研究报告全文：证券研究报告钙钛矿行业深度从0-1机遇与挑战并存重视材料体系演进中的投资机会华安机械张帆S0010522070003徒月婷S00105221100032023年3月20日华安证券研究所证券研究报告敬请参阅末页重要声明及评级说明证券研究报告目录1钙钛矿简述第三代光伏电池2钙钛矿优势降本提效潜力巨大3钙钛矿产业化现状从0-1过程中机遇与挑战并存4钙钛矿设备梳理空间广阔百花齐放5投资逻辑及标的梳理6风险提示敬请参阅末页重要声明及评级说明证券研究报告11钙钛矿介绍光伏电池从第一代以晶硅为主第二代以薄膜电池为主典型代表为铜铟镓硒CIGS碲化镉CdTe电池第三代为以钙钛矿为代表的新型太阳能电池钙钛矿作为经典的材料体系具有悠久的历史1839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后将结构式为ABX3形式且具有与CaTiO3相似晶体结构的材料统称为钙钛矿自然界中钙钛矿材料分布广泛种类多样且丰富一般为立方体或者八面体形状且具有光泽钙钛矿ABX3晶体结构示意图ABX3属于四方晶系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个八面体骨架包围在较弱的范德华力相互作用下保持结构稳定A代表一价有机或无机阳离子如甲脒离子HCNH22甲铵离子CH3NH3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资料来源CNKI钙钛矿型太阳能电池制备方法的研究赵艳红华安证券研究所整理敬请参阅末页重要声明及评级说明华安证券研究所证券研究报告12钙钛矿太阳能电池工作原理钙钛矿太阳能电池的工作原理光照条件下钙钛矿材料吸收光子电子从价带跃迁到导带随后以极快的速度注入到电子传输层ETL对应空穴被传输至空穴传输层HTL然后电子和空穴被电极收集接上负载后电池便可对外做功具体来看主要分为以下5个过程1光子吸收过程受到太阳光辐射时电池的光吸收层材料吸收光子产生平面正式结构电池工作原理受库仑力作用束缚的电子-空穴对即激子2激子扩散过程激子产生后不会停留在原处会在整个晶体内运动激子的扩散长度足够长激子在运动过程发生复合的几率较小大概率可以扩散到界面处3激子解离过程钙钛矿材料的激子结合能小在钙钛矿光吸收层与传输层的界面处激子在内建电场的作用下容易发生解离进而成为自由载流子4载流子传输过程激子解离后形成的自由载流子其中自由电子通过电子传输层向阴极传输自由空穴通过空穴传输层向阳极传输5电荷收集过程自由电子通过电子传输层后被阴极层收集自由空穴通过空穴传输层后被阳极层收集两极形成电势差电池与外加负载构成闭合资料来源适于高性能太阳能电池的CH3NH3PbI3钙钛回路回路中形成电流矿薄膜及其器件研究华安证券研究所敬请参阅末页重要声明及评级说明华安证券研究所4证券研究报告13钙钛矿材料的特征钙钛矿材料的特征特征具体表述钙钛矿类材料的光学照片半导体材料具有的载流子结合能越低越容易分离出电子-空穴载流子结合能对的特性钙钛矿材料CH3NH3PbI3的载流子结合能为较小202meV而大多数半导体材料该数值在200meV左右钙钛矿材料CH3NH3PbI3的介电常数为65而其它的半导体介电常数较大材料的介电常数相比之下就要小得多介电常数数值一般在3左右载流子的迁移钙钛矿材料分离下来的空穴和电子有效质量都较小所以载资料来源CNKI钙钛矿型太阳能电池制备方法的研究赵艳红华安证券研究所整理率和迁移速度流子对的迁移速度会比较大有利于载流子对的传输和收集都较大钙钛矿电池能级图示吸收系数越高材料的吸光能力越强钙钛矿材料吸收系数较高CH3NH3PbI3在可见光波长范围内都有良好的吸光能力在360nm波长处其吸收系数达到了43105cm-1通常深能级的缺陷降低载流子寿命而钙钛矿材料中主导的浅缺陷能级缺陷为浅能级对载流子寿命影响较低进而使其具有较大的扩散长度钙钛矿材料对缺陷容忍度高资料来源钙钛矿黑硅叠层太阳能电池的制备及性能研究华安证券研究所整理资料来源ScienceChinaMaterials