钙钛矿电池行业深度研究报告：钙钛矿产业化进程提速，奔赴星辰大海

钙钛矿是第三代太阳能电池，发展前景广阔。钙钛矿电池因其光电转换层使用钙钛矿结构的材料而得名，指通用化学式为ABX3的一类材料，具有轻质、柔性、弱光性高等特点。钙钛矿电池应用场景较晶硅更为广阔，可应用于光伏建筑一体化、车顶光伏、移动设备、联网传感器、光发电站等众多领域。转换效率方面，单结钙钛矿电池最大理论转换效率为33%，接近单结电池理论转换效率极限33.7%，多结电池组成的叠层电池转换效率将进一步提升。近年来钙钛矿发展迅猛，转换效率快速跃升，据NREL，单结钙钛矿电池效率纪录达26.1%，晶硅-钙钛矿叠层电池销量纪录达33.9%。 钙钛矿制备工艺暂未标准化，镀膜及涂布为核心设备。钙钛矿生产过程中涉及的设备主要有镀膜设备、涂布设备、激光设备、封装设备等四大类，其中镀膜设备价值量占比最高，激光设备工艺确定性最强。以反式结构的单结钙钛矿电池为例，钙钛矿层、空穴传输层、电子传输层、电级层的主流工艺分别为狭缝涂布、磁控溅射（PVD）、反应式等离子镀（RPD）、磁控溅射（PVD）。钙钛矿电池的制备过程通常需要四道激光程序，主要作用是刻蚀和清边，激光工序的损伤缺陷和切面平整程度会直接影响电池的寿命和转换效率，因此对精度要求较高。从目前的产业实践来看，各企业的制备工艺存在差异，通常会在质量与经济性之间权衡，最终方案暂未标准化。 钙钛矿电池产业化潜力突出，大面积制备及稳定性仍需突破。（1）产业化优势。 制造链条相较于晶硅显著缩短，生产效率明显提升，钙钛矿从原材料到组件成品产出仅需要45分钟左右，而晶硅组件从硅料到成品大约需要三天。另一方面，钙钛矿的制备条件温和，工艺温度不超过150℃，可有效降低生产能耗。 （2）产业化难点。钙钛矿材料存在长期稳定性问题，目前寿命相对较短，理论使用寿命约5-15年，明显低于晶硅组件的25年。另一方面，制备大面积钙钛矿电池存在效率损失，制造工艺难度大。（3）成本及效率有望持续突破。据极电光能，百兆瓦级产线钙钛矿组件制造成本约1.5-1.6元/W，相较于晶硅组件成本仍然较高。钙钛矿处于产业化前期，后续可通过技术进步以及规模化进一步降本，预计GW级规模时成本或将降至0.9元/W左右；预计10GW级规模时或将进一步下降。 钙钛矿技术逐步渗透，有望带动设备及钙钛矿组件市场规模快速增长。（1）设备市场空间。假设2024-2030年钙钛矿渗透率由0.2%逐步提升至15.5%，大规模量产后钙钛矿设备投资额下降至5亿元/GW左右，我们预计到2030年全球钙钛矿设备新增市场空间将达到830.6亿元，2024-2030年CAGR约80%。 （2）钙钛矿组件市场空间。我们预计到2030年全球钙钛矿组件市场空间有望达到1816亿元，2024-2030年CAGR约108%。 钙钛矿叠层或将为理想路径，当前各企业以百兆瓦级中试线为主。钙钛矿电池发展路径预计将从单层结构向四端叠层过渡，两端叠层或将成为未来理想技术路线。其中钙钛矿/HJT叠层具有工艺温度低、工艺路线与晶硅相容、转换效率高等优势，或为未来的更优解。目前，各企业以百兆瓦级中试线为主，国内已有协鑫光电、纤纳光电、极电光能等多条百兆瓦级的钙钛矿组件中试线建成投产，众能光电、光晶能源等众多企业已开启百兆瓦级中试线建设。另外，多条GW级产线正在规划推进中，预计协鑫光电、极电光能的GW级产线，有望于2024年陆续落地投产。 投资建议：考虑到钙钛矿行业发展迅猛，市场空间广阔，已有部分上市公司前瞻布局，建议关注产业链相关公司，迈为股份、协鑫科技、捷佳伟创、京山轻机、曼恩斯特等（市值排序）。 风险提示：终端需求不及预期，产能扩张不及预期，钙钛矿渗透率不及预期，市场竞争加剧，相关测算具有一定主观性等。 投资主题报告亮点 本篇报告从钙钛矿工艺设备、产业化潜力以及市场空间等角度详细分析了钙钛矿电池行业的基本面情况，并梳理了潜在的投资机会。（1）对钙钛矿发展历程进行了梳理；（2）结合产业情况，对目前主流的生产工艺以及设备进行了的详细介绍。