国联证券：钙钛新型光伏电池，吹响产业化号角.pdf

1 行 业 报 告│ 行 业 深 度 研 究 请务必阅读报告末页的重要声明 电力设备 钙钛矿行业深度：新型光伏电池，吹响产业化号角 钙钛矿凭借极高转换效率及降本潜力，成为下一代光伏电池技术重要方向。 ➢ 有望接替晶硅电池，成为未来电池技术明珠 钙钛矿电池转换效率提升迅速，从2009年被发明以来，在12年内转换效率 从3.8%提升至25.7%。而晶硅电池从5%发展至最近26.81%，用了60余年， 且接近理论极限转换效率29.4%，反观单结钙钛矿理论极限效率可达33%， 叠层电池有望突破50%，前景广阔。同时钙钛矿晶体依附于玻璃，大型化 具备进步空间，钙钛矿有望继TOPCon、HJT成为未来主流的技术路线。 ➢ 多重优势不断提升竞争力 钙钛矿电池在材料用量、工艺温度、制备难易程度、环保、初始投资额、生 产成本等多方面具备优势。其温度系数仅为-0.001%/℃，相比晶硅具备更 高的实际发电功率；其生产全过程可控制在45min之内，单平耗量仅为0.5g； 钙钛矿组件投资额约为5亿元/GW，比传统晶硅硅料、硅片、电池和组件四 大环节共11亿元/GW的投资额大幅节省。钙钛矿能量回收时间0.35年和温 室气体排放因子10.7g CO2-eq/kWh，分别为硅基电池的23%和43%。多项 优势加持，加上可广泛用于BIPV和移动能源，使得钙钛矿竞争力不断提升。 ➢ 降本增效持续取得突破 在现有晶硅IEC61215测试标准下，钙钛矿测试结果已可达到晶硅水平。根 据CPIA预测，2023年平米级钙钛矿有望实现17-19%转换效率，2030年有 望提升至25%。百兆瓦级产线阶段成本可以控制在1.0-1.5元/W，GW级产 线有望降至0.8元/W；10GW级产线有望降至0.6元/W。产业化不断取得突 破，降本增效成效显著，钙钛矿未来可期。 ➢ 钙钛矿产业链上游有望长期受益 1）设备：钙钛矿三大核心设备分别为镀膜、激光和涂布结晶设备。 2）靶材：可用于钙钛矿及叠层电池的TCO层、空穴传输层、电子传输层。 3）TCO玻璃：当前我国拥有超薄超白浮法玻璃供应主要集中在信义、福莱 特、金晶、台玻、南玻、艾杰旭等几家头部玻璃企业。我们认为上述企业在 未来钙钛矿领域的TCO玻璃应用上具备一定的成本和技术优势。TCO玻璃 成本占钙钛矿电池总成本的33.7%。国内TCO玻璃有望在钙钛矿时代超越 NSG、AGC等海外龙头企业。 ➢ 投资建议 我们认为钙钛矿产业链投资机会主要在设备（涂布、激光、镀膜）、电池 组件制造、材料三大领域，景气度有望按照设备、制造、材料路径传导。 设备领域：建议关注大族激光、帝尔激光、德龙激光、杰普特、京山轻机、 捷佳伟创、奥来德、科恒股份。 制造领域：重点推荐宝馨科技，建议关注隆基绿能、通威股份、杭萧钢构。 材料领域：重点推荐国内TCO玻璃龙头金晶科技和耀皮玻璃、国内靶材龙 头隆华科技和阿石创。 风险提示：钙钛矿技术发展不及预期、钙钛矿技术路线风险、TCO玻璃成本 维持高位 重点推荐标的 简称 EPS PE CAGR-3 评级 2023E 2024E 2025E 2023E 2024E 2025E 金晶科技 0.42 0.55 0.69 18.7 14.4 11.5 40.5% 买入 耀皮玻璃 0.06 0.13 0.18 82.1 40.3 29.8 106.7% 买入 宝馨科技 0.09 0.37 0.86 95.2 24.7 10.4 160.8% 买入 隆华科技 0.40 0.63 0.83 20.0 12.5 9.6 127.9% 买入 阿石创 0.21 0.52 0.84 117.2 47.4 29.1 110.8% 买入 