钙钛矿电池：“黑科技”见曙光-东方财富证券.pdf

[Table_Title] 光伏 行业专题研究 钙钛矿电池“黑科技”见曙光 2022 年 08 月 16 日 [Table_Summary] 【投资要点】 ◆ 钙钛矿是一种薄膜电池技术路线，低成本 、 高效率等优势突出，有望 成为下一代光伏技术路线。 钙钛矿生产 涉及 PVD、涂布、激光 、封装 等设备，以及 TCO 玻璃 、电极 等材料 ，产业化瓶颈在于 解决 结晶工艺 和 批量供应 的工程 问题。 我们认为， 通过优化配方工艺和封装技术解 决稳定性难题后， 钙钛矿是下一个 光伏 产业α，有望出现 类似于颗粒 硅和磷酸铁锂对替代路线的超越 ◆ 性价比 光伏产业需要降本促进 发展，而晶硅路线 即将触及理论效率 上限，原材料供需错配、价格暴涨短期难解。 钙钛矿 组件投资成本较 晶硅低， 100MW 组件成本低于 1 元 /W， 未来扩大至 GW 级产线后，成本 可降至 0.1 美元 /W， 性价比驱动 商业化加速 。 ◆ 技术成熟度 一方面转换效率提升较快，截至 2022 年 7 月实验室转 换率已提升至 31.3， 龙头企业 百 MW 组件 运行效率 接近 16，中期量 产效率可达 25，叠层电池亦能有望提高转换效率。 另一方面， 钙钛 矿 工艺 流程和 工程 改进 周期短， 技术进步快， 量产和 使用寿命 短 等 问 题 有望 得到 解决 ， 2022 年 6 月科学杂志报道钙钛矿太阳能电池设 备可在超过行业标准的情况下运行大约 30 年 。 ◆ 应用场景 BIPV、电动汽车车顶材料等应用场景或为突破口。 钙钛矿 运用场景较晶硅路线更为广泛，或成为未来 BIPV、电动汽车车顶发电 领域的主流材料，预计 22-25 年 BIPV 渗透率逐步提升 。 ◆ 竞争格局 国内 企业 在实验室和量产方面均领先全球 ， 已有 20 余家 企业在钙钛矿方面进行布局，主要集中在上游材料、中游电池及设备 以及通用技术类等领域。同时，新能源企业也积极申请相关专利，累 积相关专利数量已超过 4000 件。 海外 FirstSolar 和板硝子等企业在 钙钛矿光伏电池设备和材料领域也占据一席之地。 【配置建议】 ◆ 建议关注具备专利和研发技术布局的钙钛矿龙头公司。 ➢ 纤纳光电 （钙钛矿相关专利百余项，钙钛矿商用组件α已交付）。 ➢ 协鑫光电 （ 钙钛矿组件实用化产品 获 TV 商业认证 ）。 ➢ 捷佳伟创 （ 300724.SZ，光伏设备商，钙钛矿整线设备进入研发阶段）。 ➢ 隆基绿能 （ 601012.SH，单晶硅片和组件龙头，钙钛矿相关专利 20 项）。 ➢ 宁德时代 （ 300750.SZ，钙钛矿光伏电池研究顺利，正在搭建中试线）。 ➢ 金晶科技 （ 600586.SH，钙钛矿电池 TCO 玻璃国产龙头）。 【风险提示】 ◆ 钙钛矿电池技术突破不及预期、产业化进程缓慢 ◆ 出现其他技术路线 [Table_Rank] [Table_Author] 东方财富证券研究所 证券分析师周旭辉 证书编号 S1160521050001 证券分析师朱晋潇 证书编号 S1160522070001 证券分析师 曲一平 电话 S1160522060001 联系人陈然 电话 18811464006 联系人滕玘 电话 18049807795 [Table_PicQuote] 相对指数表现 [Table_Report] 相关研究 行业联合专题全球锂资源十年周 期全面复盘和未来展望 2022.7.25 从俄乌冲突对 A股军工产业链带来 四大技术升级启示 2022.07.08 2022 年下半年度策略展望看好新 能源、新老基建、粮食安全赛道 2022.06.28 智能汽车联合专题乘风破浪，拾 级而上 2022.06.12 -15.00 -10.00 -5.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 钙钛矿指数涨跌幅 沪深 300指数涨跌幅 [Table_Title1] 行 业 研 究 / 光 伏 行 业/ 证 券 研 究 报 告 挖掘价值 投资成长 2017 敬请阅读本报告正文后各项声明 2 [Table_yemei] 光伏 行业专题研究 正文目录 1. 