核心观点
　　钙钛矿电池为第三代新型太阳能电池，效率提升速度快且潜力大。钙钛矿材料指ABX3有机-无机金属卤化物，A为有机阳离子、B为二价金属阳离子、X是卤素离子，目前较常见的钙钛矿太阳能电池原材料为碘铅甲胺。从效率提升进程来看，钙钛矿太阳能电池诞生十余年，单结效率从3.8%跃升至25.7%；单结/叠层理论极限效率分别高达33%/45%，仍有较大提升空间。从结构来看，钙钛矿电池分为介孔型和平面型，正式和反式，目前较主流的为平面反式结构，具有制备工艺简单、可低温制备、成本低等优点，但具有效率不高的缺点。
　　钙钛矿电池具有降本增效和应用场景广泛等优势，仍面临稳定性差和大面积制备效率下降的挑战。优势包括：1）低成本，钙钛矿原材料成本低且用量和纯度要求小，生产过程能耗低，大规模量产后钙钛矿组件总成本约为0.5-0.6元/瓦，是晶硅组件极限成本的50%；2）高效率，钙钛矿材料带隙更接近最优带隙，且带隙可调，适合做效率潜力更高的叠层电池；3）应用场景广泛，柔性和轻质特点使其适用于BIPV和汽车光伏，带隙可调性使其适用于室内光伏。挑战包括：1）稳定性差导致寿命短，材料本身具有不稳定性且与各功能层易相互影响；2）大面积制备效率下降，制备工艺的局限性导致大面积制备钙钛矿薄膜均匀性变差，缺陷增多，且尺寸增大时电池非光活性死区面积增大，有效光照面积减小。
　　钙钛矿组件生产效率高，各功能层制备材料、技术、设备均未定型。钙钛矿组件从原料进去到成品出来仅需约45分钟，且可在单一工厂完成，生产效率高。从材料端来看，功能层材料选择未定型，空穴/电子传输层材料分有机和无机体系。钙钛矿组件对水汽阻隔要求高，催生丁基胶和POE胶膜需求。从技术端来看，传输层制备路线包括PVD、RPD、ALD，钙钛矿层制备分为干法和湿法，目前较主流的产业化选择是狭缝涂布法（湿法），具有原料利用率高、可重复性好、成本较低等优点。从设备端来看，核心设备包括镀膜设备、涂布/蒸镀设备、激光设备和封装设备，镀膜设备价值量占比最高，激光设备最具确定性。
　　钙钛矿电池产业化进程再提速，头部厂家已落地百兆瓦级产线。钙钛矿电池产业处于0-1发展阶段，基于钙钛矿材料本身具备高效率低成本的优势，叠加各研发团队在技术上不断进步，包括效率、稳定性等方面突破，使其逐渐走出实验室。在技术突破主导下，政策+资本（一级市场资金关注度高，头部厂家完成多轮融资且有知名投资者入局）加持下，产业化进程不断提速，目前头部厂商如协鑫光电、纤纳光电、极电光能等已落地百兆瓦产线，纤纳光电已完成首批钙钛矿组件出货，且各厂商研发和量产效率正在持续爬坡中，预计明后年内GW级产线有望落地。
　　投资建议
　　产业仍处于0-1阶段，我们认为在发展初期，基于率先释放业绩角度的考虑，建议抓住核心设备（德龙激光、大族激光、迈为股份、帝尔激光、杰普特、捷佳伟创、京山轻机、奥来德等）和核心辅材（金晶科技、耀皮玻璃、隆华科技、阿石创、福斯特、海优新材、赛伍技术、明冠新材、康达新材等）两条投资主线，后期建议关注电池组件企业。
　　风险提示
　　产业化进程不及预期；下游需求不及预期；资本投入不及预期。
　　

研究报告全文：行业深度报告2023年03月28日行评级推荐维持业光伏新技术前瞻之钙钛矿太阳能电池崛起的研报告作者第三代太阳能电池产业化进程再提速作者姓名段小虎究钙钛矿太阳能电池行业深度资格证书S1710521080001电子邮箱duanxheaseccomcn综核心观点联系人柴梦婷电子邮箱chaimteaseccomcn合钙钛矿电池为第三代新型太阳能电池效率提升速度快且潜力大股价走势电钙钛矿材料指ABX3有机-无机金属卤化物A为有机阳离子B为二价金属阳离子X是卤素离子目前较常见的钙钛矿太阳能电池原材料为力碘铅甲胺从效率提升进程来看钙钛矿太阳能电池诞生十余年单结设效率从38跃升至257单结叠层理论极限效率分别高达3345备仍有较大提升空间从结构来看钙钛矿电池分为介孔型和平面型正商式和反式目前较主流的为平面反式结构具有制备工艺简单可低温制备成本低等优点但具有效率不高的缺点证钙钛矿电池具有降本增效和应用场景广泛等优势仍面临稳定性差券和大面积制备效率下降的挑战优势包括1低成本钙钛矿原材料成本低且用量和纯度要求小生产过程能耗低大规模量产后钙钛矿组件研总成本约为05-06元瓦是晶硅组件极限成本的502高效率钙究钛矿材料带隙更接近最优带隙且带隙可调适合做效率潜力更高的叠相关研究报层电池3应用场景广泛柔性和轻质特点使其适用于BIPV和汽车光电新2022年国内光伏新增装机量达告伏带隙可调性使其适用于室内光伏挑战包括1稳定性差导致寿命8741GW储能锂电池出货量达到130G短材料本身具有不稳定性且与各功能层易相互影响2大面积制备效Wh2023013020230130电新光伏产业链中下游环节价格降率下降制备工艺的局限性导致大面积制备钙钛矿薄膜均匀性变差缺幅放缓工商业储能迎用户入市机遇20陷增多且尺寸增大时电池非光活性死区面积增大有效光照面积减小23011620230116钙钛矿组件生产效率高各功能层制备材料技术设备均未定型电新国家能源局强调新型电力系统钙钛矿组件从原料进去到成品出来仅需约45分钟且可在单一工厂完成储能建设光伏装机项目经济性持续提升生产效率高从材料端来看功能层材料选择未定型空穴电子传输层2023010920230109电新光伏电池片价格跌幅加剧特材料分有机和无机体系钙钛矿组件对水汽阻隔要求高催生丁基胶和斯拉4680电池产业化进程加快2023010POE胶膜需求从技术端来看传输层制备路线包括PVDRPDALD320230103钙钛矿层制备分为干法和湿法目前较主流的产业化选择是狭缝涂布法电新硅片环节价格战开启竞争加剧湿法具有原料利用率高可重复性好成本较低等优点从设备多省市峰谷电价差拉大利好储能产业20端来看核心设备包括镀膜设备涂布蒸镀设备激光设备和封装设备22122620221226镀膜设备价值量占比最高激光设备最具确定性钙钛矿电池产业化进程再提速头部厂家已落地百兆瓦级产线钙钛矿电池产业处于0-1发展阶段基于钙钛矿材料本身具备高效率低成本的优势叠加各研发团队在技术上不断进步包括效率稳定性等方面突破使其逐渐走出实验室在技术突破主导下政策资本一级市场资金关注度高头部厂家完成多轮融资且有知名投资者入局加持下产业化进程不断提速目前头部厂商如协鑫光电纤纳光电极电光能等已落地百兆瓦产线纤纳光电已完成首批钙钛矿组件出货且各厂商研发和量产效率正在持续爬坡中预计明后年内GW级产线有望落地投资建议产业仍处于0-1阶段我们认为在发展初期基于率先释放业绩角度的考虑建议抓住核心设备德龙激光大族激光迈为股份帝尔激光杰普特捷佳伟创京山轻机奥来德等和核心辅材金晶科技耀皮玻璃隆华科技阿石创福斯特海优新材赛伍技术明冠新材康达新材等两条投资主线后期建议关注电池组件企业风险提示产业化进程不及预期下游需求不及预期资本投入不及预期请仔细阅读报告尾页的免责声明1综合电力设备商正文目录1引言42简介第三代新型太阳能电池转换效率飞速提升421定义及原理钙钛矿指具有ABX3型化学组成的化合物发电原理基于光生伏特效应422发展历程诞生十余年单结转换效率从38跃升至257623分类及结构第三代新型太阳能电池反式平面型为较常见结构83优点及产业化痛点降本增效为最主要优势仍存在稳定性差和大面积效率下降的挑战1031优点成本低转换效率高应用场景广泛1032产业化痛点稳定性差导致寿命短大面积制备效率低134生产流程材料技术和设备生产效率较晶硅电池大幅提升材料技术和设备均未定型1541生产流程制作过程仅需45分钟可在单一工厂完成1542材料端电子和空穴传输层分为有机和无机材料体系催生丁基胶和POE需求16421功能层材料电池材料选择未定型分为有机和无机材料体系16422辅材钙钛矿组件对水汽隔离要求高催生丁基胶和POE胶膜需求1843设备端不同技术路线催生不同的设备需求镀膜设备价值量占比最高20431涂布设备钙钛矿层产业化制备以湿法中的狭缝涂布法为主催生涂布设备需求21432镀膜设备PVD为最成熟的选择镀膜设备价值量占比最高24433激光设备钙钛矿对激光精度要求高激光设备最具确定性26434封装设备阻隔性能要求高对标OLEDs封装275产业化进程技术进步主导政策资本加持产业化进程再提速2851政策钙钛矿太阳能电池获国家认可政策陆续出台助力产业发展2852资本一级市场资金关注度高头部厂商完成多轮融资3053厂商进展百兆瓦产线落地GW级产线有望在未来两年内落地32531协鑫光电全球首条大尺寸100MW量产线建设者组件量产效率已达1634532纤纳光电率先实现钙钛矿组件出货多次刷新钙钛矿小组件效率记录34533极电光能全球规模最大的钙钛矿光伏组件生产线建设者GW级产线有望2024年投产35534仁烁光能全球首条全钙钛矿叠层光伏组件研发线建设者预计今年150MW产线投产366投资建议377风险提示38图表目录图表1钙钛矿太阳能电池产业链图谱4图表2有机-无机杂化的钙钛矿材料晶体结构5图表3钙钛