提效快、成本低，钙钛矿潜力十足！钙钛矿为有机无机金属卤化物ABX3，可由人工合成，配方达几十万种，且材料光电损失小。效率上：晶硅电池理论效率极限29.4%，目前最高已达26.8%，而单结钙钛矿肖克利极限33.7%，可调整配方来靠近理论上限。钙钛矿叠层发展潜力更广！成本上：钙钛矿材料可人工合成、原材料成本低、不易受限，GW级别量产钙钛矿材料成本占比约3%，组件成本<1.0元/W，5-10GW级别量产，组件成本可降至0.5-0.6元/W。应用上：钙钛矿具备轻薄、可弯曲特性、同时颜色可调节，在BIPV和车顶光伏市场具备竞争力，可广泛应用于各种场景，有望成为新一代光伏发电明星材料！
　　◆单结/叠层多元发展，钙钛矿技术百花齐放！钙钛矿电池结构主要分为单结和多结叠层电池。单结电池结构分为介孔结构和平面正式或反式结构，目前单结电池产业化主要为平面反式结构。叠层结构分为窄带隙底电池、互联结/隧穿结、宽带隙顶电池三部分；两端叠层成本低、寄生吸收少，两电池电流需严格匹配，具备产业化生产前景；目前钙钛矿/晶硅叠层研究进展领先，实验室效率最高可达32.5%。不同技术路线各有优劣，目前晶硅大厂倾向选择钙钛矿/晶硅叠层的路线，全钙钛矿路线更适合初创企业。
　　◆工艺铸就核心竞争力，设备国产化降本可期！钙钛矿电池组件生产共需要镀膜、激光、涂布、封装四种设备，镀膜设备价值量最高。目前MW级产线设备总投资约1.2亿元，其中镀膜：激光：涂布：封装设备投资比例为50%：25%：15%；10%，未来镀膜设备国产化为降本主要途径；钙钛矿层作为电池的最核心层主流方法采用狭缝涂布机制备，德沪涂膜产业化进程领先，2022年市占率达70%以上；激光设备国产化进程较快，封装设备承接晶硅组件封装，传统供应商有望受益。
　　◆技术+政策+资金助力，产业化曙光初现！钙钛矿产业化阶段具有寿命及稳定性、大面积制备难度、铅污染等问题，目前业内通过添加剂、组分工程、设备工艺改良、加强封装等多种手段来应对。协会推动建立行业标准，多家公司的钙钛矿产品通过IEC双85测试，进入量产阶段。目前纤纳光电、协鑫光电、极电光能产业化进度领先，百兆瓦级别产线已搭建完成，GW级产线筹备中，23年或有GW级设备招标；众能/仁烁/万度光能、宝馨科技、奥联电子、宁德时代百兆瓦级别产线搭建中，预计23/25/30年全国合计钙钛矿组件产能1.25/7.4/142GW，产业化在即！
　　◆市场空间广阔，钙钛矿前景星辰大海！需求端看，光伏装机需求向好+渗透率提升带动钙钛矿市场空间广阔，2025/2030年全球地面电站钙钛矿需求分别为0.3/25.0GW，2025/2030全球分布式钙钛矿需求分别2.3/70.5GW,2025/2030整体市场空间为2.6/95.5GW,2022-2030CAGR达146%，市场空间广阔。
　　◆投资建议：降本增效促进下，钙钛矿有望成为下一代光伏电池技术方向，重点关注：1）钙钛矿组件：隆基绿能、天合光能、晶澳科技、晶科能源、通威股份，关注东方日升、杭萧钢构、奥联电子等；2）设备：关注捷佳伟创、迈为股份、京山轻机、大族激光、帝尔激光、德龙激光、杰普特、奥来德、德沪涂膜（未上市）；3）封装：福斯特、海优新材，关注天洋新材、激智科技；4）TCO玻璃：关注金晶科技、耀皮玻璃。5）关注钙钛矿领先创业公司：纤纳光电、协鑫光电、仁烁光能、极电光能、耀能科技、黑晶光电等（未上市）。
　　◆风险提示：竞争加剧，政策超预期变化，可再生能源装机不及预期，原材料供给不足等。
　　