华安证券研究所整理敬请参阅末页重要声明及评级说明华安证券研究所5证券研究报告14钙钛矿太阳能电池结构钙钛矿电池结构钙钛矿太阳能电池是层状结构主要包括金属对电极空穴传输层钙钛矿吸收层电子传输层和透明导电玻璃常见的钙钛矿电池结构有正式结构也称n-i-p型结构和反式结构也称p-i-n型两种两种结构的区别是传输层位置相反传输方向不同考虑到材料的可选性和大规模量产的可行性目前主流是用反式平面结构钙钛矿太阳能电池的3种典型结构图a正式介孔结构b正式平面结构c反式平面结构资料来源中国科学华安证券研究所整理敬请参阅末页重要声明及评级说明华安证券研究所6证券研究报告15钙钛矿电池各层结构及特点膜层功能特点常用材料1透光性必须要很好透明电池的衬底层电池器件的各层都基于2功函数要与其上面的传输层相匹配如果带阶相差太大电池工业上一般以FTO或ITO导电玻璃为导电导电玻璃上它一般由玻璃和附着在其内部的载流子会发生严重的复合现象从而削弱电池光电性能主基底上的高透光导电薄膜组成3其电阻要选择合适的数值太大会增加电池内部电阻太小需要增加导电薄膜厚度削弱薄膜透光率一般在12-14内为佳1与钙钛矿层达成合格的能级匹配它影响着电荷的注入和复合电子高效传输电子阻挡空穴向阴极方向移2有足够小的缺陷态它影响电荷的复合和传输主要包含TiOSnOAlO等金属氧传输动避免空穴-电子对分离不彻底从而3有较高的电子迁移率它影响着电荷的传输和收集2223化物和一些有机物材料层造成载流子在电池内部积累4有较光滑的表面形貌影响钙钛矿薄膜质量和界面接触5有较好的光透过率正式光吸位于中心位置主要负责吸收能量高于1吸光系数高空穴扩散长度长甲胺碘化铅MAPbI3和甲脒碘化铅收层其带隙的光子并在该层生成载流子对2成本低廉工艺简单可大面积制备和低温处理FAPbI3传输空穴载流子并阻挡电子在该层的主要可分为以Spiro-OMeTADPTAA空穴1空穴转移速率须很快迁移同时该层还起到了防止钙钛矿层PDPPDBTE等为代表的有机类材料传输2合适的带隙与钙钛矿吸光层相匹配与电极直接接触引起电池内部电路短路和以NiOCuICuSCNCuOCuO层3有较好的光透过率反式2的作用等为代表的无机类材料通常是AuAgAl等导电金属正结金属1优异的导电性钙钛矿电池一般采用Au作为电极材料对电收集空穴或电子载流子2合适的带隙从而与空穴传输层或电子传输层相匹配反结钙钛矿电池一般采用Ag作为电极极材料资料来源钙钛矿黑硅叠层太阳能电池的制备及性能研究华安证券研究所整理敬请参阅末页重要声明及评级说明华安证券研究所7证券研究报告16钙钛矿电池应用场景BIPV钙钛矿电池具有轻薄透光性强颜色可调的特点适用于BIPVBIPV市场空间车载光伏广阔有望成为钙钛矿首选应用市场地面电站钙钛矿与晶硅叠层电池有望率先实现突破车载光伏钙钛矿电池具有轻薄透光性强颜色可调柔性化的特点在车载光伏领域应用空间较大目前已有部分车企进入钙钛矿领域室内光伏理论预测表明光学带隙16eV的PSCs在荧光灯或白光LED照明下可实现高达50的光电转换效率BIPV地面电站资料来源A2-solar华安证券研究所室内光伏资料来源能源百科华安证券研究所资料来源索比光伏网华安证券研究所资料来源x-mol华安证券研究所敬请参阅末页重要声明及评级说明华安证券研究所8证券研究报告目录1钙钛矿简述第三代光伏材料2钙钛矿优势降本提效潜力巨大3钙钛矿产业化现状从0-1过程中机遇与挑战并存4钙钛矿设备梳理空间广阔百花齐放5投资逻辑及标的梳理6风险提示敬请参阅末页重要声明及评级说明证券研究报告21光电转化效率高不同类型太阳能电池转换效率发展理论光电转换效率高钙钛矿太阳能电池PSCs单结理论最高转化效率可达31高于晶硅电池的294当前量产效率接近15向18迈进长期来看叠层将进一步打开效率天花板其中钙钛矿三节叠层电池转换效率最高可突破40钙钛矿电池转换效率提升迅速单晶硅及多晶硅电池转换效率提升走过漫长的路程而钙钛矿效率在近10年来显著提升发展迅猛截至2022年不同类型电池最高效率时间电池类型效率记录公司团队资料来源Enecoat华安证券研究所整理202212