电力设备及新能源行业深度报告：钙钛矿东风渐起，产业化进程从0到1

请务必阅读最后一页股票评级说明和免责声明1 行业研究/行业深度分析 2024年1月10日 行业深度报告领先大市-A(维持) 钙钛矿东风渐起，产业化进程从0到1 电力设备及新能源 电力设备及新能源板块近一年市场表现 资料来源：最闻 分析师：肖索 执业登记编码：S0760522030006邮箱：xiaosuo@sxzq.com 贾惠淋 执业登记编码：S0760523070001邮箱：jiahuilin@sxzq.com 投资要点： 理论效率+工艺+成本优势显著，钙钛矿有望成为光伏组件的终极路线：1）理论效率显著高于晶硅：钙钛矿单结电池理论效率可达33%，钙钛矿/晶硅叠层电池理论效率可达到43%，钙钛矿/钙钛矿叠层理论效率可达到45%；2）工艺流程相对简单：钙钛矿组件在一个工厂就可完成生产，整个工艺流程只需要大约45分钟，且能耗低，单瓦制造能耗不及晶硅1/10；3）未来降本空间较大：预计未来规模化后成本有望降至0.5-0.6元/W。但目前由于稳定性、大尺寸效率及规模化生产等因素，钙钛矿产业化仍然面临挑战。 量产步骤基本形成共识，PVD和激光设备使用的确定性高：钙钛矿电池生产流程可大致划分为：输入TCO层玻璃→P1激光划线→电荷传输层沉积→钙钛矿层涂覆→电荷传输层沉积→P2激光划线→背电极制作→P3激光划线→封装。1）钙钛矿层：制备工艺主要可分为湿法（溶液法）、干法 （气相法）和气相沉积辅助法（干湿结合），各种路线各有优缺点，狭缝涂布相对主流，蒸镀法关注度提升。2）电子传输层：氧化锡为主流材料，反式结构中RPD设备较为适合；3）空穴传输层：氧化镍为主流选择，反式结构中制备设备多选用PVD；4）电极层：通常使用TCO材料，PVD为主要制备方式。5）激光设备：四道激光刻蚀，高精度激光设备需求确定性高。6）封装：材料多选POE+丁基胶，工艺标准对标OLEDs。 良率/效率提升、材料端成本下降、设备成本下降是未来钙钛矿组件成本下降的三条主要路径：假设良率为90%、组件效率为18%时，测算数据显示，钙钛矿组件成本约为1.65元/W。1）良率/效率提升：在百兆瓦的产线下，假设良率为70%，组件成本会在2.09元/W左右。如果良率提升至100%，组件成本将下降至1.50元/W。假设良率为90%，如果组件效率从18%提升至30%，组件成本可下降0.66元/W，达到0.99元/W。2）材料成本下降：TCO玻璃在材料成本中占比最高，若TCO玻璃价格降至25元/ ㎡，组件成本能降至1.44元/W。3）设备成本下降：若单GW设备投资额从13亿元降至5亿元，能带动单瓦组件成本降低0.08元/W。 多个公司百兆瓦级产线运行顺利，协鑫和极电GW级产线已经开始建设：1）协鑫光电：公司1000mm×2000mm钙钛矿单结组件光电转化效率达到18.04%；279mm×370mm的叠层组件效率突破26.17%，369mm×555mm叠层组件效率突破26.34%。钙钛矿GW级生产基地顺利奠基，有望 在2024-2025年建成投产。2）极电光能：公司研发的810.1cm²大尺寸钙钛矿组件稳态效率达到19.5%。2022年8月，公司与无锡锡山经济技术开发区达成协议布局全球首条GW级钙钛矿光伏组件及BIPV产品生产线。项目于2023年4月开工建设，预计24年下半年建成投产。3）纤纳光电：采用公司钙钛矿α组件的蒙西基地库布其项目送电成功，是全球首个商业化运行的兆瓦级钙钛矿地面光伏项。 重点公司关注：我们认为钙钛矿光伏组件行业处于产业化从0向1的发展阶段，建议关注产业化进程较快的相关企业，协鑫科技、极电光能 （未上市）、纤纳光电（未上市）。钙钛矿光伏组件产业化将给设备公司带来相应的投资机会，建议关注镀膜设备公司京山轻机、捷佳伟创、迈为股份、奥来德、微导纳米；涂布设备公司德沪涂膜（未上市）、曼恩斯特；激光设备公司帝尔激光、大族激光。 