研究报告全文：证券研究报告行业研究电力设备与新能源行业下一代光伏电池新秀产业化曙光初现-----钙钛矿行业深度报告电新首席证券分析师曾朵红执业证书编号S0600516080001联系邮箱zengdhdwzqcomcn新能源首席证券分析师陈瑶执业证书S0600520070006联系邮箱chenyaodwzqcomcn2023年02月06日1摘要提效快成本低钙钛矿潜力十足钙钛矿为有机无机金属卤化物ABX3可由人工合成配方达几十万种且材料光电损失小效率上晶硅电池理论效率极限294目前最高已达268而单结钙钛矿肖克利极限337可调整配方来靠近理论上限钙钛矿叠层发展潜力更广成本上钙钛矿材料可人工合成原材料成本低不易受限GW级别量产钙钛矿材料成本占比约3组件成本10元W5-10GW级别量产组件成本可降至05-06元W应用上钙钛矿具备轻薄可弯曲特性同时颜色可调节在BIPV和车顶光伏市场具备竞争力可广泛应用于各种场景有望成为新一代光伏发电明星材料单结叠层多元发展钙钛矿技术百花齐放钙钛矿电池结构主要分为单结和多结叠层电池单结电池结构分为介孔结构和平面正式或反式结构目前单结电池产业化主要为平面反式结构叠层结构分为窄带隙底电池互联结隧穿结宽带隙顶电池三部分两端叠层成本低寄生吸收少两电池电流需严格匹配具备产业化生产前景目前钙钛矿晶硅叠层研究进展领先实验室效率最高可达325不同技术路线各有优劣目前晶硅大厂倾向选择钙钛矿晶硅叠层的路线全钙钛矿路线更适合初创企业工艺铸就核心竞争力设备国产化降本可期钙钛矿电池组件生产共需要镀膜激光涂布封装四种设备镀膜设备价值量最高目前MW级产线设备总投资约12亿元其中镀膜激光涂布封装设备投资比例为50251510未来镀膜设备国产化为降本主要途径钙钛矿层作为电池的最核心层主流方法采用狭缝涂布机制备德沪涂膜产业化进程领先2022年市占率达70以上激光设备国产化进程较快封装设备承接晶硅组件封装传统供应商有望受益技术政策资金助力产业化曙光初现钙钛矿产业化阶段具有寿命及稳定性大面积制备难度铅污染等问题目前业内通过添加剂组分工程设备工艺改良加强封装等多种手段来应对协会推动建立行业标准多家公司的钙钛矿产品通过IEC双85测试进入量产阶段目前纤纳光电协鑫光电极电光能产业化进度领先百兆瓦级别产线已搭建完成GW级产线筹备中23年或有GW级设备招标众能仁烁万度光能宝馨科技奥联电子宁德时代百兆瓦级别产线搭建中预计232530年全国合计钙钛矿组件产能12574142GW产业化在即市场空间广阔钙钛矿前景星辰大海需求端看光伏装机需求向好渗透率提升带动钙钛矿市场空间广阔20252030年全球地面电站钙钛矿需求分别为03250GW20252030全球分布式钙钛矿需求分别23705GW20252030整体市场空间为26955GW2022-2030CAGR达146市场空间广阔投资建议降本增效促进下钙钛矿有望成为下一代光伏电池技术方向重点关注1钙钛矿组件隆基绿能天合光能晶澳科技晶科能源通威股份关注东方日升杭萧钢构奥联电子等2设备关注捷佳伟创迈为股份京山轻机大族激光帝尔激光德龙激光杰普特奥来德德沪涂膜未上市3封装福斯特海优新材关注天洋新材激智科技4TCO玻璃关注金晶科技耀皮玻璃5关注钙钛矿领先创业公司纤纳光电协鑫光电仁烁光能极电光能耀能科技黑晶光电等未上市风险提示竞争加剧政策超预期变化可再生能源装机不及预期原材料供给不足等2目录Part1提效快成本低钙钛矿潜力十足Part2单结叠层多元发展钙钛矿技术百花齐放Part3工艺铸就核心竞争力设备国产化降本可期Part4技术政策资金助力产业化曙光初现Part5市场空间广阔钙钛矿前景星辰大海33PART1提效快成本低钙钛矿潜力十足4钙钛矿电池薄膜电池新星产业化星火燎原钙钛矿材料是有机无机金属卤化物ABX3可由人工合成材料性质可使光电损失小钙钛矿材料是