TOPCon电池2640晶科能源不同类型太阳能电池理论极限电能转换效率5045045202212HJT电池2656隆基绿能4035035294310275287韩国蔚山国家科学技术研究所30245202112正式电池2570UNIST2520NREL朱凯15202209反式电池2537托莱多大学鄢炎发团队105钙钛矿-晶硅叠德国柏林亥姆霍兹研究中心02022123250层电池HZB晶体硅普通HJT电池TOPCon电池钙钛矿晶硅钙钛矿钙钛矿太阳能电池单晶硅电池单节电池双节叠层电池三节叠层电池资料来源SOLARZOOM北极星太阳能光伏网资料来源德沪涂膜设备华安证券研究所整理晶科及红太阳公司公众号集邦新能源网华安证券研究所整理敬请参阅末页重要声明及评级说明华安证券研究所10证券研究报告22综合成本下降空间大从综合成本看钙钛矿总成本约为5-6毛W是晶硅极限成本的50材料占比少钙钛矿在其组件成本中仅占5而晶硅电池片在其组件中占比达到612硅片的厚度通常为100-180m纯度要求高钙钛矿电池原材料储量丰富可由人工合成且原料用量少厚度大概是03m能耗低晶硅纯度需要达到9999996-7个9且需要反复提纯消耗大量资源钙钛矿纯度要求95远低于晶硅电池晶硅单瓦能耗152KWh钙钛矿单瓦能耗仅为012KWh只有晶硅的110钙钛矿组件成本构成晶硅光伏组件成本构成接线盒26其他38人工成本3焊带固定资产折旧9背板玻璃及其他封装材料32玻璃71能源动力14EVA84钙钛矿5电池片612铝边框90电极材料37资料来源全球光伏华安证券研究所整理资料来源易达光电华安证券研究所整理敬请参阅末页重要声明及评级说明华安证券研究所11证券研究报告23产线投资低生产流程短钙钛矿工艺流程简单产业链显著缩短晶硅电池在四个不同工厂内分别加工硅料硅片电池组件此过程需要至少耗时3天而钙钛矿太阳能电池的生产流程简单仅需要一条300百米长的全自动生产线就能实现从原材料光伏玻璃的磨边清洗到化合物半导体薄膜的制备再到最后光伏组件成品封装测试的完整生产流程根据协鑫纳米披露可在45分钟内将玻璃胶膜靶材化工原料在单一工厂内加工成为钙钛矿组件产业链显著缩短价值高度集中产线投资成本低光伏企业投资1GW产能晶硅电池需要建四个工厂硅料硅片电池和组件合计投资金额超过9亿元投资1GW产能钙钛矿电池仅需1个工厂投资金额仅约5亿元其投资强度仅为晶硅的一半单晶硅组件与钙钛矿组件工艺对比晶硅路线与钙钛矿路线生产流程对比资料来源东方富海华安证券研究所资料来源险峰华安证券研究所敬请参阅末页重要声明及评级说明华安证券研究所12证券研究报告目录1钙钛矿简述第三代光伏材料2钙钛矿优势降本提效潜力巨大3钙钛矿产业化现状从0-1过程中机遇与挑战并存4钙钛矿设备梳理空间广阔百花齐放5投资逻辑及标的梳理6风险提示敬请参阅末页重要声明及评级说明证券研究报告31钙钛矿太阳能电池效率进展钙钛矿转换效率持续突破十多年来经过不断的改进变革钙钛矿转换效率从最初的38提升到257其他各种结构的钙钛矿电池效率也在不断打破纪录单结钙钛矿太阳能电池转换效率发展历程截至2022年不同结构类型钙钛矿电池最高效率时间研发团队改进转换效率电池类型团队电池效率认证机构时间日本科学家Tsutomu率先将钙钛矿材料用于染料敏化太阳2009380韩国蔚山国家科学技术Miyasaka能电池作为吸光材料正式电池2570NREL202112研究所UNIST韩国成均馆大学Nam-Gyu2011技术改进650Park课题组NREL朱凯托莱多大反式电池2537NREL202209牛津大学HenrySnaithHE和引入了空穴传输材料Spiro-OMeTA学鄢炎发团队20121000MikeLee课题组实现了钙钛矿电池的固态化钙钛矿-晶硅德国柏林亥姆霍兹研究将电池中的TiO2用铝材Al2O3进3250NREL2022122012牛津大学HenrySnaith15叠层电池中心行了代替HZB2016瑞士洛桑联邦理工学院进一步改进1960中国科学院半导体研究所提出有机盐钝化钙钛矿表面缺陷的方钙钛矿-钙钛JET日本电气安20182370仁烁