薄膜电池与晶硅路线不同的第二代光伏电池 . 5 1.1 潜在优势成本优势明显，应用场景多元 5 1.2 技术路线 多种技术并存，碲化镉最成熟 . 7 1.2.1 非晶硅 a-Si 8 1.2.2 碲化镉 CdTe 8 1.2.3 铜铟镓硒 CIGS . 9 1.2.4 砷化镓（ GaAs） 10 1.2.5 钙钛矿（ Perovskite） 10 1.3 产业现 状商用产量较低，碲化镉占九成 . 11 2. 钙钛矿电池更有前景的薄膜电池 13 2.1.钙钛矿电池转换效率优势凸显应用前景广阔 13 2.2.工艺钙钛矿设备和电池生产是关键 15 2.3.TCO 玻璃作为钙钛矿电池电极的关键部件 . 16 2.3.1.TCO 靶材有较高生产壁垒 . 16 2.3.2.超白浮法玻璃构成玻璃基底 17 2.3.3.镀膜工艺 为关键技术环节 17 2.4.设备较高壁垒铸成护城河 18 2.4.1.薄膜制备高性能大面积薄膜制备技术是核心 18 2.4.2.激光刻蚀构建钙钛矿电池组件的核心工艺 19 2.4.3.封装技术保障钙钛矿电池性质的关键一环 19 3. 行业空间薄膜和钙钛矿电池未来趋势 . 20 3.1.复盘薄膜电池的沉浮，钙钛矿的兴起 20 3.1.1.薄膜电池历经两起两落，转换效率制约进一步发展 20 3.1.2. 钙钛矿的兴起晶硅电池理论极限将至，无硅料成本优势彰显 . 23 3.2.钙钛矿电池市场空间乘 BIPV 之风，市场空间广阔 . 25 3.3.钙钛矿电池经济性分析光伏组件设备费用仅为晶硅成本的 85 . 27 3.4. 晶硅 -钙钛矿叠层电池是产业化方向 29 4.投资建议布局具备钙钛矿技术优势的国产龙头 29 4.1 国内企业在钙钛矿技术方面的布局 29 4.2 钙钛矿产业链公司举例 31 4.2.1. 捷佳伟创（ 002179.SZ） 31 4.2.2. 金刚玻璃（ 300093.SZ） 32 4.2.3. 杭萧钢构（ 600477.SH） 33 4.2.4. 拓日新能（ 002218.SZ） 34 4.2.5. 通威股份（ 600438.SH） 34 4.2.6. 宁德时代（ 300750.SZ） 35 4.2.7. 协鑫光电 . 36 4.2.8. 明阳智能 601615.SH 37 4.2.9. 隆基绿能（ 601012.SH） 37 4.2.10. 爱康科技（ 002610.SZ） . 38 4.2 国外企业在钙钛矿技术和构成材料方面的布局 39 4.3 具备钙钛矿技术企业估值情况分析 . 40 2017 敬请阅读本报告正文后各项声明 3 [Table_yemei] 光伏 行业专题研究 图表目录 图表 1薄膜电池分类及结构 . 5 图表 2钙钛矿薄膜电池制造流程 . 6 图表 3薄膜电池成本随产能提升显著下降 . 6 图表 4薄膜电池在复杂环境下发电效率更优 . 7 图表 5主流薄膜 电池技术对比 . 7 图表 6非晶硅薄膜电池结构及成品 . 8 图表 7 CdTe 薄膜电池结构及成品 9 图表 8 CIGS 薄膜电池结构及成品 9 图表 9 CIGS 薄膜电池结构及成品 10 图表 10钙钛矿薄膜电池结构及成品 11 图表 11 2021 年 CdTe 电池在薄膜电池中的占比超过 9 成 . 11 图表 12薄膜电池产业化进展 12 图表 13钙钛矿晶体结构示 意图 13 图表 14钙钛矿电池结构及工作原理 13 图表 15各类电池转换效率 14 图表 16钙钛矿电池优势 15 图表 17钙钛矿电池制作工艺流程 16 图表 18超白浮法玻璃在光伏发电中的应用 16 图表 19超白浮法玻璃在光伏发电中的应用 17 图表 20 TCO 导电膜玻璃镀膜工艺（ ITO 工艺） 18 图表 21钙钛矿电池镀膜设备技术 18 图表 22钙钛矿电池刻蚀设备技术 19 图表 23钙钛矿电池封装设备技术 20 图表 24太阳能光 伏电池技术路线图 20 图表 25薄膜电池发展历史 21 图表 26 2010-2021 年全球薄膜电池市占率变化 . 