在未来的光伏电池技术路线中，钙钛矿是非常具备前景的候选材料。钙钛矿太阳电池与传统晶硅太阳电池的差异主要体现在：①更加优异的本征光电性质，理论极限效率更高；②吸光层材料（钙钛矿层）与基层（如TCO）相分离；③载流子的传输/阻挡更加依赖不同功能层材料之间的能级排布。与此同时，以典型的有机无机杂化钙钛矿电池为例，常见的组成元素如碳、氢、氮、铅、碘等在地球上都非常常见。优良的光电特性与物质丰度是钙钛矿电池长期实现商业化最基础的先决条件。
　　我们认为钙钛矿太阳电池的商业化本质如下：①在未来光伏产业降本之路上的必然尝试。就单结电池而论，随着人们对光电材料探索的深入，在目前已知已试范围内要么面临效率瓶颈，要么商业化逻辑证伪。钙钛矿范畴几乎是唯一值得探索方向，长期产业趋势不必担忧。②从晶硅到钙钛矿电池，行业属性从大宗工业品转向精细化学品，可通过吸光层材料组分的调控在材料端就会实现差异化。③工艺简洁带来产业链自然缩短，没有传统意义上的电池片环节，产业边界与工艺边界模糊化，前后道工艺天然一体化在材料选择与工艺落地方面需要兼顾问题较多，对组件制造及设备企业而言“易会难精”。④就工艺体系而言迎来光伏制造面板化，未来或有大量企业从面板行业跨界进入钙钛矿太阳电池领域。
　　从商业化进程来看：我们认为商业化初期，钙钛矿/晶硅叠层与钙钛矿单结电池双线并举，未来钙钛矿/晶硅叠层主要的目标市场是地面电站，而钙钛矿单结电池主要针对的目标市场是BIPV、CIPV及消费级小组件等，挤压其他小众薄膜电池的市场空间。从商业化时点来看，钙钛矿/晶硅叠层可能领先于钙钛矿单结，主要系：①光伏应用端主要场景如地面电站回收周期长，是低风险偏好行业，钙钛矿电池尚缺乏产品可靠性背书，需要站在晶硅的肩膀之上慢慢积累成熟度再反客为主。②从实证数据来看，钙钛矿电池高效率、大面积、高可靠性三者之间尚未完全相兼而善，钙钛矿/晶硅叠层可解决大面积问题，且工艺成熟后不会牺牲晶硅绒面。③钙钛矿/晶硅叠层的理论效率（约42.5%）高于钙钛矿单结（约33%），叠层路线将延续晶硅电池生命周期，晶硅电池厂商面临瓶颈后会自发转向钙钛矿/晶硅叠层，尤其是HJT技术路线。
　　从投资主线来看：①基于产业化可行性看好钙钛矿/晶硅叠层确定性趋势，建议关注对薄膜工艺理解深入的迈为股份，捷佳伟创，微导纳米等。②基于光伏制造面板化与钙钛矿电池先有再优过程中的工艺转型，建议关注奥来德、京山轻机等。③基于吸光层材料与基层材料分离带来电池片成本结构变化，推荐TCO玻璃环节，及靶材相关标的。④基于钙钛矿晶体对水氧光热敏感，封装的功能性意义凸显，建议关注组件层压设备及POE材料相关标的。⑤基于“激光法”实现钙钛矿串联结构，建议关注帝尔激光、德龙激光等激光设备公司。
　　风险提示：钙钛矿商业化进程不及预期；钙钛矿电池领域市场竞争加剧；钙钛矿电池部分原理性及工程性问题涉及专业及专业未知领域，市场研究层面可能有认知偏差；为方便广大投资者理解本研究语言表述不符合学术规范

研究报告全文：行业评级领先大市-A钙钛矿太阳电池研究总论光伏设备专题策略朝阳之光与时并明安信证券研究中心机械团队分析师郭倩倩SAC执业证书编号S1450521120004分析师范云浩SAC执业证书编号S1450521120007202324证券研究报告核心观点在未来的光伏电池技术路线中钙钛矿是非常具备前景的候选材料钙钛矿太阳电池与传统晶硅太阳电池的差异主要体现在更加优异的本征光电性质理论极限效率更高吸光层材料钙钛矿层与基层如TCO相分离载流子的传输阻挡更加依赖不同功能层材料之间的能级排布与此同时以典型的有机无机杂化钙钛矿电池为例常见的组成元素如碳氢氮铅碘等在地球上都非常常见优良的光电特性与物质丰度是钙钛矿电池长期实现商业化最基础的先决条件我们认为钙钛矿太阳电池的商业化本质如下在未来光伏产业降本之路上的必然尝试就单结电池而论随着人们对光电材料探索的深入在目前已知已试范围内要么面临效率瓶颈要么商业化逻辑证伪钙