矿太阳能电池发电原理以反式结构为例6图表4钙钛矿电池历史发展进程7图表5钙钛矿晶硅叠层电池转换效率进展8图表6太阳能电池类型9图表7钙钛矿电池类型10图表8钙钛矿电池组件成本构成11图表9不同电池开路电压与带宽的对比12图表10钙钛矿型化合物带隙对比12图表11钙钛矿太阳能电池适用环境13图表12影响钙钛矿太阳能电池稳定性的因素14图表13不同类型太阳能电池光电转换效率和器件面积关系15图表14钙钛矿电池生产流程16请仔细阅读报告尾页的免责声明2综合电力设备商图表15ITOFTOAZO技术参数对比17图表16空穴传输层和电子传输层材料选择概览18图表17POE与EVA对比19图表18丁基胶于其他密封胶水汽透过率对比样品厚度1mm19图表19溅射靶材工作原理20图表20钙钛矿太阳能电池生产流程及相关设备21图表21不同方法制备钙钛矿层示意图湿法22图表22狭缝涂布法和刮刀涂布法参数对比22图表23干湿法制备钙钛矿层技术对比23图表24气相辅助溶液法示意图23图表25涂布蒸镀设备相关企业及布局进展24图表26PVDALD技术比较25图表27镀膜设备相关企业及布局进展26图表28激光在各环节应用26图表29激光设备相关企业及布局进展27图表30钙钛矿组件封装方式28图表31封装设备相关企业及布局进展28图表32钙钛矿太阳能电池领域相关政策会议及内容30图表33钙钛矿太阳能电池企业融资进展31图表34钙钛矿电池企业梳理不完全统计33图表35协鑫光电发展进程及产能规划34图表36纤纳光电发展进程及产能规划35图表37极电光能发展进程及产能规划36图表38仁烁光能发展进程及产能规划37图表39核心标的估值表Wind一致预期38请仔细阅读报告尾页的免责声明3综合电力设备商1引言光伏发电已进入了平价时代下一步即是向光储平价时代迈进在这个过程中行业降本增效的诉求更为强烈实现降本增效的主要路径即是在制造端不断进行技术迭代我们认为把握新技术发展为光伏行业主要推荐投资主线之一目前太阳能电池技术正在从传统P型PERC电池向TOPConHJTxBC等N型技术过渡更远期来看从效率来看晶硅电池理论极限转换效率为2943单结叠层钙钛矿电池理论转换效率将达到3345钙钛矿电池具有更大的效率提升潜力从成本来看在原材料成本低能耗低生产效率高等助力下大规模量产后的钙钛矿组件生产成本仅为晶硅组件极限成本的50钙钛矿电池的发展有望推动行业进一步降本增效向光储平价时代迈进钙钛矿电池产业目前仍处于从0到1的阶段但产业化进程正在不断提速今年多家企业百兆瓦产线落地投产预计GW级设备招标有望在年内启动GW级产线有望在明后年落地从投资角度来看我们认为钙钛矿主题有望受到持续关注相关设备及核心辅材将率先迎来投资机遇图表1钙钛矿太阳能电池产业链图谱资料来源各公司公告东亚前海证券研究所2简介第三代新型太阳能电池转换效率飞速提升21定义及原理钙钛矿指具有ABX3型化学组成的化合物发电原理基于光生伏特效应钙钛矿诞生于1839年广义钙钛矿指具有ABX3型化学组成的化合物1839年钙钛矿Perovskite被俄罗斯科学家发现并以其名字来命名1978年Weber将甲铵离子引入晶体中便形成了具有三维结构的有机-无机杂请仔细阅读报告尾页的免责声明4综合电力设备商化钙钛矿材料为钙钛矿太阳能电池的重要原材料钙钛矿太阳能电池是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广义的钙钛矿是指具有ABX3型的化学组成的化合物其中AAPb2NaSn2Sr2KCa2Ba2等是大半径的阳离子BBTi4Mn4Zr4Fe3Ta5等是小半径的阳离子XXF-Cl-Br-I-O2-等为阴离子ABX3有机-无机杂化钙钛矿材料更适用于光伏领域其具有三维结构在众多钙钛矿材料类型里具有高介电常数的BaTiO3或一些金属氧化物钙钛矿如PbTiO3SrTiO3BiFeO3等吸光能力较差在收集自由电荷方面效率较低不适用于光伏领域相比之下Weber首次发现的具有三维结构的有机-无机杂化钙钛矿材料具有合成方法简单光电性能优异等优势更适用于光伏领域从钙钛矿材料具体形态结构来看典型的ABX3有机-无机钙钛矿材料中A位为有机阳离子如甲铵离子甲脒离子占据了正方体的八个定点B位为二价金属阳离子如Pb2Sn2等处于正方体的体心X是卤素离子如Br-I-和Cl-占据了面心目前较为常见的钙钛矿太阳能电池原材料为碘铅甲胺MAPbI3图表2有机-无机杂化的钙钛矿材料晶体结构资料来源