数据来源：公司公告，iFinD，国联证券研究所预测，股价取2023年07月31日收盘价 证券研究报告 2023年08月01日 投资建议： 强于大市（维持） 上次建议： 强于大市 相对大盘走势 作者 分析师：贺朝晖 执业证书编号：S0590521100002 邮箱：hezh@glsc.com.cn 相关报告 1、《电力设备：风电排产环比提升，特高压下半年 有望迎加速建设 》2023.07.30 2、《电力设备：风光装机跟踪：6月同环比高增， 下半年有望维持高景气》2023.07.25 -40% -23% -7% 10% 2022/8 2022/11 2023/3 2023/7 电力设备 沪深300 请务必阅读报告末页的重要声明 2 行业报告│行业深度研究 投资聚焦 我们认为钙钛矿产业化曙光初现，设备（涂布、激光、镀膜）、电池组件制造、 材料三大领域具备较好的投资机会，景气度有望按照设备、制造、材料路径传导。 核心逻辑 晶硅电池从 5%左右发展至最近的 26.81%用了 60 余年，且接近理论极限转换效 率29.4%。反观单结钙钛矿电池理论极限效率可达33%，叠层电池转换效率有望突破 50%。大面积钙钛矿电池转换效率有望在2023年底达到18%，硅基钙钛矿串联叠层电 池两年内三次刷新纪录至32.5%，钙钛矿电池有望继TOPCon、HJT成为未来主流的光 伏电池。 不同于市场的观点 市场目前普遍认为钙钛矿距离产业化仍有一段距离，疑虑尤其集中于大型化、效 率的进一步提升、稳定性及寿命、生产良率、叠层电池的验证。但我们认为随着晶硅 电池接近效率天花板，光伏行业需要新的技术接力发展，而钙钛矿电池在材料用量、 工艺温度、制备难易程度、环保、初始投资额、生产成本等多方面具备优势，且已有 100MW产线验证，是目前最佳的选择之一。 投资看点 1）设备：钙钛矿三大核心设备分别为镀膜、激光和涂布结晶设备，钙钛矿设备 厂商有望受益于中试线、GW 级产线建设。我们建议关注大族激光、帝尔激光、德龙 激光、杰普特、京山轻机、捷佳伟创、奥来德、科恒股份。 2）靶材：可用于钙钛矿及叠层电池的TCO层、空穴传输层、电子传输层，靶材 厂商有望受益于产能规模化释放。我们重点推荐国内靶材龙头隆华科技和阿石创。 3）TCO 玻璃：当前我国拥有超薄超白浮法玻璃供应主要集中在信义、福莱特、 金晶、台玻、南玻、艾杰旭等几家头部玻璃企业。我们认为上述企业在未来钙钛矿领 域的TCO玻璃应用上具备一定的成本和技术优势。TCO玻璃成本占钙钛矿电池总成本 的33.7%。国内TCO玻璃有望在钙钛矿时代超越NSG、AGC等海外龙头企业。我们重 点推荐国内TCO玻璃龙头金晶科技和耀皮玻璃。 ZXAZyRrMmPrQoQoNrMrOoP6MbP7NpNnNnPoNkPnNwOkPpPrQ6MmNoQuOrQzRxNrNmP 请务必阅读报告末页的重要声明 3 行业报告│行业深度研究 正文目录 1. 钙钛矿电池前景广阔 5 1.1 晶硅电池逐步接近效率天花板 5 1.2 钙钛矿挑起薄膜电池大梁 7 1.3 钙钛矿有望成为晶硅之后的主流电池 9 1.4 大型化和叠层是主流趋势 . 10 2. 多项优势助钙钛矿产业化加速 . 17 2.1 材料结构原理简单 . 17 2.2 天然具备多重优势 . 19 2.3 稳定性稳步验证 . 23 2.4 量产制备工艺简易 . 25 3. TCO玻璃有望迎来钙钛矿领域新应用 . 30 3.1 FTO玻璃有望成为主流钙钛矿电极玻璃 30 3.2 TCO玻璃占据钙钛矿组件主要成本 35 3.3 国内TCO玻璃企业有望后来居上 . 36 4. 相关标的及投资建议 . 40 4.1 金晶科技：TCO玻璃先驱者 40 4.2 耀皮玻璃：TCO玻璃有望开启新成长曲线 43 4.3 宝馨科技：叠层电池研发支撑长期增长 46 5. 