钙钛矿行业深度：从0-1机遇与挑战并存，重视材料体系演进中的投资机会

证券研究报告 证券研究报告 华安机械 钙钛矿行业深度：从0-1机遇与挑战并存， 重视材料体系演进中的投资机会 张帆S0010522070003徒月婷S00105221100032023年3月20日 华安证券研究所 敬请参阅末页重要声明及评级说明 1钙钛矿简述——第三代光伏电池 2钙钛矿优势——降本提效潜力巨大 目录 3钙钛矿产业化现状——从0-1过程中，机遇与挑战并存 4钙钛矿设备梳理——空间广阔，百花齐放 5投资逻辑及标的梳理 6风险提示 敬请参阅末页重要声明及评级说明 1.1钙钛矿介绍 光伏电池从第一代以晶硅为主，第二代以薄膜电池为主，典型代表为铜铟镓硒（CIGS）、碲化镉（CdTe）电池，第三代为以钙钛矿为代表的新型太阳能电池。钙钛矿作为经典的材料体系，具有悠久的历史。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，后将结构式为ABX3形式且具有与CaTiO3相似晶体结构的材料统称为钙钛矿。自然界中，钙钛矿材料分布广泛，种类多样且丰富，一般为立方体或者八面体形状且具有光泽。 钙钛矿ABX3晶体结构示意图 ABX3属于四方晶系。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，在较弱的范德华力相互作用下保持结构稳定。 A代表一价有机或无机阳离子，如甲脒离子 （HC(NH2)2+）、甲铵离子（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。 资料来源：CNKI_钙钛矿型太阳能电池制备方法的研究_赵艳红、华安证券研究所整理 1.2钙钛矿太阳能电池工作原理 钙钛矿太阳能电池的工作原理：光照条件下，钙钛矿材料吸收光子，电子从价带跃迁到导带，随后以极快的速度注入到电子传输层ETL，对应空穴被传输至空穴传输层HTL；然后电子和空穴被电极收集，接上负载后，电池便可对外做功，具体来看主要分为以下5个过程： 1、光子吸收过程：受到太阳光辐射时，电池的光吸收层材料吸收光子产生受库仑力作用束缚的电子-空穴对，即激子； 2、激子扩散过程：激子产生后不会停留在原处，会在整个晶体内运动。激子的扩散长度足够长，激子在运动过程发生复合的几率较小，大概率可以扩散到界面处； 3、激子解离过程：钙钛矿材料的激子结合能小，在钙钛矿光吸收层与传输层的界面处，激子在内建电场的作用下容易发生解离，进而成为自由载流子； 4、载流子传输过程：激子解离后形成的自由载流子，其中自由电子通过电子传输层向阴极传输，自由空穴通过空穴传输层向阳极传输； 5、电荷收集过程：自由电子通过电子传输层后被阴极层收集，自由空穴通过空穴传输层后被阳极层收集，两极形成电势差，电池与外加负载构成闭合回路，回路中形成电流。 平面正式结构电池工作原理 资料来源：适于高性能太阳能电池的CH3NH3PbI3钙钛矿薄膜及其器件研究、华安证券研究所 1.3钙钛矿材料的 钙钛矿材料的特征 特征 特征 具体表述 载流子结合能较小 半导体材料具有的载流子结合能越低越容易分离出电子-空穴对的特性。钙钛矿材料CH3NH3PbI3的载流子结合能为20±2meV，而大多数半导体材料该数值在200meV左右。 介电常数较大 钙钛矿材料CH3NH3PbI3的介电常数为6.5，而其它的半导体材料的介电常数相比之下就要小得多，介电常数数值一般在3左右。 载流子的迁移率和迁移速度都较大 钙钛矿材料分离下来的空穴和电子有效质量都较小，所以载流子对的迁移速度会比较大，有利于载流子对的传输和收集。 吸收系数较高 吸收系数越高，材料的吸光能力越强。钙钛矿材料CH3NH3PbI3在可见光波长范围内都有良好的吸光能力，在360nm波长处，其吸收系数达到了4.3×105cm-1。 