低成本制备高效率钙钛矿太阳能电池的研究东亚前海证券研究所钙钛矿太阳能电池发电原理基于光生伏特效应利用电子和空穴对产生电流钙钛矿太阳能电池是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其工作基于半导体的光生伏特效应即在光照条件下钙钛矿材料内部处于发射区势垒区和基区的价带电子会吸收入射光子的能量而跃迁至导带从而产生电子-空穴对具体来看当钙钛矿层受到光照后内部激子发生分离产生电子和空穴对电子通过电子传输层导出空穴通过空穴传输层导出当器件外加负载便能够形成完整的回路请仔细阅读报告尾页的免责声明5综合电力设备商图表3钙钛矿太阳能电池发电原理以反式结构为例资料来源低成本制备高效率钙钛矿太阳能电池的研究东亚前海证券研究所22发展历程诞生十余年单结转换效率从38跃升至257钙钛矿太阳能电池诞生十余年单结转换效率从38跃升至257从钙钛矿太阳能电池的发展历程来看2009年日本科学家Kojima和Miyasaka将钙钛矿这种材料应用到染料敏化太阳能电池中并实现了38的光电转换效率钙钛矿太阳能电池正式诞生2012年研究小组使用固态spiro-OMeTAD作为空穴传输层以替代传统的液体电解质并制备出全固态钙钛矿太阳能电池转换效率达到97同年转换效率首次超过10自此实现了钙钛矿电池的固态化2013-2015年得益于两步沉积法氧化铝取代二氧化钛采用阳离子交换等途径钙钛矿太阳能电池转换效率相继突破15和20随后5年内转换效率平均每年提升1-15pct2019年实现了25的突破目前单结钙钛矿电池转换效率记录为257由韩国Seok团队于2021年创造钙钛矿太阳能电池诞生十余年以来实现了光电转换效率从38到257不考虑叠层的快速提升效率爬坡进展亮眼从理论极限效率来看单结钙钛矿太阳能电池最高转换效率有望达到33超过晶硅电池294的极限效率请仔细阅读报告尾页的免责声明6综合电力设备商图表4钙钛矿电池历史发展进程年份进展1839钙钛矿被俄罗斯科学家发现后以其名字命名Perovskite1978Weber将甲铵离子引入晶体中形成了具有三维结构的有机-无机杂化钙钛矿材料日本科学家Kojima和Miyasaka将钙钛矿这种材料应用到染料敏化太阳能电池中转换效率达到200938Park小组使用固态spiro-OMeTAD作为空穴传输层以替代传统的液体电解质并制备出全固态钙钛2012矿太阳能电池转换效率达到97同年转换效率首次突破10染料敏化太阳能电池之父MichaelGrtzel与其合作者提出在多孔金属氧化物膜内形成钙钛矿染料2013的两步沉积方法使用该方法制备的固态介孔钙钛矿太阳能电池实现约15光电转换效率同年HenrySnaith等采用氧化铝取代二氧化钛取得154转换效率加州大学YangYang等通过改进钙钛矿光吸收层选择更适合的电子传输材料进一步将电池转2014换效率提升至1932015SangIISeok等通过采用阳离子交换的方法将电池效率提升至202Grtzel小组将无机铯离子Cs添加进甲脒和甲基铵混合的钙钛矿之中所制备的三阳离子钙2016钛矿热稳定性更高相杂质更少对加工条件的敏感性更低最终的器件获得了211的光电转换效率SangIISeok等通过引入碘三离子修复钙钛矿缺陷结合两步法旋涂成膜将钙钛矿太阳能电池效2017率记录提升至221中国科学院半导体研究所的游经碧小组在FA-MA混合钙钛矿薄膜上使用有机卤化盐苯乙基碘2018化铵PEAI进行表面缺陷钝化将钙钛矿太阳能电池的认证效率提高至233随后又制备出237的电池器件美国麻省理工学院和韩国化学技术研究所通过增强电荷载体管理来提高性能联合创造了2522019的效率记录韩国蔚山科技大学的Seok小组通过使用Cl-SnO2以及含氯的钙钛矿前驱体在SnO2电子传输层2021和卤化物钙钛矿光吸收层之间形成中间层增强钙钛矿层的电荷提取和传输并减少界面缺陷此种方法制备将单结钙钛矿太阳能电池的效率记录改写为2576月经国际权威机构JET第三方认证南京大学谭海仁及其科研团队研制的全钙钛矿叠层电池2022稳态光电转换效率高达28012月经日本JET第三方认证仁烁光能团队研发的全钙钛矿叠层电池稳态光电转换效率达到290资料来源钙钛矿太阳能电池及其空穴传输研究综述低成本制备高效率钙钛矿太阳能电池的研究高效钙钛矿太阳能电池的制备与性能研究新型钙钛矿太阳能电池研究进展及面临的问题东亚前海证券研究所钙钛矿叠层电池实验室最高转换效率高达325理论极限效率