钙钛矿行业深度报告：钙钛矿：降本潜力较大，产业化雏形已现

有 钙钛矿：降本潜力较大，产业化雏形已现 —钙钛矿行业深度报告 2023年5月31日 武浩电新行业首席分析师黄楷电新行业分析师S1500520090001S1500522080001 010-83326711 wuhao@cindasc.comhuangkai@cindasc.com相关研究 证券研究报告行业研究 行业专题报告（深度）电力设备与新能源投资评级看好上次评级看好武浩电新行业首席分析师执业编号：S1500520090001联系电话：010-83326711邮箱：wuhao@cindasc.com黄楷电新行业分析师执业编号：S1500522080001邮箱：huangkai@cindasc.com 信达证券股份有限公司CINDASECURITIESCO.,LTD北京市西城区闹市口大街9号院1号楼邮编：100031 钙钛矿：降本潜力较大，产业化雏形已现 2023年5月31日 本期内容提要: 钙钛矿电池具有高理论转换效率和材料、制造成本低廉的优势。钙钛矿本 指化学式为CaTiO3的矿物质以及拥有CaTiO3结构的金属氧化物，现指 结构式为ABX3形式且具有与CaTiO3相似晶体结构的材料。钙钛矿单结电池理论极限效率为31%，且仅用十余年时间就将实验室转换效率从3.8%提升至25.8%，加入叠层技术后理论极限转换效率将进一步提升至 45%。另一方面晶硅组件全产业链的投资成本约为9.6亿元/GW，而钙钛 矿组件的产能投资约为5亿元/GW，仅为晶硅组件的一半左右，高理论转 换效率与低廉成本潜力使钙钛矿电池有望成为光伏产业化技术进步的新方 向。 钙钛矿电池产业化进程如火如荼，领先企业已获大量资本青睐。“十四五”开局之年2021年，开展钙钛矿等先进高效电池技术应用就已经写在了可再生能源规划中，在后续政策中也不断提及，持续促进产业发展进步。领先企业如协鑫光电、极电光能、纤纳光电等已获数轮亿元以上投资，领头机构包括腾讯创投、IDG、淡马锡投资等知名资本机构。行业内多支百兆瓦级产线预计将于今年落地，明年有望迎来多个GW级产线投产。 钙钛矿组件用一站式生产流程，需全新的工艺流程和产线设备。不同于晶硅技术路线的硅料-硅片-电池-组件的较长产业链制造流程，钙钛矿电池从最基础的原材料到最终组件出厂全生产过程均在组件厂完成，精简的生产过程可以使钙钛矿组件生产时间大幅减少，头部企业的钙钛矿产品从原料进入到组件成型的全过程时间约在45分钟，而从传统晶硅电池从硅料到组 件约需3天以上时间。钙钛矿生产所需设备主要分为镀膜设备、涂布设备、激光设备与封装设备。目前钙钛矿设备发展较快，各工艺环节均有国内公司布局，且领先企业已经拥有整线设备的生产能力。 投资建议：钙钛矿产业化有望快速从0向1迈进，建议关注相关领先公司：协鑫光电（未上市）、极电光能（未上市）、纤纳光电（未上市）、捷佳伟创、京山轻机、大族激光等。 风险提示：钙钛矿电池效率进步不及预期；光伏需求不及预期；钙钛矿产品稳定性不及预期。 核心要点： 钙钛矿电池具有高理论转换效率和较大降本潜力空间，有望成为光伏产业又一重大技术变革方向，目前正处在从实验室迈入产业化阶段的关键发展时期，相关钙钛矿电池领先企业及关键设备供应商有望迎来快速发展期。钙钛矿电池行业发展仅有10余年时间，近几年实验室转换效率快速提升、量产工艺不断成熟，产业出现了多条百兆瓦级产线规划，领先企业获取融资较顺畅，多条GW级产线有望在明年落地；并且在材料成本、制造成本上钙钛矿较晶硅有较大降本潜力优势，头部企业的钙钛矿组件从最基础的原材料开始到最终组件出厂全生产全过程时间只需45分钟左右。钙钛矿产业化有望快速从0向1迈进，建议关注相关领先钙钛矿组件、设备企业的投资机会。 