浅缺陷能级 通常深能级的缺陷降低载流子寿命，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。钙钛矿材料对缺陷容忍度高。 钙钛矿类材料的光学照片 资料来源：CNKI_钙钛矿型太阳能电池制备方法的研究_赵艳红、华安证券研究所整理 钙钛矿电池能级图示 资料来源：钙钛矿_黑硅叠层太阳能电池的制备及性能研究、华安证券研究所整理资料来源：ScienceChinaMaterials、华安证券研究所整理 钙钛矿电池结构：钙钛矿太阳能电池是层状结构，主要包括金属对电极、空穴传输层、钙钛矿吸收层、电子传输层和透明导电玻璃，常见的钙钛矿电池结构有正式结构（也称n-i-p型）结构和反式结构（也称p-i-n型）两种，两种结构的区别是传输层位置相反，传输方向不同。 考虑到材料的可选性和大规模量产的可行性，目前主流是用反式平面结构。 钙钛矿太阳能电池的3种典型结构图 (a)正式介孔结构;(b)正式平面结构;(c)反式平面结构 资料来源：中国科学、华安证券研究所整理 1.5钙钛矿电池各 层结构及特点 膜层 功能 特点 常用材料 透明导电基底 电池的衬底层，电池器件的各层都基于导电玻璃上。它一般由玻璃和附着在其上的高透光导电薄膜组成 1.透光性必须要很好 2.功函数要与其上面的传输层相匹配，如果带阶相差太大，电池内部的载流子会发生严重的复合现象从而削弱电池光电性能 3.其电阻要选择合适的数值，太大会增加电池内部电阻，太小需 要增加导电薄膜厚度，削弱薄膜透光率。一般在12-14Ω内为佳 工业上一般以FTO或ITO导电玻璃为主 电子传输层 高效传输电子，阻挡空穴向阴极方向移动，避免空穴-电子对分离不彻底从而造成载流子在电池内部积累 1.与钙钛矿层达成合格的能级匹配，它影响着电荷的注入和复合2.有足够小的缺陷态，它影响电荷的复合和传输3.有较高的电子迁移率，它影响着电荷的传输和收集4.有较光滑的表面形貌，影响钙钛矿薄膜质量和界面接触5.有较好的光透过率（正式） 主要包含TiO2、SnO2、Al2O3等金属氧化物和一些有机物材料 光吸收层 位于中心位置，主要负责吸收能量高于其带隙的光子，并在该层生成载流子对 1.吸光系数高、空穴扩散长度长2.成本低廉、工艺简单、可大面积制备和低温处理 甲胺碘化铅（MAPbI3）和甲脒碘化铅（FAPbI3） 空穴传输层 传输空穴载流子，并阻挡电子在该层的迁移，同时该层还起到了防止钙钛矿层与电极直接接触引起电池内部电路短路的作用 1.空穴转移速率须很快2.合适的带隙与钙钛矿吸光层相匹配3.有较好的光透过率（反式） 主要可分为以Spiro-OMeTAD、PTAA、PDPPDBTE等为代表的有机类材料和以NiO、CuI、CuSCN、CuO、Cu2O等为代表的无机类材料 金属对电极 收集空穴或电子载流子 1.优异的导电性2.合适的带隙从而与空穴传输层或电子传输层相匹配 通常是Au、Ag、Al等导电金属，正结钙钛矿电池一般采用Au作为电极材料反结钙钛矿电池一般采用Ag作为电极材料 资料来源：钙钛矿_黑硅叠层太阳能电池的制备及性能研究、华安证券研究所整理 1.6钙钛矿电池应用场景 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。 地面电站：钙钛矿与晶硅叠层电池有望率先实现突破。 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。 