ABX3型八面体结构原材料储量丰富可广泛由人工合成钙钛矿材料具备高光电吸收系数长载流子扩散长度浅缺陷能级多方面促成钙钛矿光电损失小钙钛矿电池具有降本增效高弱光效应应用场景广阔优势是新一代量产光伏电池的优良选择钙钛矿带隙可调节通过不同带隙电池叠层可最大程度吸收光子效率上限远高于晶硅电池极限钙钛矿具备高光吸收系数电池在阴天以及日出日落等弱光场景也能正常工作钙钛矿电池可广泛应用于BIPV和车顶光伏下游市场广阔钙钛矿电池结构主要分为单结和叠层结构叠层结构效率上限高但是技术难关多目前钙钛矿晶硅叠层是大部分厂商选择的技术路线单结钙钛矿电池结构是类似三明治层状的5层结构结构简单叠层电池是宽带隙电池和窄带隙电池堆叠以实现光谱最大程度吸收目前双结叠层钙钛矿电池效率可突破43但是叠层电池存互联层光电损失大底电池不稳定等问题技术方面有望进一步升级综合考虑叠层电池效率成本工艺难度目前大部分晶硅厂商为发挥晶硅技术优势选择钙钛矿晶硅叠层路线图钙钛矿电池组件数据来源纤纳光电东吴证券研究所5钙钛矿材料有机无机金属卤化物ABX31839年在俄罗斯乌拉尔山脉德国矿物学家GustavRose发现了矿物质钛酸钙CaTiO3之后俄国矿物学家LevAlekseyevichvonPerovski将其命名为Perovskite后来ABO3型氧化物的简单钙钛矿被广泛研究于是人们以perovskite一词来描述庞大的钙钛矿家族及其衍生化合物目前光伏领域的钙钛矿材料是指具有半导体特性的卤素钙钛矿材料ABX323A代表一价有机或无机阳离子如甲脒离子HCNH2甲胺离子CH3NH铯离子Cs铷离子Rb或者多种阳离子混合等B代表二价金属阳离子如铅离子Pb2锡离子Sn2锗离子Ge2或者多种金属离子混合等X代表一价卤素阴离子如溴离子Br-碘离子I-氯离子CL-或者多种卤素离子混合等ABX3的晶体结构是1个金属B原子与6个卤素X原子配位形成BX6八面体结构A原子被周围的共享顶点的8个八面体骨架包围当满足上述晶体元素和结构基本能成为光伏领域所需的钙钛矿材料意味着钙钛矿材料能够广泛地由人工合成不再受原材料掣肘图钙钛矿图钙钛矿晶体结构数据来源中国知网东吴证券研究所6钙钛矿电池工作原理钙钛矿作为一种半导体材料会产生光生伏特效应即半导体在光照下会产生电动势其光电转化过程主要包括以下几个过程1钙钛矿光电吸收层Perovskite具备高光吸收系数吸收太阳光后容易产生电子-空穴对并在室温下被热化后会形成激子然后发生电荷分离光生电子跃迁到吸光层的LUMO能级上光生空穴跃迁到吸光层的HOMO能级上12分离的自由电荷具有长的载流子寿命和扩散距离使得它们能够在复合前被有效的提取和传输其中电子传输层ETL提取并传输电子且能够快速地阻挡空穴2同时对应的空穴传输层HTL提取并传输空穴且也能够快速地阻挡电子33被提取地载流子经过传输层传输进一步被相应的阳极导电玻璃photoanode和阴极金属电极counterelectrode所收集并经过负载外电路形成回路图钙钛矿电池工作原理数据来源中国知网东吴证券研究所7钙钛矿优势效率进展迅速理论极限高晶硅电池效率即将接近极限下一代钙钛矿潜力充足晶硅电池经过40余年的发展实验室转换效率逼近27接近极限钙钛矿电池具备光电损失小带隙可调节特点叠加叠层技术可实现接近两倍晶硅电池效率潜力充足晶硅电池理论效率极限为294目前最高效率已达到268晶硅太阳能电池被俄歇复合限制在理论效率为294考虑到现实中的光学损失与电学损失最终可以达到的效率上限可能进一步降低至272017年日本的Kaneka公司研发的HJT电池以267晶硅电池效率最高记录保持5年2022年12月隆基HJT效率达2681成为新世界纪