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钙钛矿光伏电池革新性潜力大，产业化进行时李航证券分析师邱迪证券分析师彭若恒证券分析师 S0350521120006 S0350522010002 S0350522040003 lih11ghzq.com.cn qiudghzq.com.cn pengrhghzq.com.cn 证券研究报告 2023年 09月 03日电力设备请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明 2 沪深 300表现表现 1M 3M 12M 电力设备 -7.6 -6.9 -25.3 沪深 300 -5.2 -0.4 -6.2 最近一年走势相关报告行业研究 HJT深度 1降银推动量产箭在弦上，铜电镀接力增效蓄势待发链（推荐） *电气设备 *李航 2022-08-23 -0.2752 -0.2081 -0.1411 -0.0740 -0.0070 0.0601 电力设备沪深 300 请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明 3 重点关注公司及盈利预测重点公司代码股票名称 2023/09/01 EPS PE 投资评级股价 2022 2023E 2024E 2022 2023E 2024E 601012.SH 隆基绿能 26.58 1.95 2.48 3.07 22.2 10.7 8.7 未评级 688223.SH 晶科能源 10.77 0.29 0.74 0.94 94.4 14.5 11.5 未评级 002459.SZ 晶澳科技 27.75 2.35 2.86 3.64 45.1 9.7 7.6 买入 688599.SH 天合光能 33.61 1.69 3.46 4.60 40.5 9.7 7.3 未评级 600438.SH 通威股份 32.16 5.71 4.20 3.58 17.6 7.7 9.0 买入 688472.SH 阿特斯 15.19 0.70 1.20 1.60 1601.4 12.7 9.5 未评级 300118.SZ 东方日升 20.01 1.06 1.70 2.30 23.42 11.19 8.29 买入 000821.SZ 京山轻机 17.69 0.49 0.71 0.93 33.47 23.28 17.74 买入 688378.SH 奥来德 41.52 1.10 1.33 1.90 45.4 31.86 22.30 买入 688170.SH 德龙激光 37.50 0.65 0.88 1.36 44.2 42.8 27.6 未评级 300724.SZ 捷佳伟创 87.60 3.01 4.98 7.04 37.88 17.80 12.58 买入 301325.SZ 曼恩斯特 96.81 2.26 3.03 4.86 122.1 31.9 19.9 未评级 600586.SH 金晶科技 7.33 0.25 0.45 0.61 8.0 16.2 11.9 未评级资料来源 Wind资讯，国海证券研究所补充注释未评级的标的盈利预测来自万得一致预期请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明 4 ◆ 1、钙钛矿电池是发展迅速的第三代太阳能电池，革新材料体系带来优异性能特点。钙钛矿是一类离子化合物晶体，作为太能电池的半导体吸光材料具有带隙范围宽且连续可调、吸光能力强等优异特性，因此在电池理论转换效率和发电能力方面皆高于主流晶硅材料电池，钙钛矿电池的材料体系十分丰富，也可以用作叠层电池以更大程度的利用太阳光谱能量，达到 40以上的转换效率。 ◆ 2、钙钛矿电池在效率、材料、制造端的先天优势带来很高的产业化潜力，但稳定性和大面积制作方面的核心挑战待解决。钙钛矿电池具有很高的产业化潜力，一方面高电池转换效率和高发电量增益是推动光伏发电系统的度电成本 LCOE 降低的核心因素，另一方面钙钛矿电池在生产端原材料十分易得，获取成本低廉，同时其制造环节少、工艺简短、能耗低，因此未来在综合成本经济性上有望超越晶硅电池。当前钙钛矿电池的使用寿命还受限于稳定性，大面积制造后也存在远低于理想效率的问题，不过目前有诸多手段正处于研究进程中，有望解决这两大问题。