21 图表 27 2012-2021 年全球薄膜电池产量变化（ MW） . 22 图表 28 2011-2021 年全球十大组件出口商排名 . 22 图表 29 First Solar 营业收入及毛利率变动 . 22 图表 30 2021-2030 年各种电池平均转换效率变化趋势预测 . 23 图表 31钙钛矿转换效率实验室理论上限高 23 图表 32 钙钛矿转换效率实验室理论上限高 24 图表 32硅料价格持续上涨，电池成本不断攀升 24 图表 34硅料价格挤占电池行业利润空间（亿元） 24 图表 35钙钛矿 2030 年市场份额或超 29 . 25 图表 36每年增量分布式光伏市场空间测算 26 图表 37假设边界条件 27 图表 38钙钛矿和成熟多晶硅电池投资成本比较 28 图表 39钙钛矿叠层太阳能电池（两端式和四端式） 29 图表 40钙钛矿叠层太阳能电池最高转换效率突破 30 . 29 图表 41目前国内 主流钙钛矿企业的布局信息 30 图表 42国内企业申请钙钛矿专利情况 31 图表 43 近年来捷佳伟创经营业绩情况 32 图表 44近年 来金刚玻璃经营业绩情况 33 图表 45近年来杭萧钢构经营业绩情况 33 图表 46近年来拓日新能经营业绩情况 34 图表 47近年来通威股份经营业绩情况 35 图表 48近年 来宁德时代经营业绩情况 36 图表 49协鑫科技的钙钛矿技术情况 36 图表 50近年来明阳智能经营业绩情况 37 图表 51近年来隆基绿能经营业绩情况 38 2017 敬请阅读本报告正文后各项声明 4 [Table_yemei] 光伏 行业专题研究 图表 52近年来爱康科技经营业绩情况 39 图表 52钙钛矿技术企业估值情况分析 40 2017 敬请阅读本报告正文后各项声明 5 [Table_yemei] 光伏 行业专题研究 1. 薄膜电池与晶硅路线不同的第二代光伏电池 1.1 潜在优势 成本优势明显，应用场景多元 薄膜电池是继晶硅电池之后出现的第二代电池技术， 种类上包括硅基类 （非晶硅、微晶硅、低温多晶硅等）、化合物类（碲化镉、铜铟镓硒、 III-IV 组、 钙钛矿等）、有机质类等。根据 NREL 统计数据， 2021 年薄膜电池出货量约为 7.8GW，市场占比约为 4， 成为光伏市场的重要补充。 薄膜电池通常由五层功能性薄膜构成，其中 P 层吸光层为核心部件，决定 了各类电池的性能差异 1）透明导电氧化物（ TCO）薄膜 主要起到透光和 导电的作用； 2） N 型窗口层 在 光照条件下产生光伏效应； 3） P 型吸光层 整个电池中最为核心的部分， 光生载 流子的产生、输运主要在该层进行； 4） 背接触层 降低 P 型 吸收层 和金属电极的接触势垒，减少背接触处载流子的复 合几率； 5）背电极 通常为金属薄膜，主要作用是收集空穴，连接外电路。 图表 1 薄膜电池分类及结构 资料来源 Pilkington， 东方财富证券研究所 电池性能 及 制造工艺等方面决定 了薄膜电池较晶硅电池而言具有更低的制 造成本， 且随着效率 和产能 提高 仍有较大 摊薄空间 1）光 转化系数大，节约耗 材 薄膜电池的活性材料几乎直接带隙半导体 ， 吸光能力较晶体硅高出至少 2 个 数量级 。同等光吸收能力下， CIGS 薄膜电池的活性材料用量仅为晶硅电池的 1 左右 ； 2）生产链条短，制造成本低 晶硅电池的产业链包括多晶硅 -硅片 -电池 片 -组件四大环节，生产流程复杂；而薄膜电池核心环节生产自动化程度高，能实 现大批量生产。 根据协鑫纳米披露的信息，钙钛矿组件的所有工艺流程都可以在 一个工厂里面进行，从原材料到组件只要 45 分钟，但是组件制造成本可以降至 晶硅的 50左右。 2017 敬请阅读本报告正文后各项声明 6 [Table_yemei] 光伏 行业专题研究 图表 2 钙钛矿薄膜电池制造流程 资料来源 Solar Magazine， 东方财富证券研究所 图表 3 薄膜电池成本随产能提升显著下降 资料来源 Energy Central， 东方财富证券研究所 与传统晶硅相比 ，薄膜电 池在透光率、颜色、 尺寸 方面的可定制化程度较高， 建材属性更 重，适配于物联网、交通、军事 和商业建筑 等 多类 场景。 