风险提示 49 图表目录 图表1： 太阳光谱和晶硅电池可吸收的部分 . 5 图表2： 我国晶硅电池量产效率变化情况 . 6 图表3： N型电池结构图 . 7 图表4： 2012-2021年全球薄膜太阳电池组件产量 8 图表5： 2010-2021年薄膜电池所占市场份额 8 图表6： 2021年全球主要薄膜电池企业产能（MW） . 9 图表7： 2021年全球各类薄膜电池市场份额 . 9 图表8： 钙钛矿电池发展迅速 . 9 图表9： 钙钛矿电池发展历程 10 图表10： 协鑫光电大面积钙钛矿组件 . 10 图表11： 钙钛矿电池转换效率变化趋势 . 11 图表12： 钙钛矿电池成本及效率趋势 . 11 图表13： 钙钛矿大型化示意图 . 12 图表14： OLED不同代产线的单位成本情况 . 12 图表15： 钙钛矿电池主要技术路线 . 12 图表16： 钙钛矿晶硅叠层电池原理图 . 13 图表17： 叠层电池理论效率 . 14 图表18： 叠层电池结构图 . 15 图表19： 叠层异质结电池材料、设备需求 . 15 图表20： 晶硅/钙钛矿两端叠层电池研究进展 15 图表21： 异质结/钙钛矿两端叠层电池技术路线 16 图表22： 国内钙钛矿企业进展 . 17 图表23： 钙钛矿晶体结构 . 18 图表24： 钙钛矿发电原理示意图 . 19 图表25： 钙钛矿相对于晶硅电池的优势 . 20 图表26： 不同技术路线对比 . 20 图表27： 钙钛矿电池组件生产流程少 . 20 图表28： 不同电池的一次能源消耗（MJ/m2） . 21 请务必阅读报告末页的重要声明 4 行业报告│行业深度研究 图表29： 不同电池的碳足迹（kg CO2-eq/m2） 21 图表30： 不同类型电池的能量回收时间 . 22 图表31： 太阳能电池效率记录表 . 22 图表32： 钙钛矿电池在水环境下的分解路径 . 24 图表33： IEC61215标准中部分稳定性测试项目 . 24 图表34： 钙钛矿前道工序 . 25 图表35： 狭缝涂布原理图 . 26 图表36： 钙钛矿层制备技术示意图 . 26 图表37： 钙钛矿层的制备方法（1） 27 图表38： 钙钛矿层的制备方法（2） 28 图表39： 钙钛矿电池制造中激光刻蚀示意图 . 28 图表40： 钙钛矿电池制造工艺中各步激光的作用 . 29 图表41： 不同成膜方式的特点 . 29 图表42： 钙钛矿后道工序 . 30 图表43： 常见的TCO材料 . 31 图表44： TCO玻璃主要用途 . 31 图表45： TCO玻璃主要性能要求 . 32 图表46： 不同TCO材料的性能比较 . 32 图表47： TCO玻璃主要性能要求 . 33 图表48： 化学气相沉积反应原理图 . 34 图表49： 在线浮法玻璃镀膜生产线示意图 . 34 图表50： FTO玻璃结构图 . 34 图表51： FTO玻璃顶膜工艺流程图 34 图表52： 钙钛矿电池不同层成本（美元/平） 35 图表53： 部分钙钛矿电池结构示意图 . 36 图表54： 钙钛矿电池成本构成 . 36 图表55： 不同厂家在线浮法FTO玻璃的电学性能 . 36 图表56： 2018-2022年我国浮法玻璃生产、进出口及消费情况 37 图表57： 我国浮法玻璃下游消费情况 . 37 图表58： 2018-2023年浮法玻璃价格及库存情况 38 图表59： 我国生产3.2mm及以下浮法玻璃的企业及产能情况 38 图表60： 钙钛矿企业布局情况 . 39 图表61： 2018-2022年公司营收情况 41 图表62： 2018-2022年公司归母净利润情况 41 图表63： 2018-2022年公司盈利能力 42 图表64： 2018-2022年公司费用率情况 42 图表65： 金晶科技盈利预测 . 