风险提示：钙钛矿产业化发展不及预期、成本下降不及预期、光伏行业需求不及预期、数据测算和假设存在主观性风险。 目录 1.钙钛矿电池：理论效率、成本优势明显，叠层是未来发展方向7 1.1第三代光伏电池，钙钛矿叠层大势所趋7 1.2降本增效优势明显，大尺寸电池稳定性和效率仍面临挑战12 1.2.1优势：理论效率+工艺+成本三方面构筑竞争力12 1.2.2挑战：大面积电池的稳定性和效率仍需进一步突破15 1.3光伏建筑一体化（BIPV）打开钙钛矿增量市场17 2.量产步骤基本形成共识，PVD和激光设备确定性较高19 2.1钙钛矿层：狭缝涂布相对主流，蒸镀法关注度提升20 2.2电子传输层：氧化锡为主流材料，RPD设备较为适合26 2.3空穴传输层：氧化镍为主流选择，制备设备多选用PVD29 2.4电极层：FTO玻璃成主流选择，PVD为主要制备方式32 2.5封装：材料多选POE+丁基胶，工艺标准对标OLEDs33 2.6激光设备：四道激光刻蚀，高精度激光设备需求确定性高34 3.成本测算：降本空间大，规模化后有望降至0.5-0.6元/W36 3.1降本途径一：良率/效率提升36 3.2降本途径二：材料成本下降38 3.3降本途径三：设备成本下降39 4.产业化进展：百兆瓦级产线运行顺利，GW级产线已经开建40 4.1协鑫光电：369mm×555mm叠层组件效率突破26.34%40 4.2极电光能：810.1cm²大尺寸钙钛矿组件稳态效率达到19.5%42 4.3纤纳光电：钙钛矿组件稳定性领跑行业44 5.投资建议45 6.风险提示45 图表目录 图1：全球各能源发电装机量预测（GW）7 图2：太阳能电池分类8 图3：钙钛矿ABX3结构示9 图4：不同钙钛矿结构9 图5：钙钛矿电池工作原理9 图6：钙钛矿电池发展历程10 图7：1.55eV单结太阳电池工作能量损失11 图8：叠层太阳电池工作原理11 图9：叠层电池理论效率明显高于各单结光伏电池11 图10：叠层电池理论效率明显高于各单结光伏电池12 图11：钙钛矿材料光吸收系数更高13 图12：钙钛矿电池带隙可调13 图13：钙钛矿电池效率不断突破13 图14：钙钛矿与晶硅生产流程对比14 图15：钙钛矿组件制造能耗更低（KWh/W）14 图16：协鑫百MW钙钛矿组件成本拆分（%）14 图17：钙钛矿与晶硅产线投资额对比（亿元/GW）14 图18：钙钛矿电池商业化面临的挑战15 图19：影响钙钛矿电池稳定性的因素16 图20：尺寸增大导致钙钛矿电池光电转化效率下降16 图21：BIPV应用形式举例17 图22：北京世园会中国馆BIPV应用17 图23：钙钛矿电池性能优异可应用于BIPV18 图24：钙钛矿电池组件生产流程及目前主流设备选择19 图25：CsPbX3在低温或室温条件下会转变为黄色正交相非钙钛矿结构20 图26：各类溶液法制备钙钛矿层示意图21 图27：各类真空法制备钙钛矿层示意图22 图28：不同气相沉积辅助法示意23 图29：影响ETL效率的因素26 图30：常见有机化合物能级图27 图31：常见无机化合物能级图27 图32：含不同ETL材料钙钛矿电池的光电转换效率范围27 图33：常见ETL材料价格（元/克）28 图34：磁控溅射法和RPD法工作原理示意图29 图35：常见HTL材料能级图30 图36：含不同HTL材料钙钛矿电池的光电转换效率30 图37：常见HTL材料价格（元/克）31 图38：部分碳电极材料示意33 图39：两种封装技术示意图34 图40：钙钛矿电池激光工艺示意35 图41：钙钛矿组件和晶硅组件成本测算（元/W）36 图42：良率提升带动成本下降（元/W）37 图43：钙钛矿组件效率提升带动成本下降（元/W）37 图44：钙钛矿电池材料成本拆分38 图45：TCO玻璃价格下降带动组件成本下降（元/W）39 图46：设备投资下降带动组件成本下降（元/W）40 图47：协鑫光电发展历程41 图48：协鑫光电1m×2m钙钛矿组件42 