薄膜电池 能 基于用途设计成不同透光度、颜色图案、尺寸厚度的定制化产品。相比于晶硅电 池，薄膜电池柔韧性更佳，能覆盖于不同弧度的 建筑物曲面屋顶 ，应用场景广阔。 此外，薄膜电池具备弱光性强、温度系数低、热斑效应弱等特点，在弱光环境下 发电能力远胜于晶硅电池，同样装机量下， CdTe 发电量高于晶硅 5以上。 2017 敬请阅读本报告正文后各项声明 7 [Table_yemei] 光伏 行业专题研究 图表 4 薄膜电池在复杂环境下发电效率更优 资料来源 龙焱能源， HJTPV， 东方财富证券研究所 1.2 技术路线 多种技术并存， 碲化镉 最 成熟 薄膜电池现已发展出包括碲化镉（ CdTe）、铜铟镓硒（ CIGS）、砷化镓 （ GaAs）、非晶硅 a-Si、有机薄膜、钙钛矿等多种技术路线， 其中 碲化镉 CdTe技术最为成熟，钙钛矿技术效率提升速度最快。 图表 5 主流薄膜电池技术对比 资料来源 SOLARMAGAZINE， 东方财富证券研究所 2017 敬请阅读本报告正文后各项声明 8 [Table_yemei] 光伏 行业专题研究 1.2.1 非晶硅 a-Si 非晶硅薄膜电池 是最早的也是最成熟的用于制作薄膜太阳能电池。 Spear 和 LeComber 在 1975 年首次观察到非晶硅 a-Si 中的掺杂， 1976 年证明 出 可以制造非晶硅薄膜电池 。 非晶硅薄膜电池 的结构最常采用的是 p-i-n 结构， 此类结构能够避免由于 缺陷态密度较高 造成的电池寿命较短的问题。 非晶硅薄膜电池的优势在于原料 充足、无毒、物美价廉， 但 存在转换 效率低 （实验室 /工业效率分别为 14/ 6 左右）和性能衰减严重（组件衰减 15-25）等问题， 已经 很难 具备 较强 竞 争力 ，目前主要应用于小型电子产品 。 图表 6 非晶硅薄膜电池结构及成品 资料来源 NREL， Wikipedia， 东方财富证券研究所 1.2.2 碲化镉 CdTe CdTe 是目前 技术成熟度最高 的刚性薄膜电池。 第一个 CdTe 薄膜电池是 由 RCA实验室于 1976年在 CdTe单晶上镀上 In的合金制得的，其效率为 2.1。 1982 年， Kodak 实验室用化学沉积法在 P 型的 CdTe 上制备一层超薄的 N 型 CdS，制备了效率超过 10的异质结 p-CdTe/n-CdS 薄膜太阳能电池。这是现 在产业化碲化镉薄膜太阳能电池的原型。 CdTe 薄膜电池的沉积技术有多种路线 ，包括气相输运沉积 VTD、近距 离升华 CSS、常压物理气相沉积 APPVD、溅射沉积、电镀沉积等 ，其中 气 相输运沉积 VTD技术和近距离升华 CSS技术最适合于工业化生产。 CdTe 材料带隙宽度约 1.45eV，与太阳光谱更匹配，其理论效率达 32， 高于晶硅 电池， 目前 CdTe 薄膜 电池的实验室效率已达 25.5，国外商业化组 件效率达到 19。 2017 敬请阅读本报告正文后各项声明 9 [Table_yemei] 光伏 行业专题研究 图表 7 CdTe 薄膜电池结构及成品 资料来源 NREL， ResearchGate， 东方财富证券研究所 1.2.3 铜铟镓硒 CIGS CIGS 电池的前身是由波音公司 于 1981 年 制造的硒化铜铟（ CIS）电池， 其 效率为 9.4。 1995 年，美国国家可再生能源实验室 NREL 的研究人员 将镓嵌入到 CIS 基质中，以制造出第一个 CIGS 薄膜太阳能电池，其效率为 17.1 。 CIGS 薄膜电池是通过溅射工艺在基板上放置钼电极层来制造的。基板通 常由聚酰亚胺或金属箔制成 ， PN 异质结中的 P 掺杂层由 CIGS 制成， N 掺 杂缓冲层 则由 CdS 通过化学浴沉积形成。为了保护吸收层， 会 在 CdS 缓冲层 上方放置了一层 i-ZnO 本征窗口层 ,最后覆盖有由铝掺杂氧化锌 Al ZnO 制 成的厚 AZO 化合物层，作为保护电池的 TCO 层。 