42 图表66： 金晶科技可比公司 . 43 图表67： 2018-2022年公司营收情况 44 图表68： 2018-2022年公司归母净利润情况 44 图表69： 2018-2022年公司盈利能力 44 图表70： 2018-2022年公司费用率情况 44 图表71： 耀皮玻璃盈利预测 . 45 图表72： 耀皮玻璃可比公司 . 45 图表73： 2018-2022年公司营收情况 47 图表74： 2018-2022年公司归母净利润情况 47 图表75： 2018-2022年公司盈利能力 48 图表76： 2018-2022年公司费用率情况 48 图表77： 宝馨科技盈利预测 . 48 图表78： 宝馨科技可比公司 . 49 请务必阅读报告末页的重要声明 5 行业报告│行业深度研究 1. 钙钛矿电池前景广阔 1.1 晶硅电池逐步接近效率天花板 常用的光伏材料有Si、Ge、CIGS、CdTe、GaAs等，其中硅元素在自然界中资 源丰富，可大量用于光伏行业。同时硅由于其禁带宽度为1.12eV，能对300-1200nm 的光子有效吸收。叠加CZ、DS、FZ等工艺制备出的单晶硅具备纯度高、晶格完美、 位错缺陷少等优点，是理想的光伏电池材料。但由于吸收光谱限制，在AM1.5标准 光谱下，单晶电池极限转换效率为29.4%。 图表1：太阳光谱和晶硅电池可吸收的部分 资料来源：CPIA，国联证券研究所 P型电池制作工艺相对简单，成本较低，主要是BSF电池和PERC电池。 AL-BSF：铝背场电池是最早应用的单晶电池，成熟阶段为2013-2016年。BSF 电池是在晶硅光伏电池PN结制造完成后，通过在硅片的背光面沉积一层铝膜，制备 P+层，从而形成铝背场。铝背场有减小表面复合率和增加长波吸收等优点，但铝背 场能够反射的长波有限，因此其转换效率有局限性。 PERC：通过背面钝化膜取代全铝背场的结构迭代，自2015年起逐步取代BSF 电池，并于2019年超越BSF成为光伏主流电池。PERC电池全称为发射极及背面 钝化电池技术，其与BSF电池在结构上差异不大，最大的区别在于PERC电池用背 面钝化膜（Al203/SiNx）取代了传统的全铝背场，增强了长波的内背反射，降低了背 面的复合速率，从而使电池的效率提升；并且采用激光SE对其背面局部开孔进行电 极的制备，可大幅降低电池背面的复合电流密度。同时PERC电池具备双面发电结 请务必阅读报告末页的重要声明 6 行业报告│行业深度研究 构难度低、成本低等优势，LCOE指标上优于BSF电池。 PERC 电池理论转换效率极限为 24.5%，目前已经接近极限，并且未能彻底解 决以P型硅片为基底的电池所产生的光衰现象。N型电池应运而生。 N型电池制作工艺相对复杂，成本较高，主要包含TOPCon电池和HJT电池。 N型电池具有转换效率高、双面率高、温度系数低、无光衰、弱光效应好、载流子寿 命更长等优点。 图表2：我国晶硅电池量产效率变化情况 资料来源：CPIA，国联证券研究所 TOPCon：理论效率达28.7%，2022至23年TOPCon产能迅速增加，有望成 为继PERC电池之后的新主流高效电池。TOPCon全称隧穿氧化层钝化接触，其核 心是其背面由一层超薄氧化硅与一层磷掺杂的微晶非晶混合Si薄膜组成，二者共同 形成钝化接触结构。超薄氧化层可以使多子电子隧穿进入多晶硅层同时阻挡少子空 穴复合，超薄氧化硅和重掺杂硅薄膜良好的钝化效果使得硅片表面能带产生弯曲，从 而形成场钝化效果，使电池转化效率提升。 HJT：理论效率达28.5%，目前产能规划较大，有望同TOPCon电池一起替代 传统PERC电池，占据一席之地。