钛矿范畴几乎是唯一值得探索方向长期产业趋势不必担忧从晶硅到钙钛矿电池行业属性从大宗工业品转向精细化学品可通过吸光层材料组分的调控在材料端就会实现差异化工艺简洁带来产业链自然缩短没有传统意义上的电池片环节产业边界与工艺边界模糊化前后道工艺天然一体化在材料选择与工艺落地方面需要兼顾问题较多对组件制造及设备企业而言易会难精就工艺体系而言迎来光伏制造面板化未来或有大量企业从面板行业跨界进入钙钛矿太阳电池领域核心观点从商业化进程来看我们认为商业化初期钙钛矿晶硅叠层与钙钛矿单结电池双线并举未来钙钛矿晶硅叠层主要的目标市场是地面电站而钙钛矿单结电池主要针对的目标市场是BIPVCIPV及消费级小组件等挤压其他小众薄膜电池的市场空间从商业化时点来看钙钛矿晶硅叠层可能领先于钙钛矿单结主要系光伏应用端主要场景如地面电站回收周期长是低风险偏好行业钙钛矿电池尚缺乏产品可靠性背书需要站在晶硅的肩膀之上慢慢积累成熟度再反客为主从实证数据来看钙钛矿电池高效率大面积高可靠性三者之间尚未完全相兼而善钙钛矿晶硅叠层可解决大面积问题且工艺成熟后不会牺牲晶硅绒面钙钛矿晶硅叠层的理论效率约425高于钙钛矿单结约33叠层路线将延续晶硅电池生命周期晶硅电池厂商面临瓶颈后会自发转向钙钛矿晶硅叠层尤其是HJT技术路线从投资主线来看基于产业化可行性看好钙钛矿晶硅叠层确定性趋势建议关注对薄膜工艺理解深入的迈为股份捷佳伟创微导纳米等基于光伏制造面板化与钙钛矿电池先有再优过程中的工艺转型建议关注奥来德京山轻机等基于吸光层材料与基层材料分离带来电池片成本结构变化推荐TCO玻璃环节及靶材相关标的基于钙钛矿晶体对水氧光热敏感封装的功能性意义凸显建议关注组件层压设备及POE材料相关标的基于激光法实现钙钛矿串联结构建议关注帝尔激光德龙激光等激光设备公司风险提示钙钛矿商业化进程不及预期钙钛矿电池领域市场竞争加剧钙钛矿电池部分原理性及工程性问题涉及专业及专业未知领域市场研究层面可能有认知偏差为方便广大投资者理解本研究语言表述不符合学术规范目录CONTENTS01太阳电池分类及钙钛矿电池与晶硅电池对比02钙钛矿太阳电池的商业化本质03钙钛矿太阳电池制备工艺及设备04钙钛矿太阳电池商业化进展与产业化难题05钙钛矿太阳电池行业投资主线及风险提示太阳电池分类及01钙钛矿电池与晶硅电池对比11太阳电池分类钙钛矿太阳电池属于新型薄膜太阳电池太阳电池按照材料类型来说可以大致分为三个技术代际1第一代硅基太阳电池CrystallineSilicon主要指单晶硅多晶硅以及非晶硅作为吸光层的太阳电池2第二代多元化合物薄膜太阳电池ThinFilm主要包括砷化镓GaAs磷化铟InP铜铟镓硒CIGS碲化镉CdTe太阳电池3第三代新型太阳电池OrganicNanomaterials主要包括钙钛矿太阳电池染料敏化太阳电池有机太阳电池量子点太阳电池图表太阳电池按照材料类型可分为硅基电池多元化合物薄膜电池新型太阳电池补充资料来源光伏电池原理安信证券研究中心整理绘制12晶硅电池虽不完美但生逢其时晶1953年Bell实验室首次制备出具有实际应用价值的晶硅电池硅1958年晶硅电池首次在空间应用美国先锋I号电1959年美国HoffmanElectronics的晶硅电池效率突破10池1960年初西门子法制备多晶硅基本实现产业化为太阳电池大规模地面的应用奠定了材料基础发展1970年初光伏在地面场景得到应用70年代末地面太阳电池产量已远超过空间电池历1985年澳大利亚新南威尔士大学的晶硅太阳电池实验室效率突破201998年达到247程2004年德国实施修正的可再生能源法即著名的施罗德法案使得光伏产业在整个欧洲获得大规模商业化应用的机会欧洲在主导光伏装机应用后市场对光伏电池技术逐渐独尊晶硅即晶硅电池的发展有非常明显的时代底色图表全球光伏装机量区域分布情况2004年之前日本主导装机应用图表薄膜电池市占率自2004年后持续受到晶硅电池的挤压中国美国日本德国其他181710016148013