近三年国内外 CIGS 技术发展缓慢，实验室效率最高记录保持在由 Solar Frontier 于 2019 年创造的 23.4， 商业 组件 的效率通常 在 12至 14之间 ， 二者离 33的理论效率仍存在较大差距。 图表 8 CIGS 薄膜电池结构及成品 资料来源 NREL， ScienceDirect， 东方财富证券研究所 2017 敬请阅读本报告正文后各项声明 10 [Table_yemei] 光伏 行业专题研究 1.2.4 砷化镓 （ GaAs） GaAs 材料早在 1954 年就被发现具有光伏效应， 70 年代，随着 IBM 等公 司及研究单位的参与， GaAs 作为 光伏 电池开始蓬勃发展。 目前，常用于 GaAs 制备的技术有几种，主要有 液相外延 （ LPE） 和有机 化合物气相淀积 MOCVD等 。此外，由于 砷化镓 晶圆 直径通常为 4 6 英寸， 比硅晶圆的 12 英寸要小得多 ，需要通过磊晶技术和特殊机台进行制备，总体 而言 GaAs 电池技术工艺较为复杂。 GaAs 具有更高的电子迁移率和 电子 饱和速度，这使得 GaAs 晶体管能够 在超过 250 GHz 的频率范围内工作。 GaAs 电池被认为是理论效率最高的薄膜 电池， 单结电池理论效率达到 30，多结电池理论效率超过 50。 2021 年， 研究人员使用了 由 GaAs 材料 制成的 薄膜 电池，在单色光下 获得 68.9％的转化 效率 。 图表 9 CIGS 薄膜电池结构及成品 资料来源 NREL， AirforceTechnology， 东方财富证券研究所 1.2.5 钙钛矿 （ Perovskite） 钙钛矿电池是新一代太阳能技术，钙钛矿化合物可以通过改变材料来调整 以响应太阳光谱中的不同颜色，在光伏应用领域潜力巨大。 2012 年，研究人 员首次 利用 卤化铅钙钛矿作为光吸收层来制造稳定的薄膜电池，其 光电 转换效 率超过 10。 钙钛矿 薄膜电池 结构与 晶硅 电池的经典结构略有不同。钙钛矿电池可以使 用传统的 n-i-p 或 p-i-n 结构制造，将钙钛矿吸收层夹在空穴传输层 HTL 和电子传输层 ETL 之间 ， 然后用玻璃覆盖透明层。 目前 最广泛 技术是 一步 法沉积，但也有不同的制造方法使用两步法沉积、气相辅助或热气相沉积 。 钙钛矿电池未来 有望成为 晶硅电池的有力竞争者， 在小面积实验室设备 中，钙钛矿的转化效率在过去五年中快速提升，已经超过了几乎所有的薄膜技 术（ III-V 技术除外）。 根据 NREL 数据，截至 2022 年 1 月 26 日，单结钙钛 2017 敬请阅读本报告正文后各项声明 11 [Table_yemei] 光伏 行业专题研究 矿器件的效率记录为 25.7，串联钙钛矿 -硅器件的效率记录为 29.8。 图表 10 钙钛矿薄膜电池结构及成品 资料来源 Department of Energy， 东方财富证券研究所 1.3 产业现状 商用产量较低， 碲化镉 占九成 在全球范围内，碲化镉 CdTe是商用 薄膜 组件的最大组成部分 ， 也 是传 统硅基技术的低成本替代品。 据 NREL 披露的数据， 2021 年 全球光伏出货量 约为 194GW，其中薄膜电池占比不到 5，与晶硅电池仍有较大差距。 从 细分 类型来看 ，单晶硅类占比 95， CdTe 类占比 4， a-Si 类与 CIS/CIGS 类合计 占比不到 1， CdTe 电池在薄膜电池中的占比超过 9 成。 在 硅料 价格的不断上 涨背景下，以碲化镉为代表的薄膜电池经济性优势凸显。 图表 11 2021 年 CdTe 电池在薄膜电池中的占比超过 9 成 资料来源 NREL， 东方财富证券研究所 与晶硅电池相比，薄膜电池先发优势明显，手握核心生产技术的厂商往往 能筑起宽阔的护城河 从而处于垄断地位 。 