图49：协鑫光电钙钛矿BIPV组件示意42 图50：极电光能发展历程43 图51：极电光能钙钛矿BIPV产品43 图52：纤纳光电发展历程44 图53：IEC61215测试系列44 图54：IEC61730测试系列44 表1：钙钛矿产业化进展16 表2：BIPV市场空间测算18 表3：三家企业钙钛矿层材料部分专利布局20 表4：协鑫光电有关钙钛矿层制备工艺的专利布局23 表5：协鑫光电有关钙钛矿层制备设备的专利布局23 表6：极电光能有关钙钛矿层制备工艺的专利布局24 表7：极电光能有关钙钛矿层制备设备的专利布局24 表8：纤纳光电有关钙钛矿层制备设备的专利布局25 表9：各厂商钙钛矿层设备布局情况25 表10：协鑫光电及极电光能对ETL材料的专利布局28 表11：三家厂商对HTL材料专利布局31 表12：不同类型TCO玻璃对比32 表13：各厂商钙钛矿封装设备布局34 表14：各厂商钙钛矿激光设备布局35 表15：TCO玻璃厂商情况38 表16：关注公司及盈利预测45 1.钙钛矿电池：理论效率、成本优势明显，叠层是未来发展方向 1.1第三代光伏电池，钙钛矿叠层大势所趋 可再生能源将成为未来主流，其中光伏发电占比最高。据IEA统计数据显示，截至2022年全球光伏发电装机量总计达到1145GW，占全球装机量的13.2%，预计到2050年全球太阳能发电装机量将达到12639GW，占比将达到48.7%，CAGR为5.0%。 图1：全球各能源发电装机量预测（GW） 资料来源：IEA，山西证券研究所 光伏电池已历经三次迭代，钙钛矿电池为第三代的代表。第一代光伏电池主要指包括单晶硅和多晶硅电池在内的硅基太阳能电池，是目前市场中的主流。第二代光伏电池以薄膜电池为主，典型代表为铜铟镓硒、碲化镉太阳能电池；与第一代相比，第二代光伏电池有生产过程简单、成本低等优点，但其发展受到了污染严重等因素的影响。第三代太阳能电池致力于通过采用新型材料以实现更高效率、更低成本的目标，主要指包含染料敏化电池（DSSCs）、有机光伏（OPV）、量子点太阳能电池（QDSCs）和钙钛矿电池（PSCs）等新型太阳能电池。其中，钙钛矿电池近两年发展迅猛，市场关注度日益提升；远期来看，有望成为太阳能电池的终极技术。 图2：太阳能电池分类 资料来源：东方富海，山西证券研究所 钙钛矿太阳能电池以金属卤化物钙钛矿材料作为光吸收层。钙钛矿材料起源于钙钛氧化物（CaTiO3），由Gustav于1893年发现，之后被LevA.Rose表征，钙钛矿（perovskite）从而得名。当前钙钛矿材料是指具有ABX3晶体结构的有机-无机杂化化合物，其中A为大半径阳离子，例如甲胺基（CH3NH3）；B为金属阳离子，例如铅离子；X则常指卤素原子，例如I-、Br-、Cl-等。 钙钛矿电池一般由透明导电氧化物（TCO）、电子传输层（ETL）、钙钛矿吸光层、空穴传输层（HTL）和电极层组成。钙钛矿电池的结构一般分为介孔结构和平面结构，平面结构又根据入射光方向不同分为N-I-P（正式）结构和P-I-N（反式）结构。反式结构制备工艺更加简单、可低温成膜，是目前的主流结构。 图3：钙钛矿ABX3结构示图4：不同钙钛矿结构 资料来源：QuantumSolutions，山西证券研究所资料来源：《两端钙钛矿/晶硅叠层太阳电池研究进 展》，山西证券研究所 钙钛矿电池工作原理同硅基太阳能电池类似，为光生伏特效应。太阳光透过导电玻璃入射到电池内部，钙钛矿活性层吸收光子产生激子（电子—空穴对），束缚态的激子分离成自由载流子，电子进入电子传输层（ETL），而空穴则进入空穴传输层（HTL），之后电子和空穴分别被阳极和阴极收集产生电动势，并移动到外电路从而产生电流。 图5：钙钛矿电池工作原理 资料来源：《Acomprehensivereviewofthecurrentprogressesandmaterialadvancesinperovskitesolarcells》，山西