此外， BIPV等新兴运用场景也有利于发挥钙钛矿电池外观丰富的优势并规避稳定性等问题，有望成为其产业化的桥梁。 ◆ 3、钙钛矿电池的规模化量产制造已形成一定方案，但核心环节仍有多种技术路线竞争中持续发展。单结钙钛矿电池与组件的制造呈现“一体化”特点，在核心的前道电池制造工序中，膜层制作质量是电池性能的关键，大致可分为以夹缝涂布为代表的“湿法”和以蒸镀、 PVD、 RPD为代表的“干法”，适用于不同的功能层制作和所用材料，总体各有优劣且不断发展成熟，激光刻线则是比较固定的工艺。此外，“两端”叠层电池两个子电池上下为一体，“四端”叠层电池两个子电池分别制作独立运行，两者的制作方法和难点也有所不同。核心提要请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明 5 核心提要 ◆ 4、当前钙钛矿电池行业已经涌现出一批优秀的新兴企业，传统晶硅电池企业也在着力进行技术布局。国内协鑫光电、纤纳光电、极电光能等新兴钙钛矿电池企业近年来发展迅速，凭借良好的研发团队实力在电池转化效率方面屡创世界纪录，多种类型的产品已经在量产过程中，也已经有商业化的应用出现。在资本加持下，业内已有数条百兆瓦级钙钛矿电池产线建立，随技术持续进步和验证， GW级产线也有望在接下来几年时间里放量。隆基、晶科、通威等传统晶硅电池企业也在积极布局钙钛矿技术，以叠层电池为主要方向，为下一次产品的重大迭代升级做准备。 ◆ 5、设备、材料端已有诸多国内企业布局，把握“从 0到 1”过程中的先发红利。对于镀膜、涂布、激光等核心环节，已有不少国内领先企业能提供性能优良的主要设备，在一些领域打破国外企业垄断，同时在镀膜玻璃、靶材等核心材料也有国内企业实现了良好布局，在钙钛矿技术从实验室走向产业化过程中有望凭借先发优势率先受益。 ◆ 6、风险提示技术进展不及预期、光伏行业需求波动、海外政策影响、其他能源竞争力加强、宏观经济下行影响行业整体发展、数据测算和预测假设存在主观性。请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明 6 6 一、钙钛矿电池革新材料结构，优异性能特点 1.1 钙钛矿电池发展迅速的第三代太阳能电池 1.2 钙钛矿晶体离子化合物半导体，优异吸光性能 1.3 发电原理光生载流子实现分离，可调带隙打破晶硅效率上限 1.4 电池结构五层基本构造，可叠层制作多节电池请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明 7 1.1钙钛矿电池发展迅速的第三代太阳能电池 ◆ 钙钛矿为第三代太阳能电池代表过去在 60多年的时间里，已经有三代太阳能电池发展出来。第一代是以硅材料为基本材料的太阳能电池，是目前最成熟的主流商业电池；第二代是薄膜太阳能电池，以铜铟镓硒 CIGS、碲化镉 CdTe电池为代表，相比第一代具有厚度薄、光电转化效率高等的优势，但部分因素也限制了这类电池的发展，如部分材料储量稀少或有毒性，制备过程复杂等；第三代为新型太阳能电池，主要包括钙钛矿太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池和量子点太阳能电池。 ◆ 诸多优异特性，从诞生起备受关注，成为产业界和学术界热点钙钛矿电池在 2009年才首次诞生，但因其在理论转换效率、发电能力、低生产成本、多应用场景等方面的优秀潜力，在学术界和产业界受到了大量的关注和重视。从 2021年到 2022年，钙钛矿领域投资额已经接近 100 亿元。在之前的几年中，据 Web of Science统计，其上的钙钛矿文章的数量增加到了惊人的 10000篇 /每年。图表太阳能电池发展历程资料来源东方富海，国海证券研究所请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明 8 1.2 钙钛矿晶体离子化合物半导体，优异吸光性能 ◆ 钙钛矿材料是一大类具有 ABX3结构离子化合物的统称。钙钛矿最初指代 CaTiO3矿物，以俄罗斯矿物学家 Perovski 的名字命名，现在已经成为一大类具有 ABX3类似结构化合物的统称。从晶体结构来看， A位阳离子占据正方体的八个顶点，阴离子 X 填充在晶格 6 个面的中心位置，而 B位阳离子则位于正方体晶格的体心位置，其中 BX3又构成了一个正八面体。 ◆ 光伏领域钙钛矿材料一般为有机无机卤化物钙钛矿材料。 