钙钛矿：光伏电池的“明日之星”

电力设备 钙钛矿：光伏电池的“明日之星” 钙钛矿太阳能电池一种新型化合物薄膜太阳能电池。钙钛矿是分子通式为 ABX3的化合物，钙钛矿电池是指利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体 作为吸光材料的电池，可分为单结钙钛矿电池、叠层钙钛矿电池。根据钙钛矿与晶硅或钙钛矿，可分为钙钛矿/晶硅叠层电池、钙钛矿/钙钛矿叠层电池。钙钛矿电池具备转换效率高、低成本、产业链短等优势，在BIPV、分布式电源、地面电站等领域具有广泛应用。 钙钛矿单节、叠层均有很高理论转换效率，属于光伏电池“明日之星”。 在功率大型化发展趋势以及硅料限制下，光伏电池发展只有提高转换效率 这条路径，而晶硅电池的转换效率逼近材料理论极限效率29.4%，单结钙钛矿电池理论最高转换效率达31%，多结钙钛矿电池理论最高转换效率达45%，转换效率远高于晶硅电池，催生钙钛矿太阳能电池发展。 钙钛矿电池投资成本低、产能成本低、降本空间大、生产效率高，竞争优势足。单结钙钛矿电池成本优势明显，实现1GW产能需要的投资金额仅约为5亿元左右，是同级别晶硅电池生产成本的1/2左右；原材料用量 证券研究报告|行业深度 2023年02月15日 增持（维持） 行业走势 电力设备沪深300 32% 16% 0% -16% -32% 2022-022022-062022-102023-02 少，占比仅5%；生产垂直一体，用时相较于晶硅电池更短，100MW单 结钙钛矿生产线从原料进入到组件成型仅需45分钟；纯度要求低、单瓦能耗只有晶硅的1/10；综合成本是晶硅电池的1/2；实际发电效率高于晶硅。叠层技术可以提高光电转换效率，将钙钛矿与晶硅叠层，两端叠电池实验室效率超过31%；而两端叠电池的理论效率可达45%，远高于单结电池的S-Q极限效率33%及单结电池的实验室效率记录25.7%。 钙钛矿太阳能电池生产流程短，9步完成完整钙钛矿组件，生产效率高。 生产钙钛矿的具体流程为：输入FTO玻璃并用PVD设备镀阳极缓冲层→ 激光P1划线→钙钛矿涂布结晶→PVD第二道设备镀阴极缓冲层→激光P2划线→PVD再镀背电极→激光P3划线→进行激光P4刻画→封装，钙钛矿只需从原料进入到组件成型2个环节。晶硅组件须经历硅料→硅片→电 池片→组件4大环节，钙钛矿环节少，生产效率高。 组件+设备+材料三端齐发力，钙钛矿产业化速度加快。�组件端中试线逐步建设，部分组件实现出货。2021年以来，以纤纳光电、协鑫光电、极电光能为首的多家钙钛矿电池企业逐步走向商业化。其中协鑫光电于2021年9月建成全球首条100MW钙钛矿量产线；预计2024年建成GW级别产线。②设备端进入验收出货阶段，部分厂商已实现量产交付。以捷佳伟创、京山轻机、众能光电、德沪涂膜、杰普特为首国产钙钛矿设备厂商竞争实力雄厚。捷佳伟创RPD设备具有多项自主知识产权和极高技术 壁垒，2022年7月公司首台套量产型钙钛矿电池核心装备出货。京山轻机已具备钙钛矿PVD镀膜设备成熟供货能力。杰普特的钙钛矿激光设备 已推出二代产品方案。③材料端，靶材、富勒烯衍生物已进入审核验证阶段，TCO发展快已实现供货。靶材与导电玻璃占比钙钛矿电池成本最高，分别为34%、31%。金晶科技是为数不多掌握TCO导电玻璃技术且量产企业之一，TCO导电膜玻璃已经成功下线，并开始供货。隆华科技钙钛矿电池用靶材当前已进入下游客户供货测试阶段。万润股份富勒烯应用技术 处于审核阶段。 风险提示：钙钛矿电池技术推进速度不及预期；光伏行业装机不及预期；技术迭代风险；行业竞争加剧风险。 