701211706010940988406806630440204438035032020020092010201120122013201420152016201720182019202020212007200820002001200220032004200520062009201020112012201320142015201620172018201920202021资料来源IRENA安信证券研究中心资料来源CPIA安信证券研究中心12晶硅电池的转换效率已然逐渐逼近其物理极限开始借鉴薄膜电池思路由于能量小于半导体带隙的光子不能发生本征吸收Shockley和2018年德国哈梅林研究所Queisser提出了太阳电池的极限效率与半导体带隙之间的计算关系ISFH在瑞士的太阳能材料这个极限被称为Shockley-QueisserSQ极限对地面光谱而言晶和太阳电池学报上对各种电硅太阳电池的理论极限效率大概在2943池片的极限效率进行了测算结图表2018年ISFH对各类太阳电池的理论效率进行了测算论单面poly钝化的TOPCon的效率极限是271双面poly钝化的TOPCon极限是287把背光面的氧化硅和高掺杂的多晶硅复合钝化层同时搬到前表面Polo架构HJT-Si极限效率275论文发表较早是以非晶硅测算的HJTc-Si效率极限约285在资本市场关注度颇高的HJT电池目前在实验室效率层面取得了晶硅电池之最虽然HJT是晶硅电池但其核心工艺主要采用薄膜工艺CVDPVD借鉴了新型薄膜资料来源HJT与TOPCon的竞争与融合王文静安信证券研究中心电池的结构特点是承前启后的一代光伏电池片工艺技术13多元化合物薄膜电池因含稀有元素或造价高昂而较难大范围商业化相比于硅属于间接跃迁型半导体材料使用III-V族化合物太阳电池碲化镉CdTe铜铟镓硒CIGS等直接跃迁型半导体吸光能力更强硅属于间接跃迁型半导体吸收光的能力比较弱光吸收需要上百m的衬底厚度其薄片化程度有其物理瓶颈通俗来讲厚度为几m时光就直接透过去了没有被吸收而上述化合物太阳电池则属于直接跃迁型半导体材料在玻璃塑料和不锈钢等基底上沉积薄膜光伏材料厚度仅为几m就可以取得较高的转换效率为制造更廉价低耗的光伏产品开辟了新思路多元化合物薄膜电池均有较大的产业化瓶颈III-V化合物半导体太阳电池虽然具有很高的转换效率但基板材料昂贵且需要非常高难的制造技术类集成电路因此只能应用在航天等特殊领域碲化镉铜铟镓硒由于其所用铟元素和镓元素属于稀有元素地壳中含量并不丰富因此不利于大规模商业化生产图表CdSCdTe太阳电池板的截面结构示意图图表CIGS太阳电池截面结构示意图资料来源中国知网安信证券研究中心整理资料来源中国知网安信证券研究中心整理14钙钛矿电池新型薄膜电池中的朝阳之光钙钛矿材料分子通式为ABX3的一类晶体材料起初是1839由普鲁士科学家GustavRose于俄罗斯的乌拉尔山的矽卡岩中发现并以沙俄地质学家LevPerovski的名字命名由于最早被发现的钙钛矿材料是钙钛的复合氧化物CaTiO3因此国内将Perovskite翻译为钙钛矿在光电领域我们所谓的钙钛矿是指具有钙钛矿结构类型的ABX3型化合物已经完成从钙钛矿3氧化物到有机-无机杂化钙钛矿的演化其中A顶点ACH3NHCHNH22等有机阳离子也可用Cs无机阳离子B体心BPb2Sn2等金属离子X面心卤素阴离子钙钛矿结构的一个重要特征就是半径大小相差悬殊的离子可以稳定共存于同一结构中故其衍生家族十分庞大图表钙钛矿材料结构示意图图表钙钛矿容忍因子t介于08-10之间具有光敏性钙钛矿的容忍因子AmmoniumionRARBRX分别为ABX离子的半径Halogenion对于钙钛矿材料而言容忍因子t是是考量其能否Metalion维持稳定的ABX3结构的重要参数一般而言钙钛矿的t介于0813到1107之间t与1的差距越大则晶格畸变越大资料来源AdvancedMaterials安信证券研究中心资料来源钙钛