1） A位为正一价的有机或无机阳离子，主要为甲胺离子（ CH3NH2，简记 MA）、甲脒离子（ CHNH22，简记 FA）和金属铯离子（ Cs）， 2） B位为正二价的金属离子，包括亚铅离子（ Pb2）、亚锡离子（ Sn2）和亚锗离子（ Ge2）等， 3） X位为负一价的卤素阴离子，主要为碘离子（ I-），溴离子（ Br-），氯离子（ Cl-）。 ◆ 钙钛矿材料用于制作太阳能电池具备优异的光电性能。钙钛矿材料作为一种半导体材料，不仅可以通过光生伏特效应将光能转化为电能，还具有独特性能 1）载流子扩散长度长，激子结合能低，更容易解离为自由载流子，有利于形成有效光电流， 2）光吸收系数高，钙钛矿为直接带隙半导体光吸收系数比硅高出很多，有效减小了吸光层所需的厚度和收集光生载流子的难度， 3）非辐射复合低，钙钛矿晶粒的大小和晶界在一定范围内对缺陷密度的影响不是很大，有利于高开压和高效率。图表钙钛矿晶体结构示意图资料来源低成本制备高效率太阳能电池的研究吕凤， Researchgate 图表钙钛矿材料高吸光系数请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明 9 1.3 发电原理光生载流子实现分离，可调带隙打破晶硅效率上限 ◆ 钙钛矿电池通过光生载流子的分离实现对外发电。对于半导体材料，原子周围的价电子吸收光子能量后可以发生跃迁，同时产生空穴，形成光生载流子对（电子 -空穴对），当两种自由移动的载流子分别被连接至外部电路的正负电极收集，便能实现对外发电。 ◆ 钙钛矿电池发电原理可分为三步 ➢ 1）光吸收与激子产生太阳光照射进钙钛矿吸光材料，能量大于钙钛矿带隙的光子能将钙钛矿价带的电子激发，使其进入导带，并在价带产生一个空穴，这对电子和空穴以库仑相互作用束缚在一起，共同运动，称为激子。 ➢ 2）载流子分离与输运激子在热能的作用下解离成为自由的电子和空穴，钙钛矿材料中离子迁移能屏蔽器件内部电场，因而在钙钛矿层的大部分区域中，解离的电子和空穴以无规则热运动的形式进行扩散并输运至与空穴传输层（ HTL）和电子传输层（ ETL）界面处。 ➢ 2）载流子抽取和收集 ETL的导带低于钙钛矿层的导带，价带也低于钙钛矿层的价带，能选择性抽取电子而阻挡空穴， HTL则相反，从而实现电子和空穴的选择性抽取。电子和空穴进入各自的传输层中后，经过输运被两侧电极收集，与外电路连通即有电流产生。图表钙钛矿太阳能电池发电原理资料来源大正微纳官网，钙钛矿太阳能电池中的缓冲层研究进展陈永亮 , 唐亚文 , 陈沛润 , 张力 , 刘琪 , 赵颖 , 黄茜 , 张晓丹请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明 10 1.3 工作原理光生载流子实现分离，可调带隙打破晶硅效率上限 ◆ 钙钛矿材料带隙根据组分的不同可在较大的范围内连续调节。与硅、砷化镓等拥有固定带隙的半导体材料不同，钙钛矿晶体成分本身具有多样性，因此其禁带宽度也并不固定，而是随 ABX3结构中各元素类型和含量不同而变化，理论范围达 1.15-3.06eV，并能实现连续可调。具体来看，通常 A位阳离子半径越小，钙钛矿材料带隙越大， B位随用 Sn代替 Pb的含量增加，带隙将会减小， X位 Br离子的掺杂则会使得带隙增大。 ◆ 在钙钛矿材料的带隙覆盖范围内，可实现单结太阳能电池最大理论效率。带隙是决定半导体利用太阳光能力的根本因素之一，因为不同频率太阳光的能量不同，窄带隙半导体的电子不能被长波光所激发，宽带隙半导体虽然可利用的光波范围广，但光子能量的利用率低，根据肖克利 -奎瑟极限（ Shockley–Queisser limit），单结太阳能电池的理想带隙应该为 1.4eV，该带隙下降太阳光能量转换为电能的转换效率为 33.7。相比之下，硅的带隙仅为 1.12eV，理论转换效率为 29.4，因此钙钛矿电池在转换效率方面超过晶硅电池。图表不同半导体材料电池的理论转换效率图表太阳光谱与光伏电池吸收范围资料来源 Viridian solar、 Ofweek 请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明 11 1.4 电池结构五层基本构造，可制作叠层多节电池 ◆ 钙钛矿太阳能电池的基本构造为五层“三明治”结构，其中以钙钛矿层为中心，上下两侧为两个传输层，最外侧为两个电极层 ➢ 1）钙钛矿层，吸收光照能量，在内部产生激子（载流子对） ; ➢ 2）电子传输层，将电子高效地向电极传输，并阻挡空穴向外侧电极移动，实现载流子的分离，防止钙钛矿层与电极直接接触内部短路 ; ➢ 3）空穴传输层，将空穴高效地向电极传输，同时阻挡电子向外侧电极移动，实现载流子的分离 ; ➢ 4）电极层，在两侧分别提取电子和空穴，与外部电路相连，面向光照方向一侧为底电极，另一侧为顶电极或背电极。 ➢ 近年来，无空穴 /电子传输层的钙钛矿电池也在逐步被深入研究。 ◆ 电池结构可分为平面正式、平面反式和介孔结构三类。按照钙钛矿薄膜是否在 TiO2介孔支架层上生长，可分为介孔结构和平面结构，前者是钙钛矿电池发展初期最常见结构，按照接受光照方向各层顺序依次为 “底电极 /电子传输层 /钙钛矿层 /空穴传输层 /顶电极”。后期研究者意识到半导体支架并非必要，于是产生了平面结构，其中正式平面结构各功能层顺序与介孔结构一致，可表示为“ n-i-p”，优势是可以达到很高的实验室效率，反式结构中两个传输层顺序对换，表示为“ p-i-n”，其特点是可以在低温条件下完成整个制备流程，且材料结构稳定性更强，是当前产业化研究的重点。图表钙钛矿电池基本结构资料来源艾邦光伏网， MDPI，中科院之声，国海证券研究所请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明 12 1.4 电池结构五层基本构造，可制作叠层多节电池 ◆ 钙钛矿电池各功能层都有相对广泛的可选材料，一般会综合考虑不同要求要求进行搭配。钙钛矿电池可选用的材料体系丰富，各功能层都有不同的材料类型，但为了达到较理想的电池效率，各层之间需要有较好的能级匹配，然后还需要考虑材料的稳定性、成本等因素 ➢ 1）钙钛矿层方面，为了形成基本的稳定结构， A、 B、 X位离子的有效离子半径配比需要满足特定的容忍因子条件，根据 A位是否有机离子可分为有机无机杂化钙钛矿和全无机钙钛矿，前者综合性能良好运用广泛、后者热稳定性好但效率较低， 2）空穴传输层方面，有机小分子 spiro- OMeTAD由于与钙钛矿层良好的能级匹配性而运用广泛， PEDOTPSS等聚合物材料具备良好的成模性与柔性，但高温下不稳定且部分材料制备繁琐成本高， 3）电子传输层方面，石墨烯、 PCBM等有机材料具有良好的能级匹配，但稳定性较差， TiO2、 SnO2等金属氧化物实际使用最为广泛， 4）电极层方面，底电极需要具备透光性，一般采用 ITO、 FTO等 TCO玻璃，顶电极实验室常采用导电性良好的金属 Au ，但价格昂贵，使用 TCO则有利于制作双面发电结构，碳材料因低廉价格和良好的性能，也成为一种良好选择。功能层材料类型代表材料特点钙钛矿吸光层有机无机杂化 CH3NH3PbI3、 HCNH2 PbI3、 CH3NH3SnI3、 FA0.7MA0.3PbI2.55Cl0.45、 FA0.6Cs0.4PbI0.7Br0.33 运用广泛， MA甲醚体系稳定性相对强全无机 CsPbBr3、 CsPbIxBr3-x、 KPbI3、热稳定性优异、但光电转换能量损失较大空穴传输层有机小分子 spiro-OMeTAD 能级可调完全匹配、空穴迁移率较低、价格昂贵聚合物 PEDOTPSS 、 PATT、 TPD 、 NPB 成膜性好、柔性好，但高温不稳定、制备繁琐成本高无机材料 NiO、 CuSCN， Cu2O、 CuO、 CuI、高迁空穴移率、高稳定性、低成本、易于合成、但容易引起高的缺陷态密度电子传输层有机材料石墨烯 C60、富勒烯及衍生物 PCBM、 BCP 适能级良好匹配、溶液处理容易、但成膜粗糙多针孔、环境稳定性和光稳定性较差金属氧化物 TiO2、 SnO2、 ZnO、 CdSe、 Zn2SnO4 不同材料差异较大，包括电子迁移率、工艺复杂度、环境稳定性等、部分材料元素存在毒性电极层金属 Au、 Ag、 Cu 导电性强、贵金属成本高、银与碘可能反应 TCO ITO、 FTO 可透光、成本相对低、导电性稍低碳材料石墨、炭黑、碳纳米管及复合材料价格低、来源广泛、较好能级匹配资料来源光伏技术，基于钙钛矿太阳能电池的界面修饰及稳定性研究陈清华，钙钛矿电池性能优化及稳定性研究王硕等，国海证券研究所图表钙钛矿电池基本结构请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明 13 1.4电池结构通常五层基本构造，可制作叠层电池 ◆ 不同带隙半导体材料构成叠层电池，可以获得超过 40的转换效率。