为45钙钛矿钙钛矿钙钛矿晶硅钙钛矿薄膜等叠层电池为当前研发的热点之一构建叠层电池能大幅提升光电转换效率具体来看钙钛矿电池的光谱响应范围在300800纳米即可见光波段而晶硅电池铜铟镓硒CIGS等薄膜电池可以吸收利用红外光因此将钙钛矿电池和晶硅CIGS等电池组成叠层电池能够充分利用各波段的光照获得更高的光电转换效率从最高转换效率来看全钙钛矿叠层电池最高转换效率达29由仁烁光能团队于2022年研发钙钛矿晶硅叠层电池最高转换效率记录为325由德国柏林亥姆霍兹中心HZB的科学家于2022年创造钙钛矿薄膜叠层最高转换效率为2416由美国国家可再生能源实验室于2020年研发从理论极限效率来看叠层电池的理论转换效率可达45请仔细阅读报告尾页的免责声明7综合电力设备商图表5钙钛矿晶硅叠层电池转换效率进展资料来源NERL东亚前海证券研究所23分类及结构第三代新型太阳能电池反式平面型为较常见结构钙钛矿太阳能电池属于第三代新型电池未来发展潜力巨大太阳能电池可以分为以下三类1第一代晶硅电池包括多晶硅单晶硅电池目前技术成熟度和商业化进程均位居各类太阳能电池之首但该类别电池仍具有难以解决的问题例如其制备依赖于高纯度的硅料高纯度硅料价格昂贵叠加硅基电池制备及封装工艺繁琐2第二代化合物薄膜电池包括铜铟镓硒太阳能电池CIGS碲化镉薄膜太阳能电池GdTe砷化镓太阳能电池GaAs磷化铟太阳能电池InP等该类电池较晶硅电池具有转换效率高和质量轻等优点但该类电池的的活性层含有部分稀有元素和重金属元素价格昂贵且难以实现大规模量产3第三代新型电池包括钙钛矿太阳能电池PSC染料敏化太阳能电池DSSC有机太阳能电池OSC量子点太阳能电池等该类电池具有原料无毒且储量丰富成本低工艺简单且可柔性制备等优点产业化发展潜力巨大目前发展仍处于中试线阶段请仔细阅读报告尾页的免责声明8综合电力设备商图表6太阳能电池类型资料来源低成本制备高效率钙钛矿太阳能电池的研究东亚前海证券研究所钙钛矿太阳能电池根据电荷传输方向不同分为n-i-p型正式结构和p-i-n型反式结构根据传输层结构不同分为介孔结构和平面结构具体来看1n-i-p介孔型此结构从下到上分别是透明导电基底致密的TiO2电子传输层TiO2介孔层钙钛矿层空穴传输层和金属电极早期的钙钛矿太阳能电池多采用此结构但该结构中空穴传输材料会填充在TiO2介孔层和钙钛矿形成的孔洞中导致有电子传输能力的TiO2颗粒与空穴传输层材料接触最终致使开路电压下降叠加该类电池需要经过高温烧结耗能严重且不利于产业化布局该类电池的企业包括万度光能2n-i-p平面型又名正式平面结构此结构从下至上分别是透明导电基底n型电子传输层钙钛矿层p型空穴传输层和金属电极与介孔结构相比平面型结构具有制备工艺简单开路电压更高等优势3p-i-n平面型又名反式平面结构此结构从下至上分别是透明导电基底p型空穴传输层钙钛矿层n型电子传输层和金属电极该类结构制备工艺简单可低温制备成本低可用于钙钛矿叠层器件的制备且迟滞现象几乎可以忽略但具有效率不高的缺点布局该类电池的企业包括协鑫光电极电光能等目前反式平面结构为钙钛矿电池产业化进程中较为主流的选择请仔细阅读报告尾页的免责声明9综合电力设备商图表7钙钛矿电池类型资料来源钙钛矿太阳能电池及其空穴传输研究综述东亚前海证券研究所3优点及产业化痛点降本增效为最主要优势仍存在稳定性差和大面积效率下降的挑战31优点成本低转换效率高应用场景广泛钙钛矿太阳能电池具有成本低的优势钙钛矿组件成本是晶硅组件极限成本的50钙钛矿太阳能电池具有成本低的显著优势其低成本主要表现在1原材料成本较低a钙钛矿层原材料均为基础化工材料储量较丰富且价格较低b原材料用量少钙钛矿层厚度仅有500nm左右单晶硅电池硅片平均厚度在150微米c钙钛矿材料对于提纯要求不高对比硅基太阳能电池必须使用999999高纯硅太阳能级钙钛矿材料纯度要求95以上即可2制备过程可低温进行能耗较低钙钛矿电池可以采用溶液法制备生产工艺流程温度不超过150而晶硅材料的铸锭和拉晶都需要1500以上高温生产能耗差距较大每瓦单晶组件制造的能耗约是152KWh而每瓦钙钛矿组件能耗约为012KWh单瓦能耗只有晶硅的1103生产效率高钙钛矿电池从原材料到最后的组件制备整个生产流程仅需要约45分钟生产效率大幅提升从钙钛矿组件成本构成来看钙钛矿占比约为5玻璃靶材等占到另外的23总成本约为05-06元瓦是晶硅组件极限成本的50请仔细阅读报告尾页的免责声明10综合电力设备商图表8钙钛矿电池组件成本构成资料来源能镜