钙钛矿行业深度：新型光伏电池，吹响产业化号角

钙钛矿凭借极高转换效率及降本潜力，成为下一代光伏电池技术重要方向。 有望接替晶硅电池，成为未来电池技术明珠 钙钛矿电池转换效率提升迅速，从2009年被发明以来，在12年内转换效率从3.8%提升至25.7%。而晶硅电池从5%发展至最近26.81%，用了60余年，且接近理论极限转换效率29.4%，反观单结钙钛矿理论极限效率可达33%，叠层电池有望突破50%，前景广阔。同时钙钛矿晶体依附于玻璃，大型化具备进步空间，钙钛矿有望继TOPCon、HJT成为未来主流的技术路线。 多重优势不断提升竞争力 钙钛矿电池在材料用量、工艺温度、制备难易程度、环保、初始投资额、生产成本等多方面具备优势。其温度系数仅为-0.001%/℃，相比晶硅具备更高的实际发电功率；其生产全过程可控制在45min之内，单平耗量仅为0.5g； 钙钛矿组件投资额约为5亿元/GW，比传统晶硅硅料、硅片、电池和组件四大环节共11亿元/GW的投资额大幅节省。钙钛矿能量回收时间0.35年和温室气体排放因子10.7g CO-eq/kWh，分别为硅基电池的23%和43%。多项优势加持，加上可广泛用于BIPV和移动能源，使得钙钛矿竞争力不断提升。 投资聚焦 我们认为钙钛矿产业化曙光初现，设备（涂布、激光、镀膜）、电池组件制造、材料三大领域具备较好的投资机会，景气度有望按照设备、制造、材料路径传导。 核心逻辑 晶硅电池从5%左右发展至最近的26.81%用了60余年，且接近理论极限转换效率29.4%。反观单结钙钛矿电池理论极限效率可达33%，叠层电池转换效率有望突破50%。大面积钙钛矿电池转换效率有望在2023年底达到18%，硅基钙钛矿串联叠层电池两年内三次刷新纪录至32.5%，钙钛矿电池有望继TOPCon、HJT成为未来主流的光伏电池。 不同于市场的观点 市场目前普遍认为钙钛矿距离产业化仍有一段距离，疑虑尤其集中于大型化、效率的进一步提升、稳定性及寿命、生产良率、叠层电池的验证。但我们认为随着晶硅电池接近效率天花板，光伏行业需要新的技术接力发展，而钙钛矿电池在材料用量、工艺温度、制备难易程度、环保、初始投资额、生产成本等多方面具备优势，且已有100MW产线验证，是目前最佳的选择之一。 投资看点 1）设备：钙钛矿三大核心设备分别为镀膜、激光和涂布结晶设备，钙钛矿设备厂商有望受益于中试线、GW级产线建设。我们建议关注大族激光、帝尔激光、德龙激光、杰普特、京山轻机、捷佳伟创、奥来德、科恒股份。 2）靶材：可用于钙钛矿及叠层电池的TCO层、空穴传输层、电子传输层，靶材厂商有望受益于产能规模化释放。我们重点推荐国内靶材龙头隆华科技和阿石创。 3）TCO玻璃：当前我国拥有超薄超白浮法玻璃供应主要集中在信义、福莱特、金晶、台玻、南玻、艾杰旭等几家头部玻璃企业。我们认为上述企业在未来钙钛矿领域的TCO玻璃应用上具备一定的成本和技术优势。TCO玻璃成本占钙钛矿电池总成本的33.7%。国内TCO玻璃有望在钙钛矿时代超越NSG、AGC等海外龙头企业。我们重点推荐国内TCO玻璃龙头金晶科技和耀皮玻璃。 1.钙钛矿电池前景广阔 1.1晶硅电池逐步接近效率天花板 常用的光伏材料有Si、Ge、CIGS、CdTe、GaAs等，其中硅元素在自然界中资源丰富，可大量用于光伏行业。同时硅由于其禁带宽度为1.12eV，能对300- 1200nm 的光子有效吸收。叠加CZ、DS、FZ等工艺制备出的单晶硅具备纯度高、晶格完美、位错缺陷少等优点，是理想的光伏电池材料。但由于吸收光谱限制，在AM1.5标准光谱下，单晶电池极限转换效率为29.4%。 图表1：太阳光谱和晶硅电池可吸收的部分 P型电池制作工艺相对简单，成本较低，主要是BSF电池和PERC电池。 AL-BSF：铝背场电池是最早应用的单晶电池，成熟阶段为2013-2016年。BSF电池是在晶硅光伏电池PN结制造完成后，通过在硅片的背光面沉积一层铝膜，制备P+层，从而形成铝背场。