目前全球范围内有量产能力的 CdTe 电池企业仅有美国 First Solar、德国 Calyxo、和三家中国企业（中建材、龙 焱科技、中山瑞科），其中仅有美国 First Solar 具备大规模生产 CdTe 薄膜组件 2017 敬请阅读本报告正文后各项声明 12 [Table_yemei] 光伏 行业专题研究 的能力，根据 NREL 披露 的数据 ， 2021 年 First Solar 的 CdTe 薄膜电池产量 7.6GW，市场份额超过 95。 近几年 国内厂商 通过并购海外技术公司， 已具备 商用碲化镉组件生产能力，但 产业链 尚处于 规模扩产阶段 ， 根据 CPIA 的数据， 2021 年国内薄膜电池产量仅 130MW。 CIGS 电池是另一款已 突破产业化瓶颈 的薄膜电池 ，其效率最接近晶硅电 池，但成本仍处于相对高位，商业化进展缓慢 。 CIGS 电池 具有成本低、效率 高、稳定性好等优越的综合性能 ，转换效率最接近单晶硅电池。 NREL估算 CIGS 电池的制造成本在 0.59 美元 /W 左右，与晶硅电池相比造价昂贵， 全球范围内 市场份额不到 1， 近两年已有多家光伏制造商宣布退出 CIGS 领域。 2021 年 10 月， 曾为全球最大光伏制造商的 日本 Solar Frontier 宣布 决定关闭 CIGS 组 件 业务，今年 德国光伏设备制造商 Manz 表示 将停止在 CIGS 薄膜领域的所有 活动 ，并中断与神华集团的 CIGS 合作项目。 国内方面，尚越光电 和圣晖莱 在 柔性 CIGS 薄膜领域已实现规模量产，其余企业多数仍处于研发和试产阶段。 钙钛矿电池 近年来发展迅猛， 全球首款钙钛矿商用组件α 已于 7 月 成功交 付 。 作为 HJT 和 TOPCon 下一代技术，钙钛矿在光伏降本革命方面给业内带 来了希望 ，根据 NREL 披露数据，钙钛矿电池的长期成本有望降至 0.18 美元 /W 水平。 国内多家企业争相布局 钙钛矿赛道， 产业进程均纷纷提速 。 协鑫纳米 100MW 钙钛矿组件计划 2022 年投入量产，杭州纤纳光电投资 54.6 亿元，建 成 5GW 的钙钛矿工厂并正式投产，首款钙钛矿量产商用组件已于 7 月成功交 付。 图表 12 薄膜电池产业化进展 资料来源 HAZPVA，北极星，中国电力网，各公司官网， 东方财富证券研究所 2017 敬请阅读本报告正文后各项声明 13 [Table_yemei] 光伏 行业专题研究 2. 钙钛矿电池更有前景的薄膜电池 2.1. 钙钛矿电池转换效率优势凸显，应用前景广阔 钙钛矿是一种光电转换效率高的晶体材料，在光伏、 LED 等领域广泛应用。 利用 𝐶𝐻3𝑁𝐻3𝑃𝑏𝐼3等 钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料 制作的 太 阳能电池， 称为钙钛矿型太阳能电池（ perovskite solar cells），属于第三代太阳 能电池，也称作新概念太阳能电池 （ Emerging PV） 。 钙钛矿、电子传输层、空穴传输层等组成钙钛矿电池。 钙钛矿太阳能电池 与非晶硅薄膜他那样电池类似，具有 P-I-N 结构，钙钛矿材料作为光吸收层（ I 层），夹在电子传输 层（ N 层）和空穴传输层（ P 层）之间 。 太阳光从 FTO 面 照射到钙钛矿太阳能电池上的吸收层，然后吸收光子激发产生激子进而分离成 电子 -空穴对。电子和空穴对进一步分离成自由电子和带正电的空穴，最后分别 被电子传输层和空穴传输层快速抽取。即电子从钙钛矿层传输到等电子传输层， 最后被 FTO 收集；空穴从钙钛矿层传输到空穴传输层，最后被金属电极收集， 最后，通过连接 FTO 和金属电极的电路而产生光电流。 图表 13钙钛矿晶体结构示意图 图表 14钙钛矿电池结构及工作原理 资料来源南京信息工程大学，东方财富证券研究所 资料来源南京信息工程大学，东方财富证券研究所 注（ a）介孔结构；（ b）规则平面结构；（ c）倒置平面结构 与传统晶硅电池和其他类型的薄膜电池相比相比，钙钛矿电池更具发展潜 力，主要优势在于高转化率提升速率和低成本。 2017 敬请阅读本报告正文后各项声明 14 [Table_yemei] 光伏 行业专题研究 图表 15各类电池转换效率 资料来源 NREL，东方财富证券研究所 一方面，钙钛矿电池转化率仍在不断提升，增长斜率显著高于其他类型薄 膜电池。 