车载光伏 BIPV 资料来源：能源百科、华安证券研究所 地面电站 资料来源：索比光伏网、华安证券研究所 资料来源：A2-solar、华安证券研究所 室内光伏 资料来源：x-mol、华安证券研究所 目录 1钙钛矿简述——第三代光伏材料 2钙钛矿优势——降本提效潜力巨大 3钙钛矿产业化现状——从0-1过程中，机遇与挑战并存 4钙钛矿设备梳理——空间广阔，百花齐放 5投资逻辑及标的梳理 6风险提示 敬请参阅末页重要声明及评级说明 高 2.1光电转化效率 理论光电转换效率高。钙钛矿太阳能电池（PSCs）单结理论最高转化效率可达31%，高于晶硅电池的29.4%。当前量产效率接近15%，向18%迈进。长期来看，叠层将进一步打开效率天花板，其中钙钛矿三节叠层电池转换效率最高可突破40%。 钙钛矿电池转换效率提升迅速。单晶硅及多晶硅电池转换效率提升走过漫长的路程，而钙钛矿效率在近10年来显著提升，发展迅猛。 截至2022年不同类型电池最高效率 不同类型太阳能电池转换效率发展 时间 电池类型 效率记录 公司/团队 2022.12 TOPCon电池 26.40% 晶科能源 2022.12 HJT电池 26.56% 隆基绿能 2021.12 正式电池 25.70% 韩国蔚山国家科学技术研究所 （UNIST） 2022.09 反式电池 25.37% NREL朱凯、 托莱多大学鄢炎发团队 2022.12 钙钛矿-晶硅叠层电池 32.50% 德国柏林亥姆霍兹研究中心（HZB） 50% 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% 资料来源：Enecoat、华安证券研究所整理 不同类型太阳能电池理论极限电能转换效率 45.0% 35.0% 29.4% 27.5% 28.7% 31.0% 24.5% 晶体硅 太阳能电池 普通 单晶硅电池 HJT电池TOPCon电池钙钛矿 单节电池 晶硅/钙钛矿 双节叠层电池 钙钛矿 三节叠层电池 资料来源：SOLARZOOM、北极星太阳能光伏网、 晶科及红太阳公司公众号、集邦新能源网、华安证券研究所整理 资料来源：德沪涂膜设备、华安证券研究所整理 2.2综合成本下降空间大 从综合成本看，钙钛矿总成本约为5-6毛/W，是晶硅极限成本的50%。 材料占比少：钙钛矿在其组件成本中仅占5%，而晶硅电池片在其组件中占比达到61.2%。硅片的厚度通常为100-180μm，纯度要求高；钙钛矿电池原材料储量丰富，可由人工合成，且原料用量少，厚度大概是0.3μm。 能耗低：晶硅纯度需要达到99.9999%（6-7个9），且需要反复提纯，消耗大量资源。钙钛矿纯度要求95%，远低于晶硅电池，晶硅单瓦能耗1.52KWh，钙钛矿单瓦能耗仅为0.12KWh，只有晶硅的1/10。 钙钛矿组件成本构成晶硅光伏组件成本构成 接线盒2.6%其他,3.8% 固定资产折旧,9% 能源动力,14% 人工成本,3% 玻璃及其他封装材料,32% 玻璃,7.1% 焊带, 背板, 钙钛矿,5% EVA,8.4% 铝边框,9.0% 电池片,61.2% 电极材料,37% 资料来源：全球光伏、华安证券研究所整理 资料来源：易达光电、华安证券研究所整理 钙钛矿工艺流程简单，产业链显著缩短。晶硅电池在四个不同工厂内分别加工硅料、硅片、电池、组件，此过程需要至少耗时3天。 2.3产线投资低，生产流程短 而钙钛矿太阳能电池的生产流程简单，仅需要一条300百米长的全自动生产线，就能实现从原材料光伏玻璃的磨边清洗，到化合物半导体薄膜的制备，再到最后光伏组件成品封装测试的完整生产流程。根据协鑫纳米披露，可在45分钟内将玻璃、胶膜、靶材、化工原料在单一工厂内加工成为钙钛矿组件，产业链显著缩短，价值高度集中。 产线投资成本低。光伏企业投资1GW产能晶硅电池，需要建四个工厂，硅料、硅片、电池和组件，合计投资金额超过9亿元；投资 晶硅路线与钙钛矿路线生产流程对比 1GW产能钙钛矿电池仅需1个工厂，投资金额仅约5亿元，其投资强度仅为晶硅的一半。 单晶硅组件与钙钛矿组件工艺