光能29202301研究员游经碧课题组法矿叠层电池全环境研究所韩国化学技术研究所利用溶液旋涂法制备出一种新型钙钛201942420钙钛矿-CIGS德国柏林亥姆霍兹研究KRICT矿材料2420NREL2020叠层电池中心HZB锡IV氧化物SnO电子传输层韩国蔚山国家科学技术研22021和卤化物钙钛矿层之间通过将氯键合2550究所UNIST的SnO2与含有氯的钙钛矿前体耦合香港城市大学朱宗龙团福建省计量科学柔性电池23352022112021韩国蔚山国立科学技术研队中科大杨上峰团队研究院2570究院UNIST资料来源北极星光伏网全球光伏索比光伏网华安证券研究所整理资料来源协鑫光电NREL官网华安证券研究所整理敬请参阅末页重要声明及评级说明华安证券研究所14证券研究报告32钙钛矿电池产业化进展公司规模GW产线类型状态备注001中试线2017年已建成投资7000万元01量产线2021年量产产能和工艺稳定后目标转化效率超过18面积1m2m协鑫光电1量产线2024年量产5-10量产线2025年建设01量产线2022年达产纤纳光电1量产线2023年有望投产2024年上半年跑通组件效率提升至20左右面积12m2m015试产线2022年底投产运行2021四季度启动建设总投资超2亿极电光能1量产线2024年达产计划2023年初投入50亿建设6GW产能5量产线2025年全部达产02大试线2021在建万度光能总投资60亿元可印刷介观钙钛矿太阳能电池生产基地项目10量产线规划中众能光电02生产线在建001中试线在建无限光能01量产线2024年建成001小试线2022年建成30cm30cm组件目标效率20光晶能源01中试线2023年投建2024达产60cm120cm组件脉络能源01量产线设计中2022年建成并运行一条中试线001中试线2023年已全线跑通新型钙钛矿叠层电池组件尺寸30cm40cm仁烁光能015量产线建设中预计2023年四季度投产新型钙钛矿叠层电池杭萧钢构01中试线2023年5月中旬投产钙钛矿晶硅薄膜叠层电池电池目标转化效率达到28以上合特光电01试验线规划中钙钛矿电池或钙钛矿-HJT叠层电池产线宝馨科技1量产线规划中001试产线在建全球首家量产40cm60cm柔性钙钛矿组件已投资8000万元大正微纳01量产线规划中计划再投资2亿元人民币金昌鑫磊鑫半导体1量产线建设中钙钛矿薄膜光伏组件项目总投资1036亿元占地面积约320亩分两期建设总计2655-3155截至2022年底产能037GW23年新增034GW24年新增36GW25年新增78GW资料来源各公司公告各公司官网各公司公众号北极星光伏网华安证券研究所整理敬请参阅末页重要声明及评级说明华安证券研究所15证券研究报告33钙钛矿产能测算钙钛矿产能不完全统计GW20222023E2024E2025E2026E协鑫光电0101011161-111杭州纤纳0101113131极电光能01501511541510众能光电0000300003020202万度光能02210大正微纳001011011011011仁烁光能001015015015115无限光能010101杭州鑫磊半导111合特光电01010101杭萧钢构子公司宝馨科技01011钙钛矿产能总计03707143112113286-3786资料来源各公司官网各公司微信公众号北极星太阳能光伏网华安证券研究所整理注1众能光电大正微纳无限光能鑫磊半导及合特光电在2025年后暂无规划注2合特光电在建钙钛矿晶硅叠层电池中试线宝馨科技将完成钙钛矿-异质结叠层电池实验线敬请参阅末页重要声明及评级说明华安证券研究所16证券研究报告34钙钛矿产业化的挑战及应对钙钛矿材料稳定性大幅面制备及高效率是钙钛矿商业化的主要瓶颈学术界和产业界正在针对性的解决光伏始终是降本为导向因此钙钛矿的发展方向也将沿着安全稳定地提效降本去突破钙钛矿产业化挑战梳理方向进展应对方法不同情况下钙钛矿成本拆分纤纳组件已顺利通过IEC61215IEC61730稳定性全稳定性体系认证更多稳定性的数据仍待积累与验证由于在材料体系后处理封装等方面钙钛矿材料受水