公众号东亚前海证券研究所钙钛矿太阳能具有高转换效率和发电量的优势叠层更具效率发展潜力钙钛矿太阳能电池理论极限效率高达33实验室最高效率为257叠层极限效率更是高达45实验室最高效率为29钙钛矿太阳能电池的高转换效率及发电量主要得益于1钙钛矿材料带隙更接近最优带隙Shockley-Queisser限制下单结太阳电池转换效率的理论值最高为337对应带隙134eV传统的铅基钙钛矿材料的禁带宽度在1517eV范围内传统晶硅电池的带隙约为112eV钙钛矿的带隙更为接近最优带隙以CH3NH3PbI3为例钙钛矿薄膜作为直接带隙半导体禁带宽度为155eV电导率为103Sm3载流子迁移率为50cm2Vs吸收系数105消光系数较高几百纳米厚薄膜就可以充分吸收800nm以内的太阳光对蓝光和绿光的吸收明显要强于硅电池且钙钛矿晶体具有近乎完美的结晶度极大地减小了载流子复合增加了载流子扩散长度2带隙可调适合叠层电池的制备叠层电池具有更高的转换效率天花板叠层电池理论极限转换效率高达453钙钛矿的温度系数趋近于0晶硅组件的温度系数是-03左右即温度每上升1度功率下降03而钙钛矿的温度系数为-0001趋近于0故而其实际发电效率显著高于晶硅请仔细阅读报告尾页的免责声明11综合电力设备商图表9不同电池开路电压与带宽的对比图表10钙钛矿型化合物带隙对比资料来源钙钛矿太阳能电池光伏领域的新希望东亚前海证券研资料来源钙钛矿太阳能电池光伏领域的新希望东亚前海证券研究所究所钙钛矿太阳能电池具有轻质和柔性特点下游应用场景广泛钙钛矿太阳能电池下游应用场景广泛主要得益于钙钛矿材料吸光系数大厚度较薄就能实现对太阳光的有效利用传统晶硅电池硅片厚度在150微米左右钙钛矿层厚度在500纳米左右钙钛矿材料特性决定了钙钛矿电池的制作可采用轻薄柔性基底轻质和柔性特点使钙钛矿太阳能电池适用于更广泛的应用场景比如BIPV汽车光伏等此外钙钛矿太阳能电池的带隙可调性使其具有室内光伏电池理想的宽带隙将钙钛矿电池的下游应用范围拓展至弱光及室内光伏进而可以广泛应用于工业物联网智能家居和智能出行等领域目前已有相关企业布局该应用领域的研究经国家光伏产业计量测试中心认证广东脉络能源科技有限公司研发的钙钛矿室内光伏电池光电转换效率在1000luxU30光源照射下达到4472为当前世界最高值请仔细阅读报告尾页的免责声明12综合电力设备商图表11钙钛矿太阳能电池适用环境资料来源新华网Sunpower暨南大学新能源技术研究院东亚前海证券研究所32产业化痛点稳定性差导致寿命短大面积制备效率低钙钛矿太阳能电池具有不稳定主要系钙钛矿材料本身和各功能层相互影响所致影响钙钛矿太阳能电池稳定性的因素主要包括1钙钛矿材料本身具有不稳定性决定性因素钙钛矿材料易在水氧气热光等环境作用下加快分解2器件中各功能层空穴传输层电子传输层电极与钙钛矿层易产生相互影响在正式结构中多用TiO2和ZnO等金属氧化物做电子传输层这两种材料在光照下会产生光生空穴并催化分解钙钛矿材料Spiro-OMeTAD是空穴传输层的常用材料其对碘离子比较敏感钙钛矿材料中的碘离子扩散到Spiro-OMeTAD后会降低其电荷传输性能金属顶电极为目前较主流的选择但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且光生伏特效应所形成的内建电场会加剧原子的扩散从而加速分解此外钙钛矿材料中的卤素离子会扩散到金属电极并造成腐蚀从而影响性能任何一个环节材料性能失效都会导致产品性能衰减从而影响电池的稳定性请仔细阅读报告尾页的免责声明13综合电力设备商图表12影响钙钛矿太阳能电池稳定性的因素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东亚前海证券研究所钙钛矿太阳能电池稳定性差致使其寿命较短成为制约产业化的重要因素之一根据太阳能钙钛矿电池技术发展和经济性分析中指出目前钙钛矿电池持续光照实验最长达到10000h若按照全天平均日照时长4h计算理论寿命也只有68年若再考虑到每天实际日照时间会多于4h以及其他日常损耗正常寿命将会小于68年与目前晶硅电池的理论寿命25年相比仍然有很大差距虽然纤纳光电的组件已顺利通过IEC61215IEC61730稳定性全体系认证经德国电气工程师协会VDE权威认证行业内仍缺少更多数据的佐证终端客户对寿命的顾虑未完全消除钙钛矿太阳能电池大面积制备效率低存在效率与面积不可兼得的问题目前实现较高转换效率的钙钛矿电池均是较小的实验