钙钛矿设备行业深度报告：光伏0-1的颠覆性技术，设备跨界+多工艺并存

钙钛矿是光伏领域0-1的颠覆性技术，具有转换效率高+低成本的优点。钙钛矿电池是第三代新型太阳能电池，是最具潜力和颠覆性的新一代光伏技术。其中的钙钛矿材料ABX3是有机金属三卤化物，具有非常优异的光电性质。1）钙钛矿材料带隙可调节，理论效率高：钙钛矿是人工合成的材料，根据不同的材料配比，带隙可以调节，并可以与晶硅做成叠层电池，就可以覆盖大范围带隙，因而能够吸收不同波长的光。2）材料、工序简单，成本低：相比晶硅，钙钛矿工序大大缩短，单GW投资更低。钙钛矿电池厂本身就相当于组件厂，省去了晶硅电池前端的硅料提纯、硅片切割等环节，整体生产成本上相较晶硅电池可大幅降低。 同时钙钛矿的材料采用常见的物质人工合成，相比硅料价格更低。 钙钛矿电池的核心层“钙钛矿层”主要包括两类镀膜方法，总量上湿法占比更高，趋势上干法近2年上升更明显。目前钙钛矿层薄膜的制备主要有溶液法、气相法两类工艺，可单独或组合使用。我们通过统计专利布局、钙钛矿电池&设备公司公开新闻角度分析目前两种工艺的实际进度与发展趋势。1）总量：湿法相关专利最多且发展时间较长，2014年就有相关专利；干法专利数和发展时长次之，干湿结合法相关专利最少且最新，2021年首次出现。2）趋势：2021/2022年钙钛矿企业相关专利布局总数热度回升，其中湿法相较2018-2020年的平均水平差异不大，但干法相关专利数相较2018-2020年的平均水平有较大幅度的上升，同时2021年开始首次出现了干湿法相结合的专利布局。目前来看不同薄膜制备方法仍处于两种技术并存发展的状态。 钙钛矿适配叠层的优势需要被重视。受益于可捕捉和转换更宽光谱范围，钙钛矿与晶硅叠层电池拥有更高的转换效率。连续可调的带隙宽度使得钙钛矿适合做叠层多结电池，与其他电池集成以后可以捕捉和转换更宽光谱范围的太阳光，获得比单纯晶硅电池或钙钛矿电池更高的光电转化效率。EcoMat研究表明钙钛矿/硅串联太阳电池的理论效率极限为46%，远高于传统晶硅电池；而根据NREL统计的最新实验室数据，钙钛矿/晶硅叠层转化效率快速提升，超过单晶硅电池。 各类工艺路径的选择仍在快速迭代中，产品布局更全的设备公司更具优势。 加入统计非上市公司，涂布、各类真空镀膜（磁控溅射PVD、真空蒸镀、RPD、ALD）均有若干专业玩家，具备跨界进入钙钛矿行业的技术储备（涂布来自锂电/平板显示、真空镀膜来自OLED）。同时加入关注叠层后，各家公司对钙钛矿各层薄膜的制备均有不同的技术路线选择，各类工艺也均有自身的优缺点。光伏行业的一大特点是技术迭代迅速，早期投资产线押注某一当下最成熟的技术也可能被弯道超车（已投产线的技术可能会迅速被更新的技术取代）。在此背景下，我们认为当前更具备竞争实力的是产品线更为齐全的公司，以应对上述不确定性。 同时，相比晶硅电池，钙钛矿电池的特点是原材料占比低，因此钙钛矿产业链上设备环节的议价能力有望更强。 投资建议：钙钛矿单结、钙钛矿/晶硅叠层电池仍处于选定设备、工艺，多技术路线并存阶段，未来最终工艺或技术路线的选择仍有不确定性，但设备环节均会围绕着各类涂布设备、真空镀膜设备进行选择，不会离开此范围。建议关注各环节设备布局最全面的：京山轻机、捷佳伟创。同时关注奥来德、曼恩斯特（未上市）、汇成真空（未上市）等 风险提示：1）钙钛矿企业融资不如预期；2）大面积制备时转换效率提升不及预期；3）钙钛矿/晶硅叠层电池发展不及预期 我们的不同：为什么更看好产品线布局更全，接近整线的钙钛矿设备公司 1、钙钛矿的适配叠层属性，特别是钙钛矿/晶硅叠层的关注度应该提升 钙钛矿早期由创业公司驱动，且钙钛矿各层薄膜的制备工艺尚不成熟，因此更多的讨论和关注度集中在钙钛矿单结电池上。但钙钛矿的另一大特点是带隙可调，适配叠层，并且叠层电池具备更高的转换效率，符合光伏降本增效的第一性原则。 