单一半导体材料对太阳光能量的利用能力有限，而不同带隙的材料对太阳光中不同波长部分的利用能力不同，因此如果将两种以上的材料上下叠层放置，把带隙较宽的材料置于上方以主要吸收利用短波长的光，带隙较宽材料置于下方以主要利用长波长的光，则能提升太阳光全光谱的吸收率，更大程度的利用太阳光能量，获得更高的转换效率，根据理论计算，两种材料叠层电池的效率可以达到 40以上。 ◆ 钙钛矿较宽且可调节的带隙是制造电池的良好材料。钙钛矿材料带隙可以达到 1.5eV以上，是作为叠层顶电池的良好选择，可以与晶硅等窄带隙材料进行搭配，另一方面，两种不同带隙的钙钛矿材料也能相互结合，制作全钙钛矿叠层电池。资料来源 PVEducation，中国科学技术大学化学与材料学院图表叠层太阳能电池光利用原理图表晶硅钙钛矿叠层电池量子效率图表两种材料叠层电池理论效率可超 40 请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明 14 二、产业化潜力突出先天优势，核心挑战待解决 2.1 研究端转换效率突破迅速，更强发电能力潜力突出 2.2 生产端材料易得、制造链简短，带来产业化基础优势 2.3 规模量产核心挑战稳定性与大尺寸制作 2.4 技术升级多方面探索，可靠性认证时间检验 2.5 丰富外观带来价值，新应用场景提供产业化桥梁 2.6 国内外政策支持，助力钙钛矿产业化请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明 15 2.1 科研端转换效率突破迅速，更强发电能力潜力突出 ◆ 高理论潜力下，钙钛矿太阳能电池效率进步迅速，研发进展远超晶硅电池。自日本学者 Tsutomu Miyasaka在 2009年第一次将钙钛矿电池制作而成，在过去十多年里钙钛矿电池的效率在科研端进步十分迅速，完成了晶硅电池五十年的突破历程。最初钙钛矿电池的光电转换效率仅 3.8 ，后续随材料、结构、工艺等方面的持续优化，在 3年左右的时间里便将效率记录提升到了 10以上， 6年左右便达到了 20以上。在 2023年 7月，中国学者再次完成重大突破，将单结钙钛矿电池的认证效率记录提升到了 26.1，逼近隆基绿能公司不久前所创造的晶硅电池效率记录 26.81的效率记录。时间电池转换效率 / 研发团队钙钛矿电池效率提升优化步骤 2009 3.8 Tsutomu Miyasaka 将有机 -无机杂化的钙钛矿材料 CH3NH3Pbl3作为吸光层 2011 6.5 Jeong-Hyeok Im 使用量子点钙钛矿太阳电池，优化 TiO2ETL 2012 10.9 Michael M. Lee 将 TiO2替换为 AI2O3 2013 15.4 Mingzhen Liu 蒸镀工艺制备钙钛矿薄膜 2014 17 Norman Pellet 多步进行生长先生长 Pbl2；再生长 CH3NH3l 2014 19.3 Yang Yang 通过 PELE对 ITO透明导电薄膜进行界面修饰 2015 20.1 Sang II Seok 采用阳离子交换 2017 22.1 Sang II Seok 使用两步法旋涂成膜，结合 I3-离子修复钙钛矿缺陷 2018 23.3 Jingbi You 用 PEA阳离子钝化缺陷 2021 25.7 Jin Young Kim 调控 FAPbl3，进行仿卤化阴离子甲酸根掺杂 2021 25.8 UNIST 电子传输层和钙钛矿层之间插入中间层，减少界面缺陷。 2023 26.0 CAS半导体 2023 26.1 Jixian Xu 图表单结钙钛矿电池效率提升历程资料来源 ACS Publications、 PubMed、 Science、 nature、 FPO、 Perovskite-info、 pv magazine - Photovoltaics Markets and Technology索比光伏网、中国科学技术大学等、国海证券研究所请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明 16 2.1 科研端转换效率突破迅速，更强发电能力潜力突出 ◆ 提高转化效率是降低光伏发电产品生产成本和电站发电成本的关键途径。 