室尺寸小于1平方厘米单结钙钛矿太阳能电池转换效率记录257实现于01平方厘米的尺寸商业化尺寸电池目前平均转换效率在16左右电池面积增加时必然会导致转换效率下降晶硅碲化镉薄膜染料敏化太阳能电池和有机太阳能电池的器件面积每增加一个数量级其转换效率大约下降08而钙钛矿太阳能电池转换效率下降幅度更大主要原因系1制备大面积钙钛矿薄膜时由制备工艺的局限性导致钙钛矿薄膜均匀性变差孔洞增加缺陷增多实验室制备钙钛矿薄膜主要采用溶液旋涂法该方法中反溶剂的使用量是影响钙钛矿层质量的关键因素之一且本身具有边缘效应会导致钙钛矿薄膜的厚度不均匀2尺寸增大时电池的非光活性死区栅线区刻蚀区面积增大使得有效光照面积减小进而导致组件短路电流密度减小3与串并联结构设计和组件工艺相关导致组件串联电阻增大转换效率降低请仔细阅读报告尾页的免责声明14综合电力设备商图表13不同类型太阳能电池光电转换效率和器件面积关系资料来源大面积钙钛矿薄膜制备技术的研究进展东亚前海证券研究所4生产流程材料技术和设备生产效率较晶硅电池大幅提升材料技术和设备均未定型41生产流程制作过程仅需45分钟可在单一工厂完成钙钛矿太阳能电池生产效率较高完整的生产流程仅需45分钟以反式结构为例单结钙钛矿太阳能电池生产流程大致可以概括为以下环节TCO层制备P1激光划线空穴传输层沉积钙钛矿层沉积电子传输层沉积P2激光划线电极制作P3激光划线P4激光清边组件封装与测试值得注意的是钙钛矿太阳能电池具有更高的生产效率从玻璃靶材化工材料胶膜等原材料的进入到组件成型整个生产流程仅需45分钟左右相较于传统晶硅组件制作时间大约3天大幅缩短且钙钛矿太阳能组件的制备可以在单一工厂完成晶硅组件则需要流转四个工厂硅料厂硅片厂电池片厂组件厂请仔细阅读报告尾页的免责声明15综合电力设备商图表14钙钛矿电池生产流程资料来源协鑫光电东亚前海证券研究所42材料端电子和空穴传输层分为有机和无机材料体系催生丁基胶和POE需求421功能层材料电池材料选择未定型分为有机和无机材料体系电池材料选择未定型电子和空穴传输层分为有机和无机材料体系钙钛矿太阳能电池产业还处于0-1阶段其技术路线和材料选择均未定型从各功能层材料选择层面来看TCO层透明导电基底TCO是在平板玻璃表面通过物理或者化学镀膜的方法均匀地镀上一层透明的导电氧化物薄膜它位于器件最底端是太阳光和载流子传输的重要部件需要具备高透光率和高导电率的特征常见的透明导电玻璃材料包括铟锡氧化物ITO氟锡氧化物FTO和铝掺杂的氧化锌AZOITO薄膜应用最早具有导电性好膜层牢固等优点但原材料铟为稀有元素故而价格较高FTO薄膜导电率略逊于ITO薄膜但成本相对较低且化学和力学抵抗性好AZO薄膜光电性能已与ITO薄膜相当且原材料易得故而成本相对较低性价比优于ITO薄膜但存在镀膜后不能钢化且耐候性较差的问题目前产业化应用尚未成熟从导电率角度来看三种材料的排序为ITOAZOFTO从化学耐久性角度来看三种材料的排序为FTOITOAZO从硬度角度来看三种材料的排序为FTOITOAZO请仔细阅读报告尾页的免责声明16综合电力设备商图表15ITOFTOAZO技术参数对比优点缺点ITO电导率高膜层牢固基板尺寸小有毒铟为稀有元素价格高FTO膜层硬化学和力学抵抗性好方阻大透过率偏低AZO原料易得制造成本低无毒易掺杂性能指标好膜层软镀膜后不能钢化刻蚀后存放时间短资料来源TCO玻璃的应用及制备方法东亚前海证券研究所空穴传输层良好的空穴传输材料需要符合以下条件1较高的空穴迁移率2较好的疏水性可以有效阻挡水汽3能采用溶液法制备符合实际应用需要4其物理性质必须与钙钛矿匹配具有与钙钛矿吸光层匹配的能级空穴传输层材料可以分为有机材料和无机材料常用的有机材料包括Spiro-OMeTAD多用于正式结构PTAAPEDOTPSS多用于反式结构等常用的无机材料多用于反式结构包括氧化镍碘化亚铜等无机材料较有机材料具有化学稳定性强空穴迁移率高制备成本低易于合成等优势但无机材料通常需要高温烧结且与柔性衬底不兼容此外根据目前披露的电池效率来看采用无机材料制作空穴传输层的电池效率不及采用有机材料制作空穴传输层的电池效率钙钛矿层广义钙钛矿指ABX3型化合物在典型的ABX3有机-无机钙钛矿材料中A位为有机阳离子如甲铵离子甲脒离子B位为二价金属阳离子如Pb2Sn2等X是卤素离子如Br-I-和Cl-目前较为常见的钙钛矿太阳能电池原材料为碘铅甲胺MAPbI3电子传输层常见的电子传输材料包括二氧化钛TiO2氧化锌ZnO二氧化锡SnO2等金属氧化物