铝背场有减小表面复合率和增加长波吸收等优点，但铝背场能够反射的长波有限，因此其转换效率有局限性。 PERC：通过背面钝化膜取代全铝背场的结构迭代，自2015年起逐步取代BSF电池，并于2019年超越BSF成为光伏主流电池。PERC电池全称为发射极及背面钝化电池技术，其与BSF电池在结构上差异不大，最大的区别在于PERC电池用背面钝化膜（Al0/SiN）取代了传统的全铝背场，增强了长波的内背反射，降低了背面的复合速率，从而使电池的效率提升；并且采用激光SE对其背面局部开孔进行电极的制备，可大幅降低电池背面的复合电流密度。同时PERC电池具备双面发电结 x 构难度低、成本低等优势，LCOE指标上优于BSF电池。 PERC电池理论转换效率极限为24.5%，目前已经接近极限，并且未能彻底解决以P型硅片为基底的电池所产生的光衰现象。N型电池应运而生。 N型电池制作工艺相对复杂，成本较高，主要包含TOPCon电池和HJT电池。 N型电池具有转换效率高、双面率高、温度系数低、无光衰、弱光效应好、载流子寿命更长等优点。 图表2：我国晶硅电池量产效率变化情况 TOPCon：理论效率达28.7%，2022至23年TOPCon产能迅速增加，有望成为继PERC电池之后的新主流高效电池。TOPCon全称隧穿氧化层钝化接触，其核心是其背面由一层超薄氧化硅与一层磷掺杂的微晶非晶混合Si薄膜组成，二者共同形成钝化接触结构。超薄氧化层可以使多子电子隧穿进入多晶硅层同时阻挡少子空穴复合，超薄氧化硅和重掺杂硅薄膜良好的钝化效果使得硅片表面能带产生弯曲，从而形成场钝化效果，使电池转化效率提升。 HJT：理论效率达28.5%，目前产能规划较大，有望同TOPCon电池一起替代传统PERC电池，占据一席之地。HJT全称非本征晶硅异质结，其结构对称，制备流程短，双面率、温度系数、碳足迹等均优于TOPCon。HJT电池降本路径清晰，存在银包铜、电镀铜、薄硅片、网版、低铟靶材、薄硅片、210尺寸半片、SMBB等降本增效技术，单线产能已经升至600-1000MW，未来同时低温工艺完美适配钙钛矿叠层工艺，发展天花板有望进一步提升。 图表3：N型电池结构图 1.2钙钛矿挑起薄膜电池大梁 薄膜电池是晶硅电池之外，光伏电池技术的另一个重要分支，具有很高的转换效率潜力。薄膜电池是指在玻璃或柔性基底上沉积若干层，构成PN结或PIN结的半导体光伏器件。其核心是吸收层材料，目前主要包括硅基薄膜、铜铟镓硒（CIGS）、碲化镉（CdTe）、砷化镓（GaAs）、钙铁矿电池及有机薄膜电池等，以及各类薄膜-薄膜、薄膜-晶硅叠层电池。薄膜电池总体上具备材料消耗少、生产时间短、制备能耗低、制造环节少、适配柔性组件、弱光效应好、重量轻等特点。 CdTe目前是主流薄膜电池。2021年全球薄膜太阳电池的产能10.7GW，产量约为8.28GW，同比增长27.7%，主要是受First Solar产量增长的拉动。其中CdTe电池产量约为8.03GW，其中国外7.9GW，国内130MW，在薄膜太阳电池中占比为97%；CIGS电池的产量约为245MW，其中国外210MW，国内35MW，占比为3%。 2021年全球薄膜电池市场占有率仅为3.8%，同比下降0.2pct，其增速不及晶硅组件。薄膜太阳电池虽然受晶硅电池产业快速发展的挤压而被推向边缘化，但在光伏建筑一体化（BIPV）、可穿戴设备、移动能源领域具备特定优势，同时生产过程低碳足迹，因此薄膜电池未来仍有较好的发展应用前景。 图表4：2012-2021年全球薄膜太阳电池组件产量 图表5：2010-2021年薄膜电池所占市场份额 1）硅基薄膜电池：产品性能和生产成本上相较晶硅电池无明显优势，并且技术提升空间有限，企业相继停产、减产，逐步退出主流市场。 2）CIGS、CdTe电池：理论效率均超过33%，目前实验室最高转换效率分别达到23.35%、22.1%，量产组件平均转换效率也均达到或超过16%、18%。