场空间广阔 企业 电池类型 规模（MW） 产线类型 产品尺寸 转换效率 产线状态 协鑫纳米 单结钙钛矿 10 中试线 450mm*650mm 17% 2017年投产 协鑫光电 单结钙钛矿 100 量产线 1000mm*2000mm ≤16% 2021年投产 协鑫光电 单结钙钛矿 ＞1000 量产线 ≥1000mm*2000mm >20% 预计2023-2024年投建 纤纳光电 单结钙钛矿 20 中试线 / / 2018年投产 纤纳光电 单结钙钛矿 100 量产线 1245mm*635mm / 2022年初建成 极电光能 单结钙钛矿 150 试制线 1200mm*600mm ≥18% 2022年12月8日正式投产 极电光能 单结钙钛矿 1000 量产线 / / 6GW项目一期，预计2024年投产 极电光能 单结钙钛矿 5000 量产线 / / 6GW项目二期，预计2025年投产 万度光能 单结碳基钙钛矿 200 大试线 3600cm2 / 2021年投建 大正微纳 柔性钙钛矿 10 量产线 400mm*600mm 21% 2022年7月投产 大正微纳 柔性钙钛矿 100 量产线 / / 预计2023年底建成 无限光能 大尺寸钙钛矿电池 <10 试验线 / >20% 预计2022年Q3建成 无限光能 大尺寸钙钛矿电池 100 量产线 / / 预计2024年建成 光晶能源 单结钙钛矿 100 中试线 300mm*300mm 20% 预计202