HJT全称非本征晶硅异质结，其结构对称，制备 流程短，双面率、温度系数、碳足迹等均优于 TOPCon。HJT 电池降本路径清晰， 存在银包铜、电镀铜、薄硅片、网版、低铟靶材、薄硅片、210尺寸半片、SMBB等 降本增效技术，单线产能已经升至 600-1000MW，未来同时低温工艺完美适配钙钛 矿叠层工艺，发展天花板有望进一步提升。 20.2% 23.2% 24.5% 15% 16% 17% 18% 19% 20% 21% 22% 23% 24% 25% 2008 2010 2012 2014 2016 2018 2020 2022 单晶电池 PERC单晶电池 TOPCon 请务必阅读报告末页的重要声明 7 行业报告│行业深度研究 图表3：N型电池结构图 资料来源：CPIA，国联证券研究所 1.2 钙钛矿挑起薄膜电池大梁 薄膜电池是晶硅电池之外，光伏电池技术的另一个重要分支，具有很高的转换效 率潜力。薄膜电池是指在玻璃或柔性基底上沉积若干层，构成PN结或PIN结的半 导体光伏器件。其核心是吸收层材料，目前主要包括硅基薄膜、铜铟镓硒（CIGS）、 碲化镉（CdTe）、砷化镓（GaAs）、钙铁矿电池及有机薄膜电池等，以及各类薄膜-薄 膜、薄膜-晶硅叠层电池。薄膜电池总体上具备材料消耗少、生产时间短、制备能耗 低、制造环节少、适配柔性组件、弱光效应好、重量轻等特点。 CdTe 目前是主流薄膜电池。2021 年全球薄膜太阳电池的产能 10.7GW，产量 约为8.28GW，同比增长27.7%，主要是受First Solar产量增长的拉动。其中CdTe 电池产量约为8.03GW，其中国外7.9GW，国内130MW，在薄膜太阳电池中占比为 97%；CIGS电池的产量约为245MW，其中国外210MW，国内35MW，占比为3%。 2021年全球薄膜电池市场占有率仅为3.8%，同比下降0.2pct，其增速不及晶硅 组件。薄膜太阳电池虽然受晶硅电池产业快速发展的挤压而被推向边缘化，但在光伏 建筑一体化（BIPV）、可穿戴设备、移动能源领域具备特定优势，同时生产过程低碳 足迹，因此薄膜电池未来仍有较好的发展应用前景。 请务必阅读报告末页的重要声明 8 行业报告│行业深度研究 图表4：2012-2021年全球薄膜太阳电池组件产量 图表5：2010-2021年薄膜电池所占市场份额 资料来源：CPIA，国联证券研究所 资料来源：CPIA，国联证券研究所 1）硅基薄膜电池：产品性能和生产成本上相较晶硅电池无明显优势，并且技术 提升空间有限，企业相继停产、减产，逐步退出主流市场。 2）CIGS、CdTe电池：理论效率均超过33%，目前实验室最高转换效率分别达 到23.35%、22.1%，量产组件平均转换效率也均达到或超过16%、18%。目前铜铟 镓硒（CIGS）电池最高可以达到 23.35％的转换效率，然而其是在超高真空（10-9 Torr）和约350℃的高温下制造。由于PET和PEN等成本较低材料在此环境利用受 限，因此CIGS制造成本较高且无法大规模量产。不仅如此，In、Ga和Se等原材 料昂贵且地球储量不丰富，这限制了CIGS大规模应用的可能性。CdTe电池则在特 定的BIPV场景具备较好的应用，目前美国的First Solar相对领先。 3）GaAs电池：具有高效率、耐高温、抗辐射、弱光性能好、轻质柔性等特点， 但制造成本高，主要应用于空间飞行器等特殊用途，在MW 级量产化方面还需要时 间发展。 4）有机薄膜电池：制备工艺相对简单，受转换效率较低的影响，近些年发展缓 慢，效率提升有限。 5）钙钛矿电池：具备高转换效率，单结理论效率可达 33%，组件量产效率在 2023年底有望达18%。