一周解一惑系列：钙钛矿电池转换效率突破18%，产业化拐点将现

本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 1 一周解一惑系列 钙钛矿电池转换效率突破18%，产业化拐点将现 2024年01月14日 ➢ 本周关注：宏华数控、郑煤机、奥来德 ➢ 钙钛矿效率持续突破18%。协鑫光电2023年11月23日推出的1000毫米x2000毫米钙钛矿单结组件光电转化效率达到18.04%，标志着协鑫光电成功跨过18%的转换效率门槛；11月30日，协鑫光电发布全球第一块真正意义上的钙钛矿叠层组件（279mm×370mm），效率26.17%。未来将持续在面积和效率上双管齐下，力争突破26%@1000mm×2000mm这一商业化起点。12月14日推出叠层钙钛矿组件效率达26.34% @2048cm²（36.9cmx55.5cm）。同时伴随着朱雀二号遥三火箭发射成功，进入太空测试。12月27日，协鑫光电在昆山举行全球首个吉瓦级大规格（2.4米×1.2米）钙钛矿生产基地奠基仪式，标志着协鑫钙钛矿正式进入吉瓦级商业运营阶段。极电光能于2023年11月27日发布的1.2x0.6m²商用尺寸钙钛矿组件全面积效率达到18.2%，对应的最大功率131.07 瓦，孔径面积（AP面积-Aperture Area）效率高达19.55%。 ➢ 寻找效率、大面积、稳定性之间的平衡点是钙钛矿产业化发展的关键。晶硅电池的理论极限转换效率为29.4%，经过60余年的发展，其转换效率才从5%左右发展至26.81%。而钙钛矿这个新技术，仅用十余年时间就完成了效率突破。那么钙钛矿未来能取代晶硅，成为颠覆性的技术吗？其实关键在于如何在效率、面积、稳定性三者之间寻找一个平衡点。行业普遍认为钙钛矿的寿命、效率、面积是不可实现的三角，但实际上针对这三方面的性能提升问题，底层需要解决的问题方向不是完全互斥的，甚至可能是共通的。解决了一些效率问题，可能也会对寿命有帮助。比如近期协鑫在提升钙钛矿电池转换效率的同时，在材料稳定性及大面积制备方面也有持续取得成果和进展。而且从底层逻辑来讲，效率从来就不是光伏追求的唯一指标。从电站投资收益的角度来看，影响电站收益的直接因素是光伏组件的单瓦发电量和单瓦成本，无论是效率、面积还是寿命都要通过单瓦发电量和单瓦成本来体现。所以，无论是单结还是叠层，单纯提升效率是不够的，关键是要通过同时推动“增效”和“降本”来实现光伏组件的单瓦成本的降低。 ➢ 2023年是钙钛矿产业化的关键一年，也是行业尝试从百兆瓦级别向GW线正式发起的第一波冲击。2023年4月，极电光能全球首个GW工厂在无锡开工建设；同年12月，协鑫光电在昆山高新区举行全球首个吉瓦级大规格（2.4米×1.2米）钙钛矿生产基地奠基仪式，标志着协鑫钙钛矿正式进入吉瓦级商业运营阶段。实际上，在冲击GW级产线大面积量产的过程中，最大的技术上的风险是在小试到中试这个环节。因为小试到中试的面积跨度要大于中试到量产的面积跨度，有了中试阶段的经验积累，GW产线面积的放大难度反而会小了很多。因此我们认为2-3年内钙钛矿GW级产线落地的可能性较大。协鑫光电总经理田清勇表示，协鑫光电未来大规模推向市场的产品会是2.88平米（1.2*2.4m）的叠层组件，该叠层组件预计在2025年在公司的新产线实现生产。也就是说，协鑫光电预期钙钛矿叠层组件会在2-3年内批量走向市场，并且随着叠层组件的效率持续提高，组件量产成本将会快速下降，叠层组件的渗透速度也会加快。 ➢ 投资建议：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、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。 推荐 维持评级 [Table_Author] 分析师 李哲 执业证书： S0100521110006 电话： 13681805643 邮箱： lizhe_yj@mszq.com 分析师 占豪 执业证书： S0100522090007 电话： 15216676817 邮箱： zhanhao@mszq.com 相关研究 1.一周解一惑系列：可控核聚变开启未来清洁、安全、高效能源新解-2024/01/08 2.一周解一惑系列：MEMS压力传感器详解，机器人或打开新场景-2024/01/02 3.人形机器人大报告硬件篇：天工巧夺，铸造国之重器-2023/12/31 4.一周解一惑系列：宽体自卸车——矿用运输机械新秀-2023/12/25 5.机械行业2024年度投资策略：科技设备掘金-2023/12/17 行业动态报告/机械 本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 2 目录 1 钙钛矿技术不断取得突破，产业拐点将至 ................................................................................................................. 3 1.1 钙钛矿叠层电池逐渐成为主流方向 ................................................................................................................................................ 3 1.2 效率突破18%，钙钛矿完成技术爬坡阶段 .................................................................................................................................. 