1）光伏电池的光电转换效率是光伏组件功率的核心决定因素，同样制造成本情况下，提升转换效率可以显著摊薄组件的材料和制作成本， 2）从实际发电成本角度来看，电池转换效率也是组件总发电量的重要决定因素，更高转换效率可以带来度电成本 LCOE的显著摊薄。 ◆ 高弱光响应、低衰减、温度系数接近零，同等转换效率下钙钛矿发电量可高出 10 钙钛矿具备对杂质极高的容忍度和极强的吸光能力，在弱光下也能保持更好的发电功率，同时可以避免晶硅电池中常见的 LIP、 PID和 LeTID等衰减，此外接近于零的温度系数使得钙钛矿电池在较高温度下几乎没有效率损失，因此在实际运行中同等转换效率下的钙钛矿电池可以有明显的发电量增益，或者说达到更高效率晶硅电池的实际发电效果，增幅可达 10 。图表 NREL历年最高效率收录情况图表电池转化效率和实际发电能力对光伏成本的影响资料来源 NREL、 CPIA光伏业协会中国光伏产业发展路线图、 Green Sarawak、中环半导体、晶澳太阳能、国海证券研究所请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明 17 2.2 生产端材料易得、制造链简短，带来产业化基础优势 ◆ 从材料端看，钙钛矿吸光材料的原料广泛常见、易于获取，本身纯度要求低、用量小、成本低廉，其他功能层也有相对经济的选择 ➢ 1）钙钛矿晶体通常使用的甲胺、甲醚等有机盐、金属铅盐和非金属卤素离子等都材料十分常见而广泛存在，容易低成本的获取。 ➢ 2）钙钛矿吸光材料对缺陷相对不敏感，通常达到 90即可制造效率超过 20的电池，相比之下晶硅的电池需要很高纯度的硅单质作为吸光材料，纯度要求至少达到达 99.9999，从硅料开始就需要投入大量成本用于进行提纯工艺。 ➢ 3）钙钛矿的高吸光性能使得制作电池时所需用量很小，膜层厚度不到 500纳米，相比之下晶硅电池所用硅片目前厚度都在 100微米以上，因此 72片晶硅组件的电池所需要消耗的高纯硅原料为 1kg，而相同面积的钙钛矿组件所需钙钛矿材料仅 2g左右。 ➢ 4）传输层方面可以使用性能良好又常见的金属氧化物，如氧化锡 SnO2、电极层方面可以选择已经成熟运用的 FTO玻璃等。 ◆ 从生产端来看，钙钛矿电池组件生产环节少，制造周期短，能耗与碳排低，具备天然的低成本潜力 ➢ 1）钙钛矿电池组件生产具有一体化特征，且不需要专门的提纯工艺，因此可以在集中在一个工厂里的流水线上完成生产，从玻璃、靶材、化工原料进入到组件成型仅需要 45分钟。相比之下，传统的晶硅组件分为硅料、硅片、电池片、组件四个生产环节，需要四个专门的工厂进行生产，即使所有环节无缝对接，也要耗时三天以上才能完成生产。 ➢ 2）在钙钛矿组件的制作过程中，工艺温度不超过 150℃ ，加之工艺流程短，整体能耗很低，每瓦组件耗能仅约 0.23kWh，碳排量也相对小，相比之下晶硅电池生产存在诸多大量耗能的工艺，每瓦组件耗能超过 1kWh 。 ➢ 3）此外，从工厂投资金额来看，钙钛矿电池组件生产在达到一定成熟度后， 1GW产能的投资仅 5亿元左右，而晶硅组件四个环节产能加起来投资接近 10亿元。资料来源赶碳号科技、全球光伏、索比光伏、国海证券研究所请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明 18 2.2 生产端材料易得、制造链简短，带来产业化基础优势电极材料 , 37 玻璃及其他封装材料 , 32 钙钛矿 , 5 能源动力 , 14 固定资产折旧 , 9 人工成本 , 3 ◆ 产业进入成熟阶段后，钙钛矿组件成本预期可降至 0.5-0.6元 /W，极具竞争力按照一般新技术发展规律，随钙钛电池技术的不断成熟和大规模运用，组件的效率、生产良率等都还有提升空间，规模效应下运营成本将不断下降，设备端也有望持续降本，根据协鑫光电此前数据，百兆瓦级钙钛矿产线下组件效率有望在近一两年内陆续突破 18、 20，单瓦生产成本将小于 1元 /W，当钙钛矿电池达到 5-10GW 级别量产后，成本可降至 0.5-0.6元 /W，届时相比晶硅电池就会显示出明显优势。