作者 分析师杨润思 执业证书编号：S0680520030005邮箱：yangrunsi@gszq.com 相关研究 1、《电力设备：漂浮式风电发展启航，半固态/固态电池导入加速》2023-02-13 2、《电力设备：硅料价格大幅反弹，公共领域全面电动化试点政策推出》2023-02-05 3、《电力设备：光伏产业链价格企稳，新能车供需双侧发力》2023-01-29 请仔细阅读本报告末页声明 重点标的 股票代码 股票名称 投资评级 EPS（元） PE 2021A 2022E 2023E 2024E 2021A 2022E 2023E 2024E 300724.SZ 捷佳伟创 增持 2.06 2.82 3.77 4.35 59.94 43.79 32.75 28.39 000821.SZ 京山轻机* 0.26 0.46 0.69 0.89 107.38 54.94 36.31 28.13 600586.SH 金晶科技* 0.92 0.39 0.66 0.88 12.85 29.88 17.92 13.40 300263.SZ 隆华科技* 0.32 0.49 0.34 0.51 29.19 19.23 27.45 18.45 资料来源：Wind，国盛证券研究所注：*股票数据为2月14日wind一致预期 内容目录 一、钙钛矿电池高效率低成本，是光伏领域新希望5 1.1钙钛矿电池是第三代电池，单结和叠层技术并行发展5 1.2与晶硅比，单结/叠层钙钛矿组件理论转换效率更高、生产效率更高10 1.2.1追求高转换效率是光伏电池发展核心动力所在，钙钛矿理论转换效率较晶硅更高10 1.2.2钙钛矿电池投资成本低、产能成本低、降本空间大、生产效率高，竞争优势足11 1.3下游应用场景丰富，关注BIPV、分布式电站和地面电站三方向15 二、9步完成组件制备，量产关键看大面积制膜及稳定性提高16 2.1钙钛矿技术工艺流程简单，9步完成组件制备16 2.2从技术看量产关键有二，实现大面积高质量薄膜制备及攻克稳定性痛点19 三、组件+设备+材料三端齐发力，钙钛矿产业化速度加快20 3.1国家政策加持，促进钙钛矿太阳能电池发展20 3.2产业化进程加速，组件、设备、材料三端齐发力20 3.2.1组件端：中试线逐步建设，组件实现出货20 3.2.2设备端：进入验收出货阶段，实现量产交付22 3.2.3材料端：靶材已进入验证阶段，TCO导电玻璃发展快已实现供货23 风险提示24 图表目录 图表1：光伏电池技术的发展路径5 图表2：钙钛矿的晶体结构6 图表3：钙钛矿太阳能电池类型6 图表4：钙钛矿太阳能电池工作原理图7 图表5：钙钛矿电池结构图8 图表6：全钙钛矿叠层电池结构示意图8 图表7：钙钛矿-晶硅两端叠、三端叠和四端叠结叠层电池的结构图9 图表8：钙钛矿/晶硅叠层电池按照不同硅底电池的选择分类：PERC，TOPerc，TOPCon与SHJ10 图表9：不同太阳能电池理论转换效率和量产转换效率11 图表10：NREL最佳实验室电池转换效率图11 图表11：单GW钙钛矿组件和晶硅组件的生产成本12 图表12：100MW钙钛矿组件成本结构占比（%）12 图表13：2021年单GW各类光伏电池产线总投资额（含原材料）对比（亿元）12 图表14：不同硅底电池片与叠层组件成本预测（单位：€ct/W）13 图表15：钙钛矿电池和晶硅电池对比13 图表16：四种太阳能电池LCOE（单位：美分/KWh）14 图表17：不同叠层电池在太阳能地面电站与工商业分布式电站应用上的度电成本（LCOE）分析14 图表18：moduleA/B/C/D分别为PERC多晶硅电池、单结钙钛矿电池、钙钛矿/晶硅叠层电池、钙钛矿/钙钛矿叠层电池，各类电池的材料成本（美元/平方米）和其LCOE关系（美分/千瓦时）15 图表19：moduleA/B/C/D分别为PERC多晶硅电池、单结钙钛矿电池、钙钛矿/晶硅叠层电池、钙钛矿/钙钛矿叠层电池，各类电池的设备成本（美元/平方米）和其LCOE关系（美分/千瓦时）15 图表20：钙钛矿电池光伏领域下游应用场景15 图表21：钙钛矿太阳能电池应用场景16 图表22：钙钛矿光伏建筑集成（BIPV）项目16 图表23：钙钛矿电池和晶硅电池的生产设备对比16 图表24：100MW钙钛矿产线设备及生产流程17 图表25：大面积钙钛矿薄膜制备技术对比17 图表26：溶液涂布法18 