7 2 钙钛矿不可能三角如何破局？ ............................................................................................................................... 10 2.1 寻找效率、大面积、稳定性之间的平衡点是产业化发展的关键 ............................................................................................ 10 2.2 GW级钙钛矿产线有望持续落地，产业化加速中 ...................................................................................................................... 12 3 风险提示 .............................................................................................................................................................. 13 插图目录 .................................................................................................................................................................. 14 表格目录 .................................................................................................................................................................. 14 行业动态报告/机械 本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 3 1 钙钛矿技术不断取得突破，产业拐点将至 1.1 钙钛矿叠层电池逐渐成为主流方向 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 资料来源：搜狐新闻，民生证券研究院 纯钙钛矿电池结构 目前钙钛矿电池分为单结钙钛矿与叠层钙钛矿（多结）两类。纯钙钛矿电池可分为n-i-p 和p-i-n 两种器件结构，其中n-i-p 结构是指电子传输层-钙钛矿层-空穴传输层的器件结构，p-i-n 结构是指空穴传输层-钙钛矿层-电子传输层的器件结构，其中n-i-p 器件结构较为常见。但由于p-i-n结构制备工艺简单，成本低，可用于钙钛矿-钙钛矿叠层器件的制备，因此越来越受到科研者们的关注。 行业动态报告/机械 本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 4 图2：nip结构（正式结构） 图3：pin结构（反式结构） 资料来源：知研光电材料，民生证券研究院 资料来源：知研光电材料，民生证券研究院 叠层钙钛矿电池结构 连续可调的带隙宽度使得钙钛矿适合做叠层多结电池，优势在于其它类型太阳能电池集成以后可以捕捉和转换更宽光谱范围的太阳光，提升电池转换效率。 叠层的技术方向主要分为两类，钙钛矿/晶硅叠层电池、钙钛矿/钙钛矿叠层电池。对于钙钛矿/晶硅叠层电池，钙钛矿可以与 HJT、Topcon 等晶硅电池组成叠层电池。简单来说，是指将钙钛矿电池串联在晶硅电池表面。钙钛矿/硅串联太阳电池结合了晶硅、薄膜电池的优点，通过组合的优势，拓宽了吸收光谱，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，明显超过单晶硅电池。 行业动态报告/机械 本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 5 图4：电池转换效率历程（圈内为钙钛矿/晶硅叠层） 资料来源：NREL，民生证券研究院 钙钛矿/硅叠层太阳能电池有多种配置方式，常见的配置方法有二端叠层（2T）与四端叠层（4T）。 图5：两端叠层电池结构 图6：四端叠层结构 资料来源：eScience期刊公众号，民生证券研究院 资料来源：德沪涂膜设备公众号，民生证券研究院 从工艺难度来看，最容易实现的是机械堆叠的四端叠层电池。四端叠层电池的两个子电池独立制作，并且两子电池仅在光学上存在联系，电路相互独立，因此可以分别设计两个子电池的最佳制造条件，且两个子电池可以相互独立的运行在它们的最大功率点上。 行业动态报告/机械 本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 6 两端叠层电池在硅电池上直接沉积钙钛矿电池制成，通过复合层或隧道结将两个子电池串联连接。与机械堆叠的四端电池相比，这种两端架构只需要一个透明电极，由于更少的电极材料使用和更少的沉积步骤，两端电池的制造成本极大的降低了。两端叠层电池也有一些限制：由于直接在硅电池顶部沉积钙钛矿电池，硅电池顶部陷光结构的制作和表面钝化设计将会更加困难。因为不规则的表面不利于沉积规则的钙钛矿薄膜，沉积工艺也可能破坏硅的上表面钝化层。