特别的，当前实验室阶段钙钛矿/晶硅叠层拥有最高的转换效率，同时站在晶硅企业角度，如果钙钛矿各层的制备相对成熟后，对于他们来说晶硅产线是沉没成本，这点与钙钛矿创业公司并不相同。基于此我们认为随着钙钛矿单结制备的成熟度日益提高，钙钛矿/晶硅叠层的关注度应该提升，也应该更加重视适配该技术路线的对应设备。 2、技术跨界的难度，涂布与真空镀膜设备有差异，会暂时影响当前设备格局 钙钛矿的涂布设备更接近于平板涂布制备光学薄膜，而市面上更多的涂布公司聚焦在锂电行业，相比锂电涂布，钙钛矿行业的基底不同，镀膜更薄，材料更复杂且均匀性要求更高，因为跨界难度相对更大。而对于真空镀膜设备，难点在于对各类不同靶材的理解以及根据成膜需求选用哪种镀膜工艺，钙钛矿的靶材和工艺更接近于OLED产业，已有相对成熟的真空镀膜公司，因此该类设备平移至钙钛矿行业进行跨界的难度相对更小。不同的跨界难度，会暂时影响各个环节设备，当下在钙钛矿领域的市场。 3、单个设备的竞争格局，各类工艺路径的选择仍在快速迭代中 加入统计非上市公司，涂布、各类真空镀膜（磁控溅射PVD、真空蒸镀、RPD、ALD）均有若干专业玩家，具备跨界进入钙钛矿行业的技术储备。同时，加入关注钙钛矿/晶硅叠层电池后，各家公司对钙钛矿各层薄膜的制备均有不同的技术路线选择，各类工艺也均有自身的优缺点。光伏行业的一大特点是技术迭代迅速，早期投资产线押注某一当下最成熟的技术可能适得其反（因为已经投产产线的技术可能会迅速被更新的技术取代）。在此背景下，我们认为当前更具备竞争实力的是产品线更为齐全的公司，以应对上述不确定性。同时，相比晶硅电池，钙钛矿电池的特点是原材料占比极低（不足5%），因此钙钛矿产业链上设备环节的议价能力有望更强。 1钙钛矿：光伏领域0-1的颠覆性技术 钙钛矿是指一类陶瓷氧化物柔性材料，呈立方体晶形。狭义的钙钛矿特指CaTiO3，广义的钙钛矿泛指与CaTiO3结构类似的ABX3型化合物，A代表有机分子（一般为CH3NH3等），B代表金属离子（一般为铅或锡），X代表卤素离子（一般为氟、氯、溴、碘、砹）。利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池，则被称为钙钛矿型太阳能电池，钙钛矿电池属于一种非硅（薄膜）电池，目前用于太阳能电池发电层的钙钛矿材料一般为有机-无机杂化钙钛矿材料。 图1：钙钛矿正八面体晶体结构图 钙钛矿电池是第三代新型太阳能电池，是最具潜力和颠覆性的新一代光伏技术。其中的钙钛矿材料ABX3是有机金属三卤化物，具有非常优异的光电性质，如光学带隙可调(1.1~2.3eV)、吸收系数高、载流子扩散长度大等特点。同时具有原材料丰富、缺陷容忍度高、材料成本低等优点。 1.1优点1：带隙可调带来更高的理论转化效率 钙钛矿材料带隙可调节，理论效率高。钙钛矿是人工合成的材料，根据不同的材料配比，带隙可以调节，并可以与晶硅做成叠层电池。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。目前单结钙钛矿电池理论效率为31%，与晶硅叠层理论效率超过43%。 图2：钙钛矿电池带隙调节 图3：不同带隙对应光伏电池的转换效率 1.2优点2：原料易获取、工序简单带来成本降低 相比晶硅电池，钙钛矿工序大大缩短，单GW产能投资额更低。于钙钛矿电池厂本身就相当于组件厂，同时也省去了晶硅电池前端的硅料提纯、硅片切割等环节，整体生产成本上相较晶硅电池可大幅降低。根据协鑫光电的数据，晶硅电池的制备，从硅料到组件至少经过4道工序，单位制程需要3天以上，同时还需要大量人力、运输成本等；而钙钛矿组件在单一工厂完成生产，原材料经过加工后直接成组件，没有传统的“电池片”工序，大大缩短制程耗时。 图4：钙钛矿电池和晶硅电池生产成本比较 2什么是溶液涂布 2.1溶液涂布的主要技术路线 1）刮刀涂布法 刮刀涂布法是一种利用刮刀与基底的相对运动，通过刮板(半月板)将前驱体溶液分散到预制备基底上的一种液相制膜方法。