图表27：喷涂法和喷墨打印法18 图表28：软膜覆盖法19 图表29：气相沉积法19 图表30：现阶段发展钙钛矿电池政策汇总20 图表31：钙钛矿企业产业化进展情况21 图表32：钙钛矿叠层组件企业产业化进展情况22 图表33：钙钛矿设备厂商产业化进展情况23 图表34：钙钛矿材料厂商产业化进展情况24 一、钙钛矿电池高效率低成本，是光伏领域新希望 1.1钙钛矿电池是第三代电池，单结和叠层技术并行发展 光伏电池根据技术可以分为三类，其中高效电池技术路线为：单晶PERC→TOPcon→异质结（HJT）、全背接（IBC）→背接触异质结（HBC）、TBC、双面异质结（BifacialHJT） →钙钛矿单节/钙钛矿叠层太阳能电池。 第一类：硅基太阳能电池，包含单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太 阳能电池。第一代太阳能电池制备成本较高，光电转换效率（PCE）一般，电池器件 稳定很好，使用寿命一般在20年左右，目前已经投入市场应用。在晶硅技术路径里，经历了Perc-TOPcon-HJT的三个阶段。 第二类：多元化合物薄膜太阳能电池，包括砷化镓（GaAs）、碲化镉（CdTe）、铜铟 镓硒（CIGS）太阳能电池等，这类薄膜太阳能电池的转换效率（PCE）较高，器件稳 定性较好，电池器件制备工艺简单，但电池使用的部分材料元素严重污染环境并且地球储备量很少，阻碍了这代太阳能电池商业化和工业量产。 第三类：新型太阳能电池，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。这类太阳能电池制备工艺简单、原材料地球储备 量大、光电转化效率较高。 图表1：光伏电池技术的发展路径 资料来源：中国知网，全球光伏，新型TCO材料在光伏行业的应用前景，国盛证券研究所 钙钛矿泛指化学结构通式为ABX3的化合物，合成简单；钙钛矿电池是利用钙钛矿型的有机-无机杂化金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池。钙钛矿是一个大的原子或分子阳离子A（+1价）在一个立方体的中心。一般为甲胺CH3NH3+、甲脒NH2CH=NH2+。 立方体的角落被原子B（+2价）占据，通常为正二价锡离子Sn2+、铅离子Pb2+，立方体的表面被一个更小的带负电荷的原子X（-1价）占据，通常为I-、Br-、Cl-等。钙钛矿材料属于人工设计的晶体材料，合成工艺简单，材料配方选择较灵活，可设计性强，具有高光电转换效率、价格低廉、重量轻等优点。 图表2：钙钛矿的晶体结构 资料来源：中国知网，国盛证券研究所 钙钛矿电池根据电荷传输方向不同，可分为n-i-p型和p-i-n型。二者区别在于两种结构传输层顺序相反。n代表电子传输层（ETL），i代表钙钛矿活性层，p代表空穴传输层 （HTL）。 正置结构n-i-p型：太阳能电池根据电子传输层结构不同又可分为介孔结构和平面结构。介孔结构即在透明导电基底上依次沉积致密的TiO2电子传输层和TiO2介孔 层，介孔层可为钙钛矿的生长提供多孔基底、有效改善薄膜的均匀性、减少缺陷，同时也是支撑钙钛矿的支架。由于薄膜沉积技术提高了钙钛矿薄膜质量，而介孔型钙钛矿制备相对复杂，因此现在普遍使用平面型钙钛矿。平面结构不使用介孔支架，直接制备钙钛矿层，工艺简单，光电转换效率更高。 倒置结构p-i-n型：钙钛矿作为本征半导体夹在两个电荷选择层之间，其制备工艺 简单、成本低，可用于钙钛矿叠层器件的制备，且迟滞现象几乎可以忽略。相对n- i-p结构而言，p-i-n结构钙钛矿太阳能电池最大的问题是效率不高，提高其效率是目前的研究热点，更适用于柔性电池器件的制备。 图表3：钙钛矿太阳能电池类型 资料来源：中国知网，国盛证券研究所 钙钛矿太阳能电池工作原理与晶硅电池类似，工作原理均为光生伏特效应。钙钛矿材料介电常数大、激发能低，因此在吸收光子后可以产生空穴-电子对，并在室温下解离。解 离的电子迁移至电子传输层（ETL），