图表钙钛矿、晶硅电池产线投资额对比图表钙钛矿组件成本结构拆分（ 2019年 11月）资料来源赶碳号科技、索比光伏网、国海证券研究所请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明 19 2.3 规模量产核心挑战稳定性与大尺寸制作 ◆ 钙钛矿电池的使用寿命较大程度受制于稳定性，成为产业化主要挑战太阳能电池的发电能力一般会随工作时间的增加而逐步减弱，维持一定的基本转换效率水平的时间就是电池的寿命，在一定的初始成本下，太阳能电池的寿命越长，生命周期累计发电量就越多，度电成本 LCOE也越低。但由于钙钛矿电池的稳定性较差，使用寿命相对比较短，早期仅有几分钟，在过去的报道中一般较长也仅有几千小时，而当下晶硅电池的寿命长达 25年以上，因此稳定性成为钙钛矿电池产业化的主要挑战。 ◆ 钙钛矿电池的不稳定性来源于钙钛矿材料本身的不稳定，以及电池整体材料结构的不稳定，对环境因素十分敏感。钙钛矿晶体属于离子晶体，工作中卤素离子容易发生移动分解，同时还可能与传输层、电极材料发生负面反应，进一步导致电池的分解失效。另一方面，水分、氧气和紫外光都会促进钙钛矿电池的分解，而当温度较高的时候，钙钛矿也会面临分解问题，同时水氧的分解效果将会加强。图表钙钛矿与传统电池平准化成本与寿命之间关系图表钙钛矿电池对环境因素敏感资料来源钙钛矿太阳能电池商业化之路上面临的问题、 ScienceDirect 请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明 20 2.3 规模量产核心挑战稳定性与大尺寸制作 ◆ 钙钛矿电池随制作尺寸的放大，转换效率明显下降，尚难达到商业化普遍应用标准。虽然目前钙钛矿电池在研究层面已达到较高的效率水平，但高效率表现都是在小面积基础上，效率超过 20的电池面积基本要在 100平方厘米以内，随制作面积的放大，电池转换效率会明显下降，超过 1000平方厘米后效率就不太容易达到 18以上。然而光伏组件（钙钛矿组件与电池面积相当）必须要达到一定的尺寸才能有经济性地摊薄系统成本，目前大规模商业化运用的晶硅电池组件面积一般都在 1.6-3.1平方米，因此如何使钙钛矿电池在大面积条件下达到理想效率水平成为产业化的重要挑战。 ◆ 膜层制作工艺是限制钙钛矿电池大面积化的主要因素。高转换效率的钙钛矿电池需要致密、整齐、晶粒大小一致且合适的高质量钙钛矿吸光层。由于钙钛矿结晶时间短，工艺窗口小，当制作尺寸放大后，钙钛矿薄膜容易出现孔洞和厚度不均匀等现象，一些制作工艺也会受到面积限制。此外，由于钙钛矿电池普遍使用 TCO（透明导电氧化物薄膜）收集电流，其方阻较金属电极的方阻要大，尺寸放大后阻抗导致的器件衰减效率较为明显。图表面积与效率关系图图表不同制备方法随面积增大光电转换效率逐渐降低资料来源 SpringerLink、 ResearchGate 请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明 21 2.4 技术升级多方面探索，可靠性认证时间检验 ◆ 制作高效、稳定的大尺寸钙钛矿电池，诸多技术手段在不断探索钙钛矿电池的效率、稳定性和尺寸面积具有较强的关联性，在一定的工艺技术水平下三者往往难以得兼，只能取得一个最优的均衡，为了提升电池经济性，真正实现大规模的产业化，诸多技术手段在不断探索 1）优选材料及组分增强钙钛矿电池稳定性的重要方法，在钙钛矿材料层面可以采用混合有机阳离子，或引入长链有机阳离子形成二维 /三维钙钛矿，提高稳定性，传输层材料方面可以采用如 CuCrO2无机空穴传输材料 2）膜层改善与修饰工程钙钛矿电池各膜层的质量及特性既决定电池效率又能决定其稳定性，也是大尺寸制作的主要痛点，可以通过溶剂工程、界面工程和添加剂工程等方式进行优化提升，具体包括采用反溶剂、增加缓冲层、前驱体溶液使用添加剂等方式，是技术升级的关键手段。 3）提升封装工艺水分和氧气入侵是钙钛矿电池不稳定性一大主要原因，因此可以采用密封性更好的材料和工艺，如氟硅聚合物凝胶。 4）膜层制作新工艺如采用真空闪蒸辅助溶液工艺制作大面积钙钛矿层。膜层改善与修饰方法具体内容溶剂工程 1）溶剂不仅起到溶解溶质的作用，而且还参与钙钛矿的结晶过程，在控制反应速率、形核生长、粗化晶粒等方面起着多重作用， 2）控制溶剂的沸点、蒸气压、路易斯碱度、分子大小和互溶性等性质可以有效改善钙钛矿薄膜性能， 3）采用混合溶剂和反溶剂搭配等方法也有利于改善钙钛矿薄膜形貌，提升转换效率。界面工程 1）钙钛矿层与传输层界面处容易形成非辐射复合中心，降低器件的光电转换效率和稳定性， 2）通过对界面进行处理修饰，如利用多巴胺、碘化处理等方式可以提升电池效率，同时增强稳定性， 3）传输层与钙钛矿层之间增加缓冲层，起到钝化提效和抑制分解提升稳定性的效果。