其中，薄膜的厚度可通过前驱体溶液的浓度、刮板与基底的缝隙宽度、刮涂的速度和(或)风刀的压力大小进行控制。 2）狭缝涂布法 狭缝涂布法是一种将前驱体墨水存储在储液泵中，并通过控制系统将其按照设定参数均匀地从狭缝涂布头中连续挤压至基底上以形成连续、均匀液膜的一种沉积方法，该方法是工业上液相连续制膜的常用技术。 狭缝涂布法有如下几个特点。首先，目标液膜的参数可以通过控制系统的参数设定进行精确的数字化设计。例如，沉积液膜的厚度可通过涂布头与基底的缝隙宽度、基底移动速度、储液泵给料速度、风刀压力大小等进行预设定。其次，该方法是一种无接触式液膜制备技术，在涂布过程中可避免基底平整度不好而导致的涂布头与基底的直接刮擦。最后，该技术可以将前驱液密封在一个密闭的储液罐中，在前驱液沉积过程中可以保持其浓度不变，保证实验的可重现性。而且，这样的密闭环境可以保证实验人员的安全、有效地隔离人与有机溶剂的接触。 3）喷涂法 喷涂法是一种通过对喷枪内的前驱液施加压力，使溶液从喷嘴喷出后分散成微小的液滴并均匀沉积到基底上的一种液相薄膜沉积技术。该方法是一种易于扩展的大面积薄膜沉积技术。典型的喷涂系统包括用于存储溶液的压力罐、气动喷雾嘴和热板。一般来讲，按照喷涂的动力来源可将其分为三类，即气动喷涂(动力来源:高压气体)、超声喷涂(动力来源:通过超声波震动)以及电喷涂(动力来源:通过电斥力)。 4）喷墨打印法 喷墨打印法是通过控制打印腔内压力的变化将前驱体墨水从打印头喷出并打印到预沉积基底上的一种薄膜沉积方法。该方法也是一种非接触式的薄膜沉积技术，喷嘴与基底之间没有机械应力，而且对墨水的粘度要求较低，这极大地提高了该沉积技术本身对基底材料的强度和表面粗糙度的容忍度。当前驱液墨水被喷出时，打印喷头和基板将按照预设程序进行相对运动，并且前驱体墨水会被均匀地打印在相应的位置。这样，沉积前预先设计的图案即被直接印刷在基底上，省去了制版等过程，提高了原料的利用率。 表1：溶液涂布主要方法示意图 2.2涂布工艺流程 图5：涂布工艺流程简化示意图：放卷-涂布-烘干-收卷 1）放卷 放卷机构由放卷轴、过辊、接带平台、张力控制系统、放卷纠偏系统等组成。 基材首先经放卷轴开卷，后经由过辊、接带平台以及张力检测辊进入涂布头。其中，过辊包括辊体和两个辊轴，用于带动基材绕动；接带包括手动，自动接带两种，用于料卷更新替换；放卷纠偏用于确保卷材在放卷过程中始终从预先设定的位置导出，以便准确进入下一工序。 2）涂布 在这一环节，不同的涂布方式的体现的效果不同。对于狭缝涂布来说，从构造上看，涂布模头组合使用左右成对的“不锈钢主体”和“作为涂布口的硬质合金刀头”。工作时涂布液在一定压力、一定流量下经过过滤装置、传送装置后，沿着涂布模具的缝隙挤压喷出而涂布到基材上。 图6：狭缝涂布法涂布环节示意图 3）纠偏 通过纠偏装置修正卷材在向前运动中出现的侧边误差，确保在行进过程中的卷材始终从预先设定的位置经过，防止材料出现蛇形现象或进入下一工序时出现边缘不齐的情况。目前的检测模式一般有线扫与面阵相机两种。 图7：中间导向框架式纠偏应用示意图 4）烘烤 一般涂布结束之后需要通过烘烤硬化，烘烤是将外部的热量传导到电池极片，完成热交换的过程。对应的加热介质有热风(电加热、蒸汽加热、导热油加热)、红外、微波(严格意义属于波传导热)。 图8：蒸汽加热示意图 5）收卷 烘干之后会进行面密度测试以及收卷纠偏，最后用卷筒卷取即收卷。其中面密度测量通常使用β射线或X射线穿过物体后衰减的强度进行测定，收卷纠偏用于确保在收卷过程中收料整齐。 2.3狭缝涂布设备 2.3.1典型狭缝涂布设备 狭缝涂布设备主要由收-放卷系统、涂布系统、烘干系统几个部分组成。涂布系统主要包括供料单元和涂布单元，供料单元包括储料罐、输送泵、过滤装置等； 涂布机构主要由控制涂布间隙的阀门系统、压力控制系统以及涂布头。涂布头由三部分