录图晶硅电池实验室最高效率单晶硅电池聚光单晶硅电池非聚光多晶硅电池异质结电池薄膜硅电池数据来源NREL东吴证券研究所8钙钛矿优势效率上限远超晶硅电池钙钛矿材料光电损失小钙钛矿材料具备长的载流子扩散长度浅的缺陷能级因而载流子复合率低寿命可高达几微秒到几十微秒光电损失较小单结效率上限可达30以上根据Shockley-Queisser极限单结太阳能电池吸光材料的禁带宽度在134eV时其理论光电转换效率可达最高的337典型的甲胺铅碘CH3NH3PbI3钙钛矿带隙为155eV接近最优带隙单结效率上限可达30以上目前钙钛矿最高单结效率已达到257图单节钙钛矿效率发展历程PSCsC-PSCsFPSCs300257252250233221211202193190200184186178168164154149154150122109136120100831036670502638002009201020112012201320142015201620172018201920202021数据来源WebofScience东吴证券研究所9钙钛矿优势带隙可调叠层电池潜力十足钙钛矿材料带隙可调节带隙是半导体可以吸收的最低能量半导体无法吸收能量小于带隙的光子能从光子获得的能量也不会超过带隙能量钙钛矿材料带隙可调节与晶硅材料或者和经过人工调整的钙钛矿材料叠层后就可以覆盖大范围带隙因而能够吸收不同波长的光与晶硅叠层理论效率超过43采用112eV带隙的晶硅电池与173eV钙钛矿电池串联可以保证太阳光谱照射的最佳分布吸收全谱匹配两结叠层电池的效率理论极限可超过43即便使用典型钙钛矿甲胺铅碘带隙155eV作为顶部电池时理论最大效率也能达到33钙钛矿晶硅两结叠层电池效率已经达到325德国HZB研究中心22年12月最新认证图钙钛矿两结叠层在不同带隙下理论图新概念电池实验室效率效率染料敏化电池钙钛矿电池钙钛矿硅叠层有机质电池有机质叠层电池铜锌锡硫电池量子点电池钙钛矿铜铟镓硒叠层数据来源中国知网NREL东吴证券研究所10钙钛矿优势成本更低工艺步骤简单产能投资钙钛矿组件目前产能投资略低于晶硅组件未来仍有下降空间钙钛矿组件生产流程简单可在45分钟内将化工原料玻璃靶材胶膜在单一工厂加工为组件目前GW级别晶硅组件产能投资需要75亿元钙钛矿组件投资需5-7亿元略低于晶硅考虑到目前钙钛矿电池处于起步阶段晶硅电池产业链已经成熟预计未来钙钛矿组件产能投资大幅小于晶硅组件组件成本钙钛矿材料制备所需原材料储量丰富价格低廉且钙钛矿材料本身占组件成本比例较低以协鑫光电为例GW级别量产钙钛矿材料占比31组件成本10元W5-10GW级别量产组件成本可降至05-06元W图钙钛矿晶硅产能投资对比图钙钛矿组件GW级别量产成本构成31钙钛矿化工原料钙钛矿组件厂玻璃及其他封装材料玻璃309靶材光伏组件340人工成本封装胶膜固定资产折旧接线盒134能源动力5-7亿GW15531电极材料硅料厂硅片厂电池厂组件厂图晶硅组件成本构成15442729单晶电池19亿GW18亿GW25亿GW13亿GW玻璃背板113EVA64铝边框599焊带34接线盒75人工其他数据来源协鑫光电solarzoom东吴证券研究所11钙钛矿优势光吸收系数和带隙高弱光效应好钙钛矿光吸收系数高弱光效应好由于光吸收系数倒数的物理意义是当光强衰减到入射光强度的1e时光所经过样品的厚度所以光吸收系数越高同等材料厚度下所需光照少晶硅电池在可见光范围吸收系数不到104cm-1钙钛矿材料厚度仅百纳米时吸收系数就可以达到105cm-1光系数高捕光能力强具备较好弱光效应钙钛矿带隙高弱光效应好在弱光下电池带隙接近2eV时理论最高效率可达52晶硅电池带隙11eV远