（3）从产业化角度，对目前钙钛矿电池的优劣势进行了分析，并对未来可能降本增效的空间进行了测算。（4）分别对钙钛矿设备、材料、组件等市场规模进行了测算；（5）梳理了目前钙钛矿电池行业的产业化进展。 投资逻辑 钙钛矿理论转换效率高、应用场景广阔，或将成为下一代光伏电池技术。单结钙钛矿太阳能电池的理论转换效率达33%，明显高于晶硅的29.4%，并且可以与晶硅电池组成叠层电池，转换效率还将进一步提升。钙钛矿具有轻质、柔性、弱光性高等特点，应用场景更为广阔。产业前景来看，高生产效率和低能耗的优势奠定了钙钛矿电池的产业化基础，但目前仍面临稳定性与大面积制备等痛点，未来随着技术进步以及产能规模的不断扩张，成本及效率有望持续突破。 钙钛矿已经进入产业化前期，行业发展迅猛。历经十多年的发展，单结钙钛矿电池效率由3.8%跃升至26.1%。目前，国内已有协鑫光电、纤纳光电、极电光能等多条百兆瓦级的钙钛矿组件中试线建成投产，众能光电、光晶能源等众多企业已开启百兆瓦级中试线建设，协鑫光电、极电光能等企业的GW级产线正在规划推进中，有望于2024年开始陆续落地投产。 随着钙钛矿技术的逐渐渗透，有望带动设备及组件市场规模快速增长。我们预计到2030年全球钙钛矿设备新增市场空间将达到830.6亿元，2024-2030年CAGR约80%；预计到2030年全球钙钛矿组件市场空间将达到1816亿元，2024-2030年CAGR约108%，设备及钙钛矿组件的相关企业有望受益。 投资建议 考虑到钙钛矿行业发展迅猛，市场空间广阔，已有部分上市公司前瞻布局，建议关注产业链相关公司，迈为股份、协鑫科技、捷佳伟创、京山轻机、曼恩斯特等（市值排序）。 一、钙钛矿是第三代太阳能电池技术，发展前景广阔 （一）钙钛矿电池因其光电转换层材料得名，下游应用场景丰富 太阳能电池是一种将太阳光转换为电能的设备，可以利用光子的能量，通过光电效应产生电流。从发展过程来看，通常将太阳能电池技术分为三代： （1）第一代晶硅电池，主要以多晶硅、单晶硅电池为代表，目前技术成熟度、光电转换效率和商业化程度均相对较高。目前，晶硅电池技术在光伏市场占据主导地位，占市场份额90%以上。目前，第一代晶硅电池的实验室转换效率越来越接近其理论效率极限29.4%，提升空间有限。 （2）第二代多元化合物薄膜电池，主要包括砷化镓（GaAs）、铜铟镓硒（CIGS）、碲化镉（GdTe）、磷化铟（InP）等类型的太阳能电池。这类电池原材料消耗低、质量更轻、活性材料灵活性高，可以满足多种不同应用需求。转换效率方面处于较高水平，单结GaAs电池可达28%-30%。但由于这类电池使用的部分活性材料具有毒性或储量稀少，大规模量产仍存在难度。 （3）第三代新型电池，主要包括钙钛矿太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池、量子点太阳能电池等。这类电池具备原料无毒、储量丰富、成本低、工艺简单且可柔性制备等多重优点。其中单结钙钛矿太阳能电池的理论转换效率达33%，与晶硅电池组成叠层电池后，转换效率还将进一步提升，未来发展前景广阔。目前行业大多仍处于中试线阶段，部分领先企业将陆续启动GW级产线建设。 图表1钙钛矿太阳能电池属于第三代电池技术 钙钛矿电池因其光电转换层使用钙钛矿结构的材料而得名，指通用化学式为ABX3的一类材料。在ABX3晶体中，BX6构成正八面体，BX6之间通过共用顶点X连接,构成三维骨架，A嵌入八面体间隙中使晶体结构得以稳定。其中A为大半径的一价阳离子（如甲胺阳离子MA+、甲脒阳离子FA+、铯离子Cs+等），B为小半径的二价阳离子（如亚铅离子Pb2+、亚锡离子Sn2+、亚锗离子Ge2+等），X通常为卤素阴离子（如氟离子 F- ，氯离子Cl-，溴离子Br-，碘离子I-等）。常见的钙钛矿材料主要有FAPbI3、MAPbI3等。 图表2典型的钙钛矿材料晶格结构 钙钛矿具有轻质、柔性、弱光性高等特点，下游应用场景广阔。