目录 一、钙钛矿电池材料成本低廉，生产流程较短5 1.1钙钛矿材料体系、电池结构概述5 1.2钙钛矿电池实验室效率进步迅速7 1.3钙钛矿优势：理论转换效率高，材料、制造成本低廉7 1.4目前大面积钙钛矿电池稳定性仍有挑战12 二、钙钛矿电池产业化发展加速12 2.1国家政策支持钙钛矿电池发展13 2.2钙钛矿企业备受资本市场关注13 2.2.1钙钛矿产业融资情况13 2.2.2钙钛矿电池企业介绍14 2.2.3钙钛矿企业产线推进情况16 三、钙钛矿产业化发展带来相关设备投资机会16 3.1产业化带来新关键设备投资机会16 3.2激光刻蚀、镀膜为钙钛矿生产核心环节17 3.3领先钙钛矿设备厂商已具备整线交付能力21 四、风险提示22 表目录 表1：关于钙钛矿电池的相关政策13 表2：近年来钙钛矿企业获得融资情况13 表3：钙钛矿企业产线规划16 表4：大面积钙钛矿薄膜制备方法比较18 表5：蒸镀、磁控溅射、离子镀三种工艺的特点对比21 表6：涂布工艺与PVD工艺区别21 表7：钙钛矿设备企业情况22 图目录 图1：钙钛矿类材料图片5 图2：钙钛矿晶体结构示意图5 图3：钙钛矿太阳能电池工作原理图6 图4：钙钛矿太阳能电池的构造与运行机理示意图6 图5：各类钙钛矿电池结构示意图6 图6：钙钛矿电池转换效率进步速度快于晶硅电池8 图7：钙钛矿材料吸光系数（10^5）远大于晶硅材料（10^3）8 图8：各类电池转换效率理论极限8 图9：各类钙钛矿电池结构示意图9 图10：钙钛矿/晶硅叠层电池9 图11：叠层与单结效率图（红色线为钙钛矿/晶硅叠层电池，截至2020年）10 图12：钙钛矿电池生产流程与晶硅电池有较大差异，GW级别产能投资仅约为晶硅的一半.11图13：100MW级别钙钛矿组件量产成本构成11 图14：钙钛矿BIPV项目12 图15：车顶光伏应用12 图16：协鑫光电1m×2m钙钛矿组件14 图17：极电光能BIPV产品14 图18：纤纳光电商用组件α15 图19：仁烁光能30*40c㎡钙钛矿光伏组件15 图20：钙钛矿电池制备流程示意图（反式结构为例）17 图21：钙钛矿电池激光划线工艺流程18 图22：镀膜设备示意图20 图23：钙钛矿PVD设备20 图24：PVD蒸镀原理示意图20 图25：磁控溅射示意图21 图26：离子镀示意图21 一、钙钛矿电池材料成本低廉，生产流程较短 1.1钙钛矿材料体系、电池结构概述 钙钛矿本指化学式为CaTiO3的矿物质以及拥有CaTiO3结构的金属氧化物，现指结构式为ABX3形式且具有与CaTiO3相似晶体结构的材料。1839年，俄罗斯地质学家L．Perovskite在乌拉尔山脉发现了钙钛矿这种矿石，而后就以他的名字来命名这种矿物。1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。 钙钛矿一般采用ABX3八面体结构。光伏用的钙钛矿材料中，A位一般选择择甲胺 （CH3NH3+，MA+）、甲脒（NH2-HC=NH2+，FA+）和铯（Cs+）等一价阳离子；B位一般选择铅（Pb2+）、锡（Sn2+）等二价阳离子，X位可选择碘（I-）、氯（Cl-）和溴 （Br-）等卤素阴离子。 图1：钙钛矿类材料图片图2：钙钛矿晶体结构示意图 资料来源：索比光伏网，信达证券研发中心资料来源：《钙钛矿薄膜制备技术及其在大面积太阳电池中的应用》（刘璋等），信达证券研发中心 钙钛矿光伏电池的发电原理是光生伏特效应。其物理过程为：钙钛矿吸光层吸收光子之后，入射光将电子从价带跃迁到导带，形成电子-空穴对，然后电子-空穴对在吸光层内部迅速分开，接着电子通过电子传输层输送到阳极，空穴通过空穴传输层输送到阴极,随着电子和空穴不断在阳极和阴极的堆积,两级之间产生了光生电动势2。若此时装置与外部电路相连，便有光电流输出。 1《钙钛矿薄膜制备技术及其在大面积太阳电池中的应用》（降戎杰等） 2《高质量钙钛矿薄膜的合成、加工及应用研究》（孔文池） 图3：钙钛矿太阳能电池工作原理图图4：钙钛矿太阳能电池的构造与运行机理示意图 资料来源：《高质量钙钛矿薄膜的合成、加工及应用研究》（孔文池），信达证券研发中心 资料来源：科普中国，信达证券研发中心 常见的单结钙钛矿电池由透明电极、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层与金属电极构成。