矿太阳电池第二版安信证券研究中心14钙钛矿电池起源于染料敏化电池的敏化剂形式最初钙钛矿材料以染料敏化电池的敏化剂形式应用于太阳电池纳米TiO2是做光催化剂的半导体材料其带隙为3032eV所以几乎无法吸收可见光而呈无色透明状无法直接用来制作太阳电池因此在具有介孔结构的TiO2表面吸附染料分子染料将吸收可见光并用产生的电子和空穴来进行发电称为染料敏化太阳电池2009年东京大学TsutomuMiyasaka教授制备出效率为转换效率为381的钙钛矿电池但在电解质中很容易分解图表东京大学TsutomuMiyasaka教授制备出效率为转换效率为381的钙钛矿电池钙钛矿颗粒东京大学TsutomuMiyasaka资料来源AKojimaetalJAmChemSoc2009安信证券研究中心绘制15钙钛矿电池VS晶硅电池钙钛矿与晶硅本征性对比钙钛矿材料性质直接带隙材料主流带隙接近14eV单结SQ极限比晶硅更高且连续可调光吸收系数高比晶硅高出近两个数量级载流子扩散长度长微米级与吸收深度相当载流子迁移率高激子束缚能低等等同时有机无机杂化钙钛矿电池中常见的组成元素有碳氢氮铅碘等在地球上都非常常见优良的光电特性与物质丰度是钙钛矿电池能够实现商业化的最基础先决条件图表钙钛矿材料具有良好的光电特性钙钛矿硅铜铟镓硒砷化镓带隙eV15可调11112142吸收系数cm-1104-5103104-5104-5迁移率cm2Vs101500108500载流子浓度cm-31016-1710161015-161017载流子寿命sms50-200ns100nm无序态能量meV1511257资料来源中国知网中科院半导体所安信证券研究中心整理15钙钛矿电池VS晶硅电池电池片结构对比晶硅电池与钙钛矿电池一个很大的结构上的差异在于吸光层材料与基底材料相分离晶硅电池硅作为吸光层材料在晶硅电池片中本身就承担基底材料的作用对整个电池片结构形成物理支撑钙钛矿电池吸光材料是钙钛矿活性层基底材料主要为TCO晶硅电池有非常明显N区指向P区的内建电场钙钛矿电池也有内电场如MAPI表现出固有的双极自掺杂行为但通常我们不直接类比晶硅电池的PN结图表晶硅太阳电池结构以Perc为例图表钙钛矿太阳电池结构资料来源索比光伏网安信证券研究中心资料来源电子工程专辑安信证券研究中心15钙钛矿电池VS晶硅电池工作原理对比钙钛矿太阳电池一般由钙钛矿光活性层缓冲层和电极构成首先太阳光从透明电极一侧入射钙钛矿光活性层吸收光子并产生激子由于钙钛矿材料的激子束缚能较小相比其他有机电池所以在电池工作条件下光活性层中产生的大多数激子均会分离成自由电荷接下来自由的电子和空穴在钙钛矿材料中传输并注入缓冲层缓冲层主要指电子传输层ETL和空穴传输层HTL电子传输层可以有效提取电子并阻挡空穴而空穴传输层则相反缓冲层提取的载流子进一步被相应的电极所收集图表晶硅电池工作原理示意图图表钙钛矿电池工作原理示意图仅当太阳光照射在半导体表面时正负电荷发生结合此时不能产生电流如左边所示如果半钙钛矿电池更多以来不同材料层的能导体内部有pn结存在的话可以将正负电荷有序分级排布实现电子-空穴对的分离与传输离此时就形成了电流阻挡也有内建电场的作用资料来源中国知网安信证券研究中心整理资料来源钙钛矿太阳电池安信证券研究中心15钙钛矿电池VS晶硅电池光电转换效率对比光伏电池片性能评价有三个重要的效率指标理论效率极限效率实验室效率产线平均转换效率从投资的角度看我们认为理论效率决定了未来投资长期的方向性实验室效率决定了投资的中长期的可能性量产的平均转换效率决定了投资中短期的确定性从理论效率看钙钛矿单结电池SQ极限约33远超晶硅29且近年来钙钛矿的实验室效率迅速追赶晶硅也是钙钛矿电池在资本市场异军突起的关键因素图表钙钛矿单结电池SQ极限约33远超晶硅29图表钙钛矿电池的实验室效率迅速追赶晶硅单晶含pn型电池等多晶硅异质结钙钛矿电池280267255260240220200180160140141120100资料