目前铜铟镓硒（CIGS）电池最高可以达到23.35％的转换效率，然而其是在超高真空（10-9 Torr）和约350℃的高温下制造。由于PET和PEN等成本较低材料在此环境利用受限，因此CIGS制造成本较高且无法大规模量产。不仅如此，In、Ga和Se等原材料昂贵且地球储量不丰富，这限制了CIGS大规模应用的可能性。CdTe电池则在特定的BIPV场景具备较好的应用，目前美国的First Solar相对领先。 3）GaAs电池：具有高效率、耐高温、抗辐射、弱光性能好、轻质柔性等特点，但制造成本高，主要应用于空间飞行器等特殊用途，在MW级量产化方面还需要时间发展。 4）有机薄膜电池：制备工艺相对简单，受转换效率较低的影响，近些年发展缓慢，效率提升有限。 5）钙钛矿电池：具备高转换效率，单结理论效率可达33%，组件量产效率在2023年底有望达18%。还兼具原材料丰富、低成本、技术工艺相对简单、制造过程低碳环保、环节少、设备投资额低等优势，可应用于工商业屋顶、BIPV、大型地面电站、航天、户外应用、智慧交通等领域。 图表6：2021年全球主要薄膜电池企业产能（MW） 图表7：2021年全球各类薄膜电池市场份额 1.3钙钛矿有望成为晶硅之后的主流电池 钙钛矿电池转换效率提升迅速。2009年，首个钙钛矿太阳能电池被发明，而转换效率仅为3.8%。但经历各国实验室重视研发14年后，其效率就被提升至26%。 而晶硅电池转换效率从5%左右发展至26.81%用了60余年，理论极限转换效率为29.4%，目前晶硅电池已逐步接近转换效率的天花板，反观钙钛矿电池仍具备较大的发展潜力，如单结、双叠层、三叠层、四叠层理论最高转换效率分别达32.5%、44.3%、50.1%、54.0%。 图表8：钙钛矿电池发展迅速 图表9：钙钛矿电池发展历程 协鑫光电新建的 1m×2m 尺寸钙钛矿组件作为全球首条100MW量产线已进入中试，目前组件转化效率近16%，预计2023年底组件转换效率可达18%。 图表10：协鑫光电大面积钙钛矿组件 1.4大型化和叠层是主流趋势 目前行业内钙钛矿电池生产大多处于小规模试验阶段，三条100MW及以上中试线已经建成，并先后投入运营，首批量产组件已经开始分布式应用实践。2022年小电池片实验室最高转换效率为25.6%，玻璃基小组件最高转换效率为22.4%（ 26.02cm2 ）。处于小规模试验线量产阶段的玻璃基组件中试最高转换效率达到18.2%。 图表11：钙钛矿电池转换效率变化趋势 钙钛矿电池组件降本增效持续进行。根据CPIA预测，2023年平米级钙钛矿光伏产品有望实现17-19%的转换效率，预期2030年可能提升至25%。当前百兆瓦级产线阶段成本可以控制在1.0-1.5元/W，2025年后GW级产线有望将成本降至0.8元/W；2028-2030年10GW级产线有望将成本降至0.6元/W。 图表12：钙钛矿电池成本及效率趋势 钙钛矿大型化是降本的必经之路。由于钙钛矿中的涂布和真空溅镀的环节，使其与现有的OLED产业有较大的相似之处。以OLED不同代的生产线为例，6代线相比于2.5代线，不经单屏面积有一定提升，年产能也从原有的3万m提升至100万m，同时大面积制备能够摊薄设备折旧、人工、材料等成本，使其成本达到90美元/m2 ，仅为2.5代线的十分之一。 图表13：钙钛矿大型化示意图 图表14：OLED不同代产线的单位成本情况 两端叠层有望成为未来的主流趋势。叠层电池技术路线丰富多样，主要结构有四种。1）集成一体的两端器件：两个子电池通过复合层连接，容易集成到光伏系统中。 2）机械堆叠的四端器件：顶底电池独立制造，不必考虑工艺兼容问题，但需要三个透明导电电极，寄生吸收大且制造成本高，同时需考虑外接两种不同型号的逆变器。 3）光学耦合的四端器件：通过二向色镜将穿过顶电池的光反射到底电池，但二向色镜成本极高。（4）串联-并联（S-P）叠层器