单结钙钛矿电池根据电荷传输层的形貌结构，可分为介孔结构和平面结构两种类型，介孔能够扩大TCO与钙钛矿的接触面积，有利于电荷提取，提升高转换效率，但制造介孔 需要450℃以上的高温加工，且会由于紫外光引起的表面吸附氧的解吸而导致电池不稳定。 若根据电荷传输层类型分类，平面钙钛矿太阳能电池结构又可以分为正式结构(n-i-p)和倒置结构（p-i-n）两种类型，其中n代表电子传输层（ETL），i代表钙钛矿吸光层，p代表空穴传输层（HTL）。下图展示了各种不同类型的钙钛矿电池结构示意图。 图5：各类钙钛矿电池结构示意图 资料来源：《高质量钙钛矿薄膜的合成、加工及应用研究》（孔文池），信达证券研发中心 电子传输层（ETL）：电子传输层用于接收由钙钛矿层传输的电子，并将其传输到电极中，同时防止空穴的传输。电子传输层必须满足与钙钛矿层良好接触，使得电子在传输过程中的潜在势垒降低，并且在完成电子传输的同时阻止空穴向阴极传输，这对提高电池的光电转换效率具有重要作用。ETL必须满足与钙钛矿层能带匹配，目前ETL常用的材料有两大类：1）金属氧化物：通常包括TiO2、SnO2、ZnO以及一些掺杂的氧化物，主要用于n-i-p结构。2）有机材料：通常是富勒烯及其衍生物例如PCBM和C60等,主要用于p-i-n结构。 空穴传输层（HTL）：用于接收由钙钛矿层传输的空穴，并将其传输到电极中，同时 防止电子的传输。HTL需要与钙钛矿层有良好的异质结接触界面，减少空穴传输过程中的潜在势垒，完成空穴传输的同时阻止电子向阳极移动，对提高太阳能电池的光电转换效率具有重要作用。一般常用材料包括有机小分子、有机聚合物以及无机材料。用在p-i-n结构中的HTL主要是有机聚合物PTAA、PEDOT:PSS；用在n-i-p结构中的HTL主要是有机小分子和无机物材料:Spiro-OMeTAD、NiO、CuSCN、CuO、CuI、P3HT等1。 钙钛矿吸光层：电池的核心层。用于吸收光能生成电子-空穴对，一般采用ABX3八面体结构。 透明电极：透明电极一般选用商业化的ITO或者FTO氧化物导电玻璃。其在可见光波段的透光率高达80-90%、导电能力强、功函数合适，这些优异的特性使得透明电极在在保证透过率的同时还拥有出色的电荷横纵向传输能力，有利于电荷收集。 金属电极：选择导电性良好的金属或具有金属性质的导电物，如金、银、铜、碳等，通过热蒸发沉积的方式制成。 1.2钙钛矿电池实验室效率进步迅速 2009年,日本人Kojima等人首次将有机、无机杂化的钙钛矿材料应用到量子点敏化太阳电池中。制备出了第一块钙钛矿太阳电池，并实现了3.8%的效率。但是这种钙钛矿材料在液态电解质中很容易溶解，该电池仅仅存在了几分钟。随后，Park等人在2011年将MAPbI3纳米晶粒改为2—3nm,效率提高到6.5%。但是由于仍然采用液态电解质,仅仅经过10分钟后电池效率就衰减了80%。2 为解决钙钛矿太阳电池的稳定性问题,2012年Kim等人将一种固态的空穴传输材料(spiro-OMeTAD)引入到钙钛矿太阳电池中,制备出第一块全固态钙钛矿太阳电池,电池效率达到9.7%，即使未经封装,电池在经过500h后,效率衰减依旧很小。通过对钙钛矿组分以及制备方法的优化和改进、传输层的改良与修饰、钙钛矿与传输层之间界面的钝化，使得光电转换效率不断突破，自此以后，钙钛矿太阳能电池进入迅猛发展阶段： 2013年，MichaelGratzel等人采用两步旋涂法获得多晶薄膜MAPbl3，并且使得钙钛矿电池的效率提高到15%； 2014年，加州大学洛杉矶分校YangYang等人使用溶液沉积法获得多晶薄膜电池获得了光电转换效率为19.3%的平面结构电池； 2016年，瑞士洛桑联邦理工学院AndersHagfeldt等人通过一步旋涂法制备