添加剂工程 1）添加剂是优化钙钛矿太阳电池的有效手段，可以是盐、聚合物等，种类多样， 2）在制备钙钛矿层时使用添加剂可以起到调节钙钛矿的结晶和形貌、加速结晶、形成均匀无针孔薄膜等作用， 3）传输层添加剂可以减少电阻提升效率，提高稳定性。图表改善钙钛矿薄膜的优化策略及具体内容图表钙钛矿电池增加缓冲层（上）和添加助剂改善形貌（下）资料来源硅酸盐学报，科学通报、德沪涂膜设备， Journal of Materials Chemistry A、国海证券研究所请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明 22 2.4 技术升级多方面探索，可靠性认证时间检验 ◆ 稳定性测试为钙钛矿技术推广的必要手段，专用标准尚未建立，但现有商业化产品已可通过现有 IEC标准认证。 ➢ 光伏组件要求长达二十年以上稳定可靠的运行，测试是必不可少的检测手段，对于本身不稳定性更突出的钙钛矿组件，如此长时间的运行则是前所未有的挑战，因此更需要通过测试来验证其可靠性，这也是向市场大规模推广的重要基础。 ➢ 目前专门针对钙钛矿电池的稳定性测试标准尚未建立，但纤纳公司的商业化大尺寸钙钛矿组件产品（面积 1.2x0.6米）已经通过了 ICE61215和 ICE61730稳定性全体系认证，两项标准测试条件虽是针对晶硅为主的光伏组件，但也一定程度验证了组件在湿热等环境下的可靠性，不过由于两种电池晶体结构和内部构造截然不同，通过认证并非就表明钙钛矿组件寿命就可以像晶硅组件一样达到 25年以上。 ◆ 未来将会有更多长时间电站运行实证数据，有望验证钙钛矿组件可靠性，有力的推动产业化进行。且不论 ICE认证中如双 85加速湿热老化测试对钙钛矿组件是否完全有效，电站在实际运行中也存在各种复杂情况，钙钛矿组件在真实环境下的稳定性存在不确定性。不过随钙钛矿电池产业的成长，当前已有不少试验电站项目将持续不断的提供实际运行数据，未来也将会有更多大规模、长时间的户外数据对钙钛矿技术的可靠性进行验证，有望强有力的推动钙钛矿组件进一步市场化。资料来源光伏們、国海证券研究所测试方面具体测试内容性能测试最大功率点的测试、低辐照度下的性能、热斑耐久实验环境箱老化测试光衰老化实验、冷热循环试验、湿冻测试试验、湿热测试试验、紫外老化试验电器安规试验绝缘试验、湿漏电流试验、旁路二极管试验机械应力测试引出端强度试验、机械载荷试验、冰雹试验户外测试单项及序列测试图表国际电工委员会 IEC 61215标准具体内容请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明 23 ◆ 钙钛矿电池可展现出多彩、高透明、柔性化等丰富外观钙钛矿材料具备良好吸光性能，膜层可以做得很薄，其材料特性给电池外观提供了丰富的开发空间，如丰富色彩、半透明、柔性可弯曲等，同时也能保证一定的发电效率。 ◆ 新兴光伏运用场景发电收益及使用寿命要求相对较低，有望成为钙钛矿产业化先期突破口钙钛矿组件产品受当前转换效率、长期使用寿命等因素限制，在一般光伏电站领域经济性尚难与晶硅产品相比。但在 BIPV（建筑光伏一体化）、 CIPV（车载光伏）、消费电子等光伏应用领域，高发电收益并不一定是单一的主要考虑因素，使用寿命也并不一定需要太长，而钙钛矿电池丰富的外观优势能得到良好的发挥，更强的弱光发电能力也能在室内、早晚等常见场景体现出优势，因此有望成为培育钙钛矿产业和技术的重要先期市场。图表彩色半透明钙钛矿组件图表钙钛矿电池可柔性高 2.5 丰富外观带来价值，新应用场景提供产业化桥梁资料来源纤绘光能官网、 ESG与企业管理请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明 24 ➢ BIPV 根据住建部前期发布的 “ 十四五 ” 规划，到 2025年，完成既有建筑节能改造面积 3.5亿平方米以上，全国新增建筑太阳能光伏装机容量 0.5亿千瓦以上， BIPV作为将太阳能发电光伏产品集成到建筑上的节能技术，累计渗透率则有望从 2020年的 0.1提升至 2030年的 5，市场规模或将达到 4000亿元左右，。 ➢ CIPV CIPV目前尚处于起步阶段，根据初创公司 EV Solar Kits的方案，安装在 Model 3和 Mod