在电池转换效率方面，根据 2022 年 7 月美国国家可再生能源实验室 数据，瑞士洛桑联邦理工学院（ EPFL）的钙钛矿 /硅叠层电池最高转换效率达到 了 31.3，德国海姆霍兹柏林材料所 HZB钙钛矿 /铜铟镓硒叠层电池最高转换效 率达到 24.2，韩国蔚山科学技术大学 UNIST的单结钙钛矿电池最高转换效率 达到 25.7。可以看出，不论是单结还是叠层电池，转换效率都较高，尤属钙 钛矿 /硅叠层电池的转换效率最高。 2009 年第一个钙钛矿电池被生产出来时， 其转换效率仅有 3.8，短短十二年，其实验室转换效率就达到了 30以上，接 近晶硅电池水平，这种发展速度的背后，得益于钙钛矿材料远强于晶硅的吸光 性能，能量转换过程中的极低能量损失，也与其覆盖光谱范围宽的特征有关。 在转换率方面，钙钛矿电池的进展 远胜于如碲化镉、铜铟镓硒等薄膜电池。 另一方面，钙钛矿电池具备低成本优势。 薄膜电池的制约 之一 在于成本， 如砷化镓薄膜电池就因过于昂贵而民用化进程 几乎停滞的 ，但钙钛矿电池由于 原材料储量丰富，且前驱液的配制不涉及任何复杂工艺，成本相对低廉 。 根据 纤纳光电、协鑫纳米、牛津光伏等三家公司公布的数据，其钙钛矿电池的生产 成本在 0.4 美元 /W 以下，扩大至 GW 级产线后，成本可降至 0.1 美元 /W 或更 低。对比已经商业化的单晶硅组件来看，垂直一体化厂商的单晶硅组件最优内 部生产成本目前约为 0.21～ 0.22 美元 /W，按较低生产成本数据来比较，钙钛矿 电池比单晶硅电池拥有成本优势。 钙钛矿电池应用场景广阔。 由于高转化率和低成本优势，钙钛矿电池适用 于大型电站等场景。同时因其轻薄、柔性和可定制的特性，一旦突破了关键技 术问题，未来有望广泛适用于光伏建筑一体化、电子消费产品、传感器、布料 等多种场景。钙钛矿及其叠层电池有可能替代和补充晶硅产品，获得可观的市 场份额。 2017 敬请阅读本报告正文后各项声明 15 [Table_yemei] 光伏 行业专题研究 图表 16钙钛矿电池优势 资料来源 太阳能钙钛矿电池技术发展和经济性分析 ，东方财富证券研究所 2.2.工艺钙钛矿设备和电池生产是关键 钙钛矿电池的整个生产流程中，镀膜、刻蚀、封装等环节尤为关键。 镀膜 钙钛矿电池作为新型太阳能薄膜电池，其制备工艺与其他薄膜电池 类似，需要通过溶液涂布法、溶液喷涂法、气相沉积法等方式，制备高纯度、 缺陷少、高覆盖率、致密的钙钛矿层薄膜与传输薄膜，以改善不同层结构之间 的电学接触，减少传输过程中的损耗，实现高的电池转换效率。 刻蚀 钙钛矿太阳能电池的介孔结构为 FTO 导电玻璃、 TiO2 致密层、 TiO2 介孔层、钙钛矿层、 HTM 层、金属电极。通过多道激光刻蚀，可以构建钙钛矿 电池中的电路结构，把多个钙钛矿电池串联成组件。 封装 钙钛矿太阳能电池中的各功能层材料对空气中的水蒸汽、氧气，紫 外光，压力等比较敏感 ，遇水、氧气、或者受到紫外线直接照射会发生材料改 性分解、功能丧失的情况。 封装技术能够有效地将工作元件与外界环境隔离， 防止各种杂质的污染和腐蚀，是一种提高精密电子元器件使用寿命的方法 。 上述工艺涉及原材料、设备、技术等产业链。其中钙钛矿原料资源丰富， 制作工艺相对简单，且用料不多，壁垒不大。但钙钛矿电池设备技术壁垒极高， 是电池生产的主要 约束。在主要涉及刻蚀设备、镀膜设备、测试设备、封装设 备等。 2017 敬请阅读本报告正文后各项声明 16 [Table_yemei] 光伏 行业专题研究 图表 17钙钛矿电池制作工艺流程 资料来源清新电源，东方财富证券研究所 2.3.TCO 玻璃作为钙钛矿电池电极的关键部件 TCO 玻璃 是在平板玻璃表面通过物理或者化学镀膜的方法均匀镀上一层透 明的导电氧化物薄膜，主要包括 n、 Sn、 Zn 和 Cd 的氧化物及其复合多元氧化 物薄膜材料。 