（1）光伏建筑一体化（BIPV），钙钛矿可以做到自然半透，同时颜色可调，因此既可以作为发电幕墙，也可以用于发电石材。（2）车顶光伏，汽车对面积及重量相对敏感，轻质的钙钛矿组件是理想的材料之一。（3）移动设备和电子产品，钙钛矿低温即可制备，可制成柔性器件，应用于可穿戴电子产品的移动电源。（4）联网传感器，钙钛矿的弱光发电性能好，可以在室内弱光条件下为物联网传感器提供可靠稳定的电力来源，让物联网更加轻量化也更可靠。（5）大型地面电站及分布式光伏，钙钛矿理论转换效率高，且可以与晶硅电池叠层实现更高转换效率，未来在光伏电站场景具有较大发展潜力。 图表3钙钛矿电池应用场景更为广阔 （二）工作原理与晶硅电池类似，材料体系灵活可设计性强 钙钛矿太阳电池通常由导电基底（ITO/FTO）、电子传输层（ETL）、钙钛矿光吸收层、空穴传输层（HTL）以及金属电极组成。当太阳光入射到电池表面时，钙钛矿材料吸收太阳光，能量大于吸收层材料禁带宽度的光子被其吸收，钙钛矿材料内部的电子由基态转变为激发态，在材料内部形成光生空穴和光生电子，光生电子被电子传输层吸收传至阴极，进入外电路，而光生空穴被传输至阳极，再进入外电路与光生电子汇合，形成闭合回路产生电流。 图表4钙钛矿太阳电池的基本结构 图表5钙钛矿太阳电池的工作原理 常见的钙钛矿太阳能电池有正式介孔结构、正式平面结构、反式平面结构。按照电荷的传输方向钙钛矿太阳能电池可以分为n-i-p结构（正式结构）和p-i-n结构（反式结构），按照传输层的结构不同可以分为介孔结构和平面结构。正式介孔结构的电子传输层材料需要高温烧结，耗能较高的同时也在一定程度上限制了其柔性基底的选择。相较于介孔结构，平面结构具有制备工艺简单、开路电压更高等优势，更适用于柔性电池、叠层电池和大面积电池的发展。一般情况下，采用正式结构通常具有更高的转换效率，采用反式结构则表现出更优秀的长期稳定性。 图表6钙钛矿电池结构通常有正式介孔结构、正式平面结构、反式平面结构 钙钛矿电池材料体系灵活，具有可设计性。每种太阳能电池的活性层材料不同，对应的带隙不同，对太阳光谱的响应范围存在差异，如晶硅的带隙约1.12eV，砷化镓（GaAs）的带隙约1.4Ev，钙钛矿材料MAPbI3的带隙约为1.55eV。钙钛矿电池吸收层中A、B、X元素的配比可以灵活调整，可对应调整钙钛矿材料的带隙，寻找与最佳带隙契合且稳定的钙钛矿材料仍然是未来研发的重点方向之一。钙钛矿材料的可设计性为优化光电转换效率、提高稳定性和适应不同应用场景提供了广泛的空间。 图表7通过调整钙钛矿材料带隙可优化转换效率 除钙钛矿吸收层的材料可设计外，电子传输层、空穴传输层、电极层和导电层材料同样有较多选择。 （1）导电层：基材一般为柔性材料、玻璃等，并通过物理或化学镀膜方法均匀的镀一层导电氧化物。如ITO导电玻璃表面镀层是氧化铟锡，FTO导电玻璃表面镀层是氟掺杂氧化锡。 （2）电子传输层（ETL）：常见材料有金属氧化物和有机材料，如 TiO2 、ZnO、SnO2、富勒烯C60及其衍生物PC61BM、苝酰亚胺（PDIs）类和萘酰亚胺类（NDIs）等。高质量的富勒烯及其衍生物薄膜可以在低温溶液中制备；苝酰亚胺类材料合成价格相对便宜； 金属氧化物材料可以通过低温工艺制备，过程简单且易于大规模制备。 （3）钙钛矿吸光层：基础材料为钙钛矿前驱液，由碱金属卤化物钙钛矿和有机金属卤化物钙钛矿组成。如有机金属三卤化物CH3NH3PbX3（其中X=Cl\Br\I），其中CH3NH3PbI3（铅碘甲胺）最为常见。制作金属卤化物钙钛矿所需的原材料储量丰富，成本低廉，配置前驱液的工艺相对简单，对溶液纯度以及后续加工环境没有过高的要求。 （4）空穴传输层（HTL）：空穴传输层材料分为三类，导电聚合物、有机小分子材料和无机半导体材料。较为经典的有机空穴传输材料为spiro-OMeTAD及其改性材料。常见的聚合物材料有PEDOT:PSS，具有高热稳定性、良好的加工性和