小于2eV钙钛矿电池带隙155-17eV接近2eV在阴雨天气和日出日落等弱光场景能够维持较高电池效率保持稳定运转图半导体在不同波长光下吸收系数图弱光条件下光伏电池带隙和效率关系数据来源WebofScience东吴证券研究所12钙钛矿优势下游应用广阔钙钛矿电池可用于制作BIPV幕墙和屋顶23年分布式光伏在商业建筑和公共建筑的立墙应用占比预计分别可达到1520在商业建筑和公共建筑的屋顶应用占比预计分别可达到1530BIPV应用市场广阔钙钛矿电池具备轻薄特性高转换效率优势同时颜色可调节在BIPV市场具备竞争力全球新能汽车维持高速增长钙钛矿电池可用于制作车顶光伏23年全球新能源汽车预计可突破1300万辆可安装光伏电池面积预计可达30万平米是未来光伏领域重要开拓市场钙钛矿电池具备高弱光效应在不良天气条件下有利于维持稳定发电是作为车顶光伏的优良材料图BIPV幕墙图光伏车顶数据来源嘉盛光电索比光伏网东吴证券研究所13总结钙钛矿优势明显产业化潜力十足钙钛矿电池相对于晶硅电池效率上限更高钙钛矿电池具备高光吸收系数受温差影响小光电损失少单结钙钛矿电池效率上限超30双结叠层效率上限更有望接近45而晶硅电池效率难以突破30钙钛矿电池相对于晶硅电池成本更低钙钛矿电池产能投资约5-7亿元GW未来成熟后有进一步下降空间GW级量产组件成本小于1元GW有望向05元GW靠拢可实现全口径平价上网而晶硅电池成本较高钙钛矿电池相对晶硅电池具备高弱光效应钙钛矿材料在可见光范围吸收系数可以达到105cm-1具备高光捕获能力并且电池带隙接近弱光下电池最高效率所需带隙因此在阴雨天气和日出日落等弱光环境均能工作钙钛矿电池下游应用领域广阔钙钛矿电池在分布式光伏市场具备竞争力可广泛应用于BIPV幕墙和屋顶此外也是光伏车顶的优良材料图钙钛矿电池与晶硅电池对比比较内容晶硅钙钛矿发展时间50年10年技术体系第一代晶体第三代薄膜效率上限27-2930-33实验室效率26812570使用寿命T8025年10-20年带隙宽度11eV11728eV调节吸光范围400-1200nm350-800nm器件厚度150um500nm弱光效应差阴雨天气和日出日落基本不工作好阴雨天气和日出日落能工作温度效应高受温度影响较大大10倍低适合极端低温和高温综合成本高全口径平价上网还需努力低可全口径实现平价上网柔性电池难以制备为柔性电池易制备为柔性电池数据来源众能光电东吴证券研究所14PART2单结叠层多元发展钙钛矿技术百花齐放15钙钛矿电池结构单结电池叠层电池各有特点钙钛矿电池目前研究进展主要分为单结电池和多结叠层电池钙钛矿单结电池不需要依托PN结就能产生光生伏特效应结构简单仅有五层由于钙钛矿带隙可调节因此可以搭配其他半导体材料进行叠层叠层后的多结电池可以覆盖大部分带隙实现光子全方位吸收实现电池效率成倍增长单结电池产业化生产主要为平面反式结构单结钙钛矿电池结构可分为介孔结构和平面结构平面结构又可分为正式结构和反式结构透明导电电极电子传输层钙钛矿光电吸收层空穴传输层金属电极为主要结构要素由于平面反式结构具备可低温制备稳定性较高优势目前广泛用于产业化生产钙钛矿晶硅叠层研究进展领先两端叠层方式具备产业化生产前景目前主流钙钛矿叠层技术为钙钛矿晶硅叠层钙钛矿钙钛矿叠层钙钛矿CIGS叠层由于钙钛矿晶硅叠层具备底电池晶硅电池技术成熟稳定的优势在诸多叠层中研究进展最快实验室效率领先两端叠层方式是指子电池通过互联界面串联仅需一个透明电极成本较低在工艺方面具备发展前景图单结电池结构平面正式结构为例图叠层电池结构钙钛矿晶硅叠层为例数据来源WebofScienceHZB东吴证券研究所16钙钛矿电池结构单结单结电池结构主要分为介孔结构和