有机体系包括富勒烯C60及其衍生物其中二氧化钛为最早诞生也是目前为止应用最广泛的电子传输层材料主要得益于其具有能级合适粒径可控和较长的电子寿命的优势有机电子传输层在钙钛矿太阳能电池中应用的种类并不多常见的是C60及其衍生物应用在反式结构中采用有机材料C60及其衍生物制备电子传输层的器件具有稳定性强和转换效率高等优势但同时具有价格昂贵的劣势请仔细阅读报告尾页的免责声明17综合电力设备商图表16空穴传输层和电子传输层材料选择概览资料来源低成本制备高效率钙钛矿太阳能电池的研究东亚前海证券研究所顶电极顶电极对于钙钛矿太阳能电池中的电荷收集起着至关重要的作用良好的顶电极材料能够改善器件的光电性能和长期稳定性其材料选择主要包括金属AgAu等和非金属碳等其中金属顶电极具有更高的光电转换效率但金属顶电极成本较高制备需要高温高真空的蒸镀工艺且光吸收能力和长期稳定性有待提高碳材料具有来源丰富成本低导电性好化学稳定性好等优势且碳材料的功函数与金的功函数相似使得碳材料成为制作顶电极的理想选择之一使用碳材料制作的顶电极材料成本低稳定性好但导电率明显不及金属顶电极422辅材钙钛矿组件对水汽隔离要求高催生丁基胶和POE胶膜需求POE胶膜具有较强的水汽阻隔能力和抗老化的优势在钙钛矿太阳能电池中的渗透率为100POE胶膜较EVA胶膜主要具有以下优势1POE属于非极性材料故具有优异的水汽阻隔能力根据福斯特公司公告POE胶膜水汽透过率仅是EVA胶膜的1102POE分子链结构稳定老化过程中不会分解产生酸性物质故具有较强的抗老化能力根据CPIA2022年POE胶膜和EPEEVA-POE-EVA共挤型胶膜在晶硅组件中的市场份额占比达349广泛应用于双玻组件和N型组件钙钛矿组件将催生对POE胶膜的需求晶硅电池封装中的主流选择EVA胶膜不适用于钙钛矿组件的封装主要原因系钙钛矿材料遇到水汽等会加速分解叠加EVA降解产生醋酸从而影响到钙钛矿活性层性能请仔细阅读报告尾页的免责声明18综合电力设备商图表17POE与EVA对比资料来源POE胶膜关键指标对双玻组件的影响东亚前海证券研究所丁基胶较硅胶具有更低的水汽透过率是钙钛矿组件封装的优质选择目前晶硅组件常用的铝边框和硅胶密封可以有效阻挡液态水但不能阻挡水汽分子故不再适用于钙钛矿组件的封装丁基材料的水汽透过率低根据赛伍技术在HJT创新技术成果大会中披露光伏硅胶水汽透过率为84克每平方米每天而丁基胶水汽透过率仅为025克每平方米每天使用丁基材料替代硅胶形成组件封装可以大大下降水汽透过率以保证组件的发电稳定性对于钙钛矿组件等对水汽隔离要求较高的组件采用丁基胶封装是较好的选择图表18丁基胶于其他密封胶水汽透过率对比样品厚度1mm资料来源HJT创新技术成果分享会赛伍技术分享东亚前海证券研究所钙钛矿电池TCO层激发ITO靶材增量需求靶材占比钙钛矿组件成本高靶材是镀膜的核心原材料在溅射工艺中起到的作用是溅射工艺利用离子源产生的离子在高真空中经过加速聚集而形成高速度能的离子束流轰击固体表面离子和固体表面原子发生动能交换使固体表面的原子离开固体并沉积在基底表面被轰击的固体即是溅射靶材靶材应请仔细阅读报告尾页的免责声明19综合电力设备商用领域包括超大规模集成电路芯片液晶面板薄膜太阳能电池制造的物理气相沉积PVD工艺步骤下游涉及半导体平板显示器和太阳能电池等行业靶材在钙钛矿太阳能电池中的应用主要包括TCO层空穴传输层电子传输层和顶电极制备环节TCO层的存在激发了ITO靶材的增量需求目前靶材行业仍被美日等企业垄断应用于钙钛矿电池的靶材供应商主要包括隆化科技和阿石创从协鑫百兆瓦产线的钙钛矿组件成本组成来看靶材是最主要的成本构成成本占比37图表19溅射靶材工作原理资料来源江丰电子招股说明书东亚前海证券研究所43设备端不同技术路线催生不同的设备需求镀膜设备价值量占比最高技术路线和设备选择未定型核心设备包括镀膜涂布和激光设备钙钛矿太阳能电池产业还处于0-1阶段其技术路线和材料选择均未定型从技术路线选择层面来看以反式结构为例空穴传输层制备主要技术路线为PVD包括磁控溅射和蒸镀电子传输层主要技术路线包括PVD磁控溅射RPDALD电极主要技术路线为PVD包括磁控溅射和蒸镀钙钛矿层可供选择的主流工艺路线包括狭缝涂布和真空蒸镀目前狭缝涂布为较主流的技术路线钙钛矿太阳能组件生产过程中的核心设备包括镀膜设备PVDRPDALD涂布设备和激光设备其他设备包括前道清洗设备封装设备等相关环节涉及的设备选择和相关厂商详见下图请仔细阅读报告尾页的免责声明20