钙钛矿光伏靶材行业深度报告：钙钛矿产业化风渐起，靶材国产化价值显现

钙钛矿：极具潜力的第三代光伏技术。钙钛矿材料指具备化学通式ABX3的物质，其具备连续可调的带隙范围，并覆盖最佳带隙；钙钛矿光伏电池（PSCs）则是利用钙钛矿材料作为吸光材料的光伏电池，主要结构包含透明导电基底、电子传输层、钙钛矿活性层、空穴传输层和顶电极5部分。钙钛矿是处于研发与成熟中的先进光伏技术。按技术路线，钙钛矿电池可分为钙钛矿单结电池、四端和两端钙钛矿/晶硅叠层电池，其中，钙钛矿单结电池进展较快，多家企业已进入中试。 光电转换效率天花板高+规模化降本优势，前景广阔。钙钛矿光伏电池的实验室光电转换效率从2009年的3.8%迅速提高至2021年的25.7%，而这一进程晶硅光伏电池花费了四五十年，且钙钛矿电池的理论转换效率显著高于晶硅光伏。 成本端，钙钛矿光伏产业链较晶硅光伏显著缩短，且钙钛矿原材料丰富，用量少，纯度要求低；钙钛矿光伏在达到一定技术成熟度后，产线投资约为5亿元/GW，约为晶硅光伏的1/2；能耗约为0.12KWh/W，约为晶硅光伏的1/10。此外，钙钛矿光伏产线具备规模化降本优势，纤纳光电的20MW产线投资额为5050万元，新建的100MW产线投资额为1.21亿元，投资额仅提升至原投资额的2.4倍。 政策推动研发及产业化，众多参与者积极布局钙钛矿产能。当前国家出台了多项政策推动钙钛矿光伏技术的研发及产业化进程，产业内钙钛矿光伏电池的产能规划亦十分活跃。当前参与布局规划的多为未上市公司，上市公司中，亦有协鑫科技、奥联电子、杭萧钢构等旗下公司进行积极布局。据我们不完全统计（暂不考虑未公开数据），截至2023年2月，现有企业公开的钙钛矿总产能规划约为28GW，2023年钙钛矿产能有望落地约880MW，2024年有望落地超3GW。 与晶硅光伏对比，钙钛矿光伏中靶材占比大幅提升，国产化价值凸显。靶材，又称“溅射靶材”，是在溅射过程中被高速金属等离子体流轰击的目标材料，是半导体、显示面板、光伏等领域制备功能薄膜的核心原材料。晶硅光伏电池中，HJT技术路线因引入透明导电薄膜，需使用ITO靶材，故具备较高的靶材成本占比，据前瞻产业研究院，HJT电池成本中，硅片占比最高为47%，靶材成本占比约为4%。然而，钙钛矿电池成本中，因无硅料成本、生产温度相对降低、能耗成本下降等因素，靶材成本占比进一步大幅提升。以协鑫光电100MW项目为例，靶材成本占比高达37.2%，比重最高。钙钛矿电池中，ITO导电玻璃、空穴传输层、电子传输层、金属背电极的制作均会用到各类靶材，当前，全球靶材市场处于外资寡头垄断中，靶材作为钙钛矿电池中成本占比最高的环节，其国产化相关标的将充分受益于钙钛矿趋势与后续的规模化量产落地。 投资建议：钙钛矿作为第三代光伏技术，具备光电转换效率天花板高与规模化降本的双重优势，前景广阔，而靶材在其成本中的占比较传统晶硅光伏显著提升，且处于外资寡头垄断中，国产化价值凸显。建议关注国内高端靶材国产化企业。 1、隆华科技。全资子公司丰联科光电研发生产的高纯钼及钼合金靶材、ITO靶材、银合金靶材等科技产品，填补了中国在相关领域的技术空白，率先打破高端靶材依赖进口的局面。钙钛矿光伏领域，公司靶材产品可应用于TCO层、空穴传输层和电子传输层。 2、阿石创。公司为国内PVD镀膜材料领域的龙头。钙钛矿电池领域，在基础的介孔层、致密层用靶材环节，如 TiO2 等，公司已有成熟产品。 风险分析：技术进展不达预期风险，产业化建设不及预期风险，技术替代风险。 投资聚焦 本篇报告，我们全面梳理了第三代光伏技术钙钛矿的技术特点、技术优势、产业内布局情况，并论述了靶材在钙钛矿电池中价值占比及供应格局，从而重点提示了靶材国产化在钙钛矿光伏领域的投资价值。 我们区别于市场的观点 当前市场对于钙钛矿光伏的设备、组件等环节关注较多，尚未对靶材的投资价值给予充分重视。