平面结构平面结构又被分为正式结构n-i-p和反式结构p-i-n根据有无介孔骨架电子传输层mesoscopiclayer区分介孔结构和平面结构根据透明导电电极上先为电子传输层还是先为空穴传输层区分正式结构和反式结构平面反式结构器件可低温制备稳定性好是产业化生产的主流结构介孔结构的介孔层需要高温制备工艺难度较大平面结构没有介孔层可低温制备节省能源反式结构采用无机金属氧化物替代有机物Spiro-OMeTAD作为空穴传输层稳定性较好图单节钙钛矿电池结构mesoscopiclayer介孔结构平面正式结构平面反式结构数据来源WebofScience东吴证券研究所17钙钛矿电池结构介孔结构介孔结构类似三明治层状结构结构简单主要分为5层1透明导电电极主要作用是将收集到的电子传输到外电路同时具备较高光透过率目前主要采用FTO玻璃2介孔电子传输层将钙钛矿受光子激发后的电子提取出来同时阻挡空穴向阴极方向迁徙具备较高光透过率便于更多光子照在钙钛矿吸收层上介孔为钙钛矿吸收层提供骨架支撑的作用主要材料是TiO23钙钛矿吸收层受到光子激发形成电子-空穴对产生光电效应4空穴传输层传输空穴阻止电子传输主要材料是有机物Spiro-OMeTAD5金属电极传输电子主要材料是银介孔能够作为骨架支撑钙钛矿但是高温制备工艺难度大介孔有钙钛矿支撑骨架作用增大钙钛矿吸收层与电子传输层的接触面积有效提高电子传输效率介孔层的制备通常需要400-500的高温退火处理增加了工艺难度图介孔结构mesoscopiclayer数据来源WebofScience东吴证券研究所18钙钛矿电池结构平面结构平面结构相对于介孔结构少了介孔层可低温制备平面结构直接在致密TiO2电子传输层上旋涂钙钛矿结构相对介孔结构简单能够用低温溶液法制备更利于柔性电池叠层电池和大面积电池的发展正式结构和反式结构主要区别是光先透过电子传输层还是空穴传输层对正式结构而言透明电极上为电子传输层太阳光穿过透明电极后透过电子传输层再到吸光层对反式结构而言透明电极上为空穴传输层太阳光穿过透明电极后透过空穴传输层再到吸光层反式结构尽管效率不及正式结构但迟滞较小填充率较高稳定性更好适合量产目前钙钛矿最高效率257是正式结构反式结构经过多年发展也达到了243的效率与正式结构差距减小反式结构的主要优势在于光先透过空穴传输层可以使电池迟滞性较小填充率较高另外正式结构空穴传输材料多为有机物Spiro-OMeTAD同时为了增加导电性通常需要添加对水氧敏感的Li盐Co盐等尽管获得了高效率但也牺牲了器件的稳定性反式结构空穴传输层材料多为无机金属氧化物如NiOxCuO等器件稳定性好图平面结构图反式结构效率平面正式结构平面反式结构数据来源WebofScience东吴证券研究所19钙钛矿电池结构叠层叠层结构分为窄带隙底电池互联结隧穿结宽带隙顶电池三部分宽带隙电池作为顶电池吸收较高能量光子窄带隙电池作为底电池吸收较低能量光子实现子电池对太阳光谱分段利用从而避免高能光子的热化损失提高太阳能利用率和电池光电转换效率钙钛矿ABX3通过改变ABX组分可实现带隙宽度从11728eV调节能够与其他中窄带隙底电池匹配两结叠层电池为主要应用方向钙钛矿晶硅叠层目前效率最高叠层的结数越多理论上可以获得更高的效率但是考虑到成本目前两结叠层电池为主要应用方向钙钛矿晶硅叠层和钙钛矿钙钛矿叠层的电池效率较高分别为325和28成为目前叠层电池研究领域的焦点钙钛矿CIGS叠层电池效率也获得了很大提升成为下一代光伏电池很有潜力的竞争者图叠层电池结构以钙钛矿晶硅叠层为例图钙钛矿叠层实验室发展历程宽带隙顶电池互联层隧穿结窄带隙底电池数据来源中国知网WebofScience东吴证券研究所20