来源电子工程专辑安信证券研究中心资料来源NREL安信证券研究中心02钙钛矿太阳电池的商业化本质21钙钛矿商业化本质一从晶硅到钙钛矿的商业化本质一在人类已知范围内太阳电池发展及光伏产业降本增效探索之路上的必然尝试太阳电池材料在元素周期表中应用的原子序数越来越高以寻找光电性能更为优越的吸光层材料对于目前已知的半导体材料并进行商业化尝试要么面临效率瓶颈要么商业化逻辑证伪钙钛矿是光伏行业降本之路上的必然尝试方向图表太阳电池材料选用的原子序数越来越高材料离子键越来越强资料来源中国知网安信证券研究中心22钙钛矿电池商业化本质二从晶硅到钙钛矿的商业化本质二行业属性从大宗工业品走向精细化学品材料端从同质化竞争走向差异化竞争晶硅产业链制造环节从硅料到硅片到电池片及组件同质化竞争色彩浓烈且越接近上游同质化越严重效率瓶颈显现成本控制能力越来越重要而钙钛矿材料本身的可设计性在制造端就会带来显著差异化即使多种技术路线并行的电池片环节其核心结构均是PN结又不像半导体器件微观加工的程度那么深较难出现大的颠覆性创新因此学术界对于已然成熟的晶硅关注度少而对于钙钛矿的ABX3型化合物而言半径大小相差悬殊的离子可以稳定共存于一个结构中所以其衍生的家族十分庞大也就是对钙钛矿组件制造企业而言其核心Know-How在于吸光层材料的配方组分不同的制造企业在核心钙钛矿材料端便会形成差异化的竞争图表钙钛矿材料可通过组分调控来实现制造端差异化示例组分结构钙钛矿材料带隙eV开路电压V短路电流mAcm-2填充因子光电转换效率MAPbI25Br051721060183078201660FA083MA017095Cs005PbI06Br0431711210197077501850FA06Cs04PbI07Br0331751170175080001630FA083MA017PbI06Br0431721150194077001720FA08Cs02PbI07Br0331751240179281901819FA065MA020Cs015PbI08Br0231681170212079801950资料来源钙钛矿衍生光伏材料进展安信证券研究中心23钙钛矿电池商业化本质三从晶硅到钙钛矿的商业化本质三工艺简洁带来生产集约化产业环节自然缩短产业链边界与技术边界模糊化1集约化生产显著缩短产业链没有传统意义上的电池片环节据协鑫光电透露100兆瓦的单一钙钛矿电池工厂从玻璃胶膜靶材化工原料进入到组件成型总共只需45分钟而对于晶硅来说硅料硅片电池组件需要四个以上不同工厂生产加工倘若所有环节无缝对接一片组件完工大概也要三天左右时间用时差异很大流程缩短将导致人力物力的大幅节约技术附加值得以体现图表太阳电池材料选用的原子序数越来越高材料离子键越来越强玻璃靶材焊带银浆封装胶膜化工原料接线盒太阳能级多原料投终端产晶硅材料入品硅料厂硅片厂电池厂组件厂晶硅电池组件工艺简单产业链缩短生产周期更短VS低温工艺能耗更低化工原料玻璃靶材原料投终端产品封装胶膜入钙钛矿接线盒工厂钙钛矿组件资料来源协鑫光电安信证券研究中心23钙钛矿电池商业化本质三从晶硅到钙钛矿的商业化本质三工艺简洁带来生产集约化产业环节自然缩短产业链边界与技术边界模糊化2从高能耗到低能耗晶硅电池上游硅料主要来自于石英需要提纯通常为4N以上仅提纯过程温度一般要在1000以上且长晶部分电池片技术路线也是采用高温工艺整体工艺流程的能耗非常大钙钛矿缺陷容忍度高甚至可以使用简单的溶液的制备方法形成多晶薄膜就像涂了一层墨水就能取得较高的转换效率且制备均采用低温工艺能耗低也是集约化生产的体现3成套工艺的高度整合与集成尤其是钙钛矿晶硅叠层率先产业化的市场预期下对设备企业而言易会难精没有传统意义上的电池片环节前道工艺与后道工艺天然一体化需要在工艺实现上兼顾的问题较多例如制备空穴传输层在材料和工艺层面要综合考虑到载流子的抽取阻隔钙钛矿离子的溢出抑制水氧的渗透且钙钛矿与晶硅叠层的产业化会使工艺流程增加需要进行工艺整合合并同类项