我们认为，第一，与晶硅光伏对比，钙钛矿光伏成本中靶材成本占比大幅提升，以协鑫光电100MW项目为例，钙钛矿成本占比仅为5.3%，而靶材成本占比高达37.2%；第二，高端靶材的技术壁垒较高，国产化厂商有望充分受益。因此，我们通过本篇报告，重点提示投资者靶材国产化在钙钛矿光伏趋势中的投资价值。 股价上涨的催化因素 1、钙钛矿产能规划的发布与建设投产。 2、重点靶材公司在有关钙钛矿光伏组件厂商方面的客户开拓取得积极进展。 3、钙钛矿光伏技术的进一步突破。 4、钙钛矿光伏技术相关的研发及产业化利好政策推出。 投资观点 钙钛矿作为第三代光伏技术，具备光电转换效率天花板高与规模化降本的双重优势，前景广阔，而靶材在其成本中的占比较传统晶硅光伏显著提升，且供给格局处于外资寡头垄断中，国产化价值凸显。我们认为，高端靶材国产商有望充分受益于钙钛矿光伏发展趋势与后续的规模化量产落地。 建议关注：隆华科技、阿石创。 1、钙钛矿强势崛起，高效率+低成本引领变革 1.1、钙钛矿：极具潜力的新一代光伏技术 钙钛矿最初指化学式为CaTiO的矿物质，及拥有CaTiO结构的金属氧化物。 钙钛矿(Perovskite)，是以俄罗斯矿物学家L.A.Perovski的名字命名的。1839年，L.A.Perovski研究存在于乌拉尔山变质岩中的钛酸钙(CaTiO)时，首次提出了钙钛矿这一晶体结构。 经过多年发展，钙钛矿材料定义演变为具备化学通式ABX的物质。其中，A为一价有机（甲基铵，MA或甲脒，FA）或无机（Cs）阳离子，或两者的混合物； + + + 2+ 2+ — — — B为Pb或Sn，或两者的混合物；X是卤化物阴离子（I、Br或CI或它们的混合物）。A位阳离子位于中心，B位阳离子和X位卤化物阴离子形成八面体，占据体心立方晶格的角位。晶格中的离子半径决定钙钛矿材料的结构，进而影响钙钛矿材料的电子性质和稳定性，并决定钙钛矿光伏电池的性能和寿命。通过调控A、B和X位离子的配比可以优化电池的性能和稳定性。 图1：钙钛矿材料ABX3晶体结构 钙钛矿材料具备连续可调的带隙范围，并覆盖最佳带隙。光伏电池的工作原理是把入射光子的能量转换为电子，产生电压、电流和功率输出。而带隙就是电子从它的主原子的一个轨道带挣脱到轨道带之外所需的能量，是为电池的电力输出所提供的能量。带隙过大，光子将缺乏发射电子所需的能量，直接穿过太阳能电池，无法产生大量电流；带隙过小，光子会释放电子，但只向每个电子传递少量能量，导致电压过低。材料带隙与能量转换效率息息相关。晶体硅的带隙约为1.1eV，理论效率为29.3%。而钙钛矿具有连续可调的带隙范围，人工设计的钙钛矿材料，带隙可以非常接近于最优带隙（1.4eV），因此单层钙钛矿电池的理论效率为33%，双层钙钛矿电池的理论可达到43%以上。 图2：半导体材料带隙及对应的理论最大效率 钙钛矿太阳能电池（PSCs）指利用钙钛矿结构材料作为吸光材料的太阳能电池。 根据电荷传输方向的不同，钙钛矿太阳能电池可分为n-i-p型（透明导电电极/n型电子传输层/钙钛矿吸光层/p型空穴传输层/顶电极）和p-i-n型（透明导电电极/p型空穴传输层/钙钛矿吸光层/n型电子传输层/顶电极），其中，n-i-p型电池根据电子传输层结构的不同又可分为介孔结构和平面结构。平面p-i-n型结构制备工艺简单、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，受到科研关注，但其最大的问题是效率不高。钙钛矿电池结构的透明导电基底、电子传输层、钙钛矿活性层、空穴传输层和顶电极5部分简介如下： （1）透明导电基底（TCO玻璃）：传输太阳光和载流子，其透光率、表面粗糙度、表面方阻等会直接影响器件性能。常用的刚性基底为透明导电玻璃掺氟氧化锡（FTO）和氧化铟锡（ITO），柔性基底为ITO/PEN。 （2）电子传输层（ETL）：抽取和传输电子及阻挡空穴。n-i-p型器件结构的电子传输材料主要是金属氧化物（如 TiO2 、ZnO、 Al2O3 、SnO等），p-i-n型器件结构的电子传输材料主要是富勒烯及其衍生物。 （3）钙钛矿活性层：钙钛矿太阳能电池的核心层，吸收一定波长范围内的太阳光，促进光生载流子的解离与输运。钙钛矿薄膜的质量会对整个器件的性能起到决定性作用。 （4）空穴传输层（HTL）：传输空穴到接触电极及阻挡电子的反向传输、降低复合。n-i-p型钙钛矿太阳能电池常用的空穴传输材料包括有机小分子，p-i-n型器件中常用的空穴传输材料为聚合物及无机金属氧化物（NiO）等。 x （5）顶电极：材料有金属（Ag、Au等）和非金属（碳等）。 图3：钙钛矿太阳能电池类型 钙钛矿电池将光能转化为电能的原理可简化为“光子进，电子出”。当光子能量高于半导体的能带间隙时，半导体材料吸收光子并产生电子-空穴对，电子-空穴对被P-I-N结的内建电场分离成自由移动的载流子（电子和空穴）。电子和空穴在电场的作用下分别被电子传输层和空穴传输层抽取并定向传输，电子向阴极移动，空穴向阳极移动，最终被两端的电极收集并输送到外部电路。 图4：钙钛矿电池工作原理 技术路线方面，钙钛矿单结电池进展较快，已有多家企业进入中试阶段。根据钙钛矿光伏电池的结构，可分为三条主流技术路线：钙钛矿单结电池、四端和两端钙钛矿/晶硅叠层电池。 （1）钙钛矿单结电池：国内外已有数家企业进入中试阶段，目前和晶硅组件的效率依旧相差甚远。钙钛矿组件的造价未来在大范围量产后，预计将略低于晶硅组件。由于其目前较低的效率，度电成本未来仍可能高于晶硅组件。但钙钛矿单结组件可以切入细分的领域，例如BIPV、柔性组件或者空间应用。 （2）四端钙钛矿/晶硅叠层电池：叠层太阳能电池技术旨在突破单结太阳能电池的Shockley–Queisser极限（例如晶硅的理论极限小于30%），在高效转换光子能量的基础上将理论极限推至40%以上。四端叠层将晶硅和钙钛矿电池分开制备，仅在组件端进行整合。目前产业界仅有试验性的尝试。 （3）两端钙钛矿/晶硅叠层电池：和四端叠层电池相比，两端叠层电池在成本上的优势更明显，首先可以减少一层透明导电电极的制备，其次良品率由于单片电池面积的减小而大幅上升，同时两端叠层的理论极限上限相对更高。虽然叠层组件制备成本比晶硅组件略高，但由于其更高的能量转换效率，度电成本会更低。 目前产业界有英国的牛津光伏进入中试阶段。 图5：四端、两端钙钛矿/晶硅叠层结构示意图（从左至右） 目前，钙钛矿电池产业化发展也面临着一些难点。主要分三方面：大面积制备、稳定性、环保。 （1）大面积制备问题。转换效率较高的钙钛矿电池其尺寸均为实验室级别，未达到商业化尺寸。目前较难生产薄且均匀的大面积钙钛矿层，一旦电池尺寸增大，光电转换效率随之下降。 （2）稳定性问题。潮湿环境（包括昼夜温差造成的水蒸气）、氧气氧化、光辐照、紫外线等都会对电池稳定性产生显著影响。目前，钙钛矿电池持续光照实验最长达10000h，若按全天平均日照时长4h计算，理论寿命只有6.8年。考虑到实际日照时间多于4h及其他日常损耗，正常寿命将会小于6.8年，与晶硅电池的理论寿命25年比差距较大。 （3）环保问题。目前高性能钙钛矿大多以铅作为原料，并且制备过程中常用的一些溶剂和反溶剂（如氯苯、DMF、DMSO等）具有毒性，会对环境造成危害，不符合绿色可持续发展的长期目标。 1.2、优势：光电转换效率天花板高+规模化降本 1.2.1、光电转换效率：相对晶硅光伏，具备更高天花板 钙钛矿光伏是第三代光伏技术的代表之一。光伏产业发展至今，其技术路线可分为三代。第一代是以单晶硅、多晶硅为代表的晶硅光伏。第二代是以非晶硅、碲化镉（CdTe）、铜铟镓硒（CIGS）和砷化镓（GaAs）为代表的薄膜光伏。而第三代则是以染料敏化太阳能电池（DSSCs）、有机光伏（OPV）、量子点太阳能电池（QDSCs）和钙钛矿太阳能电池（PSCs）等为代表的新兴光伏技术。这些新兴技术尚未大批量进入市场，但因低成本、低能耗、质轻和制造灵活等优点广受关注。 图6：太阳能电池分类 钙钛矿光伏电池的实验