氧温度紫外光等等不利因素影响提高稳定性等稳定性仍需行业获得更多量产数据协鑫光电选取1m2m幅面其他企业的幅面不一现阶段大幅面带来效率降低晶硅219尺寸66片组件版提高制备及结晶均匀性稳定大幅大幅面型尺寸为2413m钙钛矿大幅面制备然后激光切割面的良率及效率等串联为其成本优势的一大来源因此在大幅面与高效之间如何获得平衡是一大挑战实验室效率不断突破协鑫光电以18左右为近期的高效率大幅面效率目标效率提升将带来电池成本大幅下降材料体系改善优化组件设计等而钙钛矿材料的优势之一即为效率天花板高按照目前头部企业中试线情况测算钙钛矿单瓦总成本提高效率寿命产能利用率良低成本资料来源全球光伏华安证券研究所约2元W远期极限成本有望降至06元W上下率规模化降低材料及设备成本资料来源纤纳光电官网全球光伏中国电力网华安证券研究所整理敬请参阅末页重要声明及评级说明华安证券研究所17证券研究报告34钙钛矿产业化的挑战及应对稳定性钙钛矿太阳能电池稳定性的影响因素及机理钙钛矿太阳能电池稳定性的影响因素影响因影响机理素水氧H2O的存在CH3NH3PbI3薄膜会逐步分解CHNHPbI在100下加热20min会分解为PbICHNH和HI不同温度下钙钛矿所形成的的晶体结构不同相的转变会改变温度333232钙钛矿材料的带隙结构进而影响材料的稳定性除此之外温度也会引起钙钛矿材料形貌发生变化光照光照对钙钛矿材料稳定性的影响难以避免且更为复杂包括光照引起钙钛矿材料的分解材料的相变和材料内部的相分离等1正式结构中通常选择氧化钛氧化锌和一些掺杂金属氧化物作为电子传输材料在光照情况下TiO2和ZnO会产生光生空穴并催化分解钙钛矿材料而且酸性ZnO具有腐蚀作用加速钙钛矿材料的分解和器件的老化传输层和2Spiro-OMeTAD是一种广泛应用的空穴材料但钙钛矿材料中的I-扩散进入到Spiro-OMeTAD之后会降低其电荷传输性能电极材料3现阶段最常用的电极材料为金银铝等金属原子可以通过扩散作用进入到钙钛矿层中引起钙钛矿材料发生分解而且光伏效应所形成的内建电场会加剧原子的扩散钙钛矿材料中的卤素离子也会扩散到金属电极并造成电极材料的腐蚀与半导体硅材料不同有机-无机杂化钙钛矿材料具有明显的离子特性容易发生离子迁移可以导致点缺陷或杂质的聚集改离子迁移变薄膜的电学性质资料来源钙钛矿太阳能电池稳定性研究进展及模组产业化趋势华安证券研究所资料来源钙钛矿太阳能电池的性能优化及稳定性研究华安证券研究所提高钙钛矿太阳能电池稳定性的方法提高稳定性方法具体方法提升钙钛矿材料的稳定性1混合阳离子和卤化物阴离子钙钛矿材料2有机聚合物或无机物掺杂的钙钛矿复合材料3二维-三维钙钛矿复合材料提升器件内部稳定性优化传输层材料如在反式结构中用薄层的Ti层取代电子传输材料设计出ITOPTAAMAPbI3TiCathode结构的器件等优化电极材料如用Cr2O3Cr取代Ag作为钙钛矿电池的电极材料等增加缓冲层优化器件结构等在电子空穴传输材料一侧增加缓冲层后处理工艺例如用硫氰酸胍和氯化甲胺作为后处理剂钝化钙钛矿表面和晶界中的缺陷利用封装工艺为降低环境因素的影响合适的封装材料和工艺是提高稳定性必不可少的常用的封装材料为玻璃基板EVA塑料POE塑料和丁基胶等资料来源钙钛矿太阳能电池稳定性研究进展及模组产业化趋势华安证券研究所敬请参阅末页重要声明及评级说明华安证券研究所18证券研究报告目录1钙钛矿简述第三代光伏材料2钙钛矿优势降本提效潜力巨大3钙钛矿产业化现状从0-1过程中机遇与挑战并存4钙钛矿设备梳理空间广阔百花齐放5投资逻辑及标的梳理6风险提示敬请参阅末页重要声明及评级说明证券研究报告41钙钛矿生产工艺协鑫光电正计划启动100MW的钙钛矿电池产线从公布的工艺钙钛矿电池制备流程及相应设备平面反式流程图看整个工艺需要9步钙钛矿组件产线主要设备分为四部分PVD设备涂布设备激光设备及封装设备其生产工艺包括制备空穴传输层钙钛矿层电子传输层电极及激光划线等部分协鑫钙钛矿工艺流程图资料来源赶碳号科技公众号华安证券研究所资料来源立鼎产业研究网华安证券研究所整理敬请参阅末页重要声明及评级说明华安证券研究所20