TCO 玻璃具有高导电性和高透明性，在光伏电池中使用 TCO 玻璃， 能够有效收集电池的电流，同时 TCO 薄膜具有高透和减反射的功能让大部分光 进入吸收层，因此 TCO 是 电池前电极的必要构件 。 TCO 镀膜玻璃的生产环节主 要包括靶材、原片和镀膜工艺三大部分。 2.3.1.TCO 靶材有较高生产壁垒 靶材是在溅射过程中被高速等离子体流轰击的目标材料，也是制备电子薄 膜的核心原材料，其纯度为 99.99以上。靶材直接决定了 TCO 玻璃的性质， 通过改变其掺杂物，可在不同方面增强 TCO 的性能。 TCO 玻璃按照导电氧化物 的不同大概分为 ITO、 FTO、 AZO 三种。 ITO（氧化铟锡）透明导电玻璃 就是将 锡元素掺入到氧化铟中以提高导电率。 FTO 导电玻璃为掺杂氟的 SnO2 导电玻璃 SnO2F。 AZO 导电玻璃为掺杂铝的 ZnO 导电玻璃（ ZnO Al）。 图表 18超白浮法玻璃在光伏发电中的应用 资料来源 TCO 玻璃的应用及制备方法，东方财富证券研究所 2017 敬请阅读本报告正文后各项声明 17 [Table_yemei] 光伏 行业专题研究 TCO 靶材拥有技术、客户双重壁垒。 一方面，膜层的透光率、导电率、硬 度等性能也会受到靶材制备工艺的直接影响，需要特定的晶体结构，对靶材的 工艺条件较为严格。另一方面，由于高纯溅射靶材的产品质量、性能指标直接 决定了终端产品的品质和稳定性，需要经过供 应商初评、报价、样品检测、 小批样使用、以及稳定性检测等一系列评价过程，认证周期较长。 2.3.2.超白浮法玻璃构成玻璃基底 TCO 玻璃要求有良好的透光性，超白浮法玻璃是基础。 太阳能超白玻璃是 一种透光率高于 91的低铁玻璃，产品采取了特殊工艺和专有配方，是一种耐 候性和可加工性优越的太阳能光热和光伏产品 的专用玻璃，目前被广泛用于薄 膜太阳能电池前板玻璃、平板式太阳能集热器、太阳能热发电集热镜、 BIPV 项 目等领域。 图表 19超白浮法玻璃在光伏发电中的应用 资料来源金晶集团，东方财富证券研究所 2.3.3.镀膜工艺为关键技术环节 TCO 导电膜玻璃镀膜工艺的难度较高，仅有少数企业实现量产。 镀膜主要 分为在线镀膜和离线镀膜两种，其中离线镀膜需要把浮法玻璃的基板先拉到镀 膜线上，然后重新电加热升温再镀膜，其缺点在于能耗高，同时镀膜均匀性难 以保证，故技术路线来说在线镀膜优于离线镀膜。在线镀膜采用高温化学气相 沉积 CVD工艺，在优质普通或超白浮法玻璃表面沉积一层透明导电氧化物膜， 使其透射率、面电阻及雾度达到优化平衡，但在线镀膜和玻璃产业线高度绑定， 不灵活，具有较高沉没成本。 2017 敬请阅读本报告正文后各项声明 18 [Table_yemei] 光伏 行业专题研究 图表 20 TCO 导电膜玻璃镀膜工艺（ ITO 工艺） 资料来源 Journal of Materials Science，东方财富证券研究所 2.4.设备较高壁垒铸成护城河 2.4.1.薄膜制备高性能大面积薄膜制备技术是核心 制备大面积高性能高稳定性薄膜是当前主要技术难点，主要瓶颈在设备技 术方面，其中镀膜设备壁垒极高，国内主要镀膜设备供应商包括上海德沪、京 山轻机、捷佳伟创、西子洁能、众能光电、宏大真空等。 图表 21钙钛矿电池镀膜设备技术 供应商 相关设备 具体进展 晟成光伏 钛矿电池团簇型多 腔式蒸镀设备 202 1年 初，晟成光伏投资10亿 新建智能装备制造中心，项目部分用于钙钛矿叠层 电池核心设备研发机构。同年5月与业内钙钛矿电池领先企业开展技术开发战略合 作，经过长时间研发，钙钛矿电池团簇型多腔式蒸镀设备现已量产 捷佳伟创 立式反应式等离子 体镀膜设备（RPD 202 1年 公司RPD 设备已取得钙钛矿中试线订单，钙钛矿整线设备也进入研发阶段。 10月 RPD 设备中标首个钙钛矿中试设备采购订单 众能光电 高精度涂布机、真 空蒸镀机、磁控溅 射机等 202 0年 6月 进行钙钛矿太阳能器件效率认证，已建成100 -50 0kW 级大面积钙钛矿太 阳能器件中试平台 宏大真空 大面积抗反射导电 膜磁控溅射镀膜生 产线 201 7年 起先后开发出单体光学镀膜机、双室光学镀膜机、三室光学镀膜