还兼具原材料丰富、低成本、技术工艺相对简单、制造过程 低碳环保、环节少、设备投资额低等优势，可应用于工商业屋顶、BIPV、大型地面 电站、航天、户外应用、智慧交通等领域。 2799 3192 3888 4342 4886 3691 3661 6142 6475 8275 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 产量（MW） 13.58% 11.59% 9.33% 8.93% 7.95% 6.75%6.24% 3.48% 3.19% 4.38%3.99% 3.80% 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% 请务必阅读报告末页的重要声明 9 行业报告│行业深度研究 图表6：2021年全球主要薄膜电池企业产能（MW） 图表7：2021年全球各类薄膜电池市场份额 序号 企业 所在地 产能 类别 1 First Solar 美国 8400 CdTe 2 杭州龙焱 中国 120 CdTe 3 中山瑞科 中国 100 CdTe 4 成都中建材 中国 100 CdTe 5 Solar Frontier 日本 1040 CIS 6 汉能 中国 600 CIGS 7 锦江集团 中国 150 CIGS 8 凯盛科技 中国 100 CIGS 9 尚越光电 中国 50 CIGS 10 南京圣晖莱 中国 10 CIGS 资料来源：CPIA，国联证券研究所 资料来源：CPIA，国联证券研究所 1.3 钙钛矿有望成为晶硅之后的主流电池 钙钛矿电池转换效率提升迅速。2009年，首个钙钛矿太阳能电池被发明，而转 换效率仅为3.8%。但经历各国实验室重视研发14年后，其效率就被提升至26%。 而晶硅电池转换效率从 5%左右发展至 26.81%用了 60 余年，理论极限转换效率为 29.4%，目前晶硅电池已逐步接近转换效率的天花板，反观钙钛矿电池仍具备较大的 发展潜力，如单结、双叠层、三叠层、四叠层理论最高转换效率分别达32.5%、44.3%、 50.1%、54.0%。 图表8：钙钛矿电池发展迅速 资料来源：NREL，国联证券研究所 CdTe, 97% CIGS, 3% CdTe CIGS 请务必阅读报告末页的重要声明 10 行业报告│行业深度研究 图表9：钙钛矿电池发展历程 资料来源：极电光能，国联证券研究所 协鑫光电新建的 1m×2m 尺寸钙钛矿组件作为全球首条 100MW 量产线已进入 中试，目前组件转化效率近16%，预计2023年底组件转换效率可达18%。 图表10：协鑫光电大面积钙钛矿组件 资料来源：协鑫光电，国联证券研究所 1.4 大型化和叠层是主流趋势 目前行业内钙钛矿电池生产大多处于小规模试验阶段，三条 100MW 及以上中 试线已经建成，并先后投入运营，首批量产组件已经开始分布式应用实践。2022年 小电池片实验室最高转换效率为 25.6%，玻璃基小组件最高转换效率为 22.4% （26.02cm2）。处于小规模试验线量产阶段的玻璃基组件中试最高转换效率达到 18.2%。 请务必阅读报告末页的重要声明 11 行业报告│行业深度研究 图表11：钙钛矿电池转换效率变化趋势 钙钛矿电池最高转换效率（%） 面积（cm2） 2022 2023E 2024E 2025E 2027E 2030E 小电池片（实验室） S≤1 25.6% 26.1% 26.6% 27.0% 27.8% 29.0% 玻璃基小组件 S＜200 22.4% 22.9% 23.4% 23.9% 24.9% 26.4% 玻璃基中试组件 200≤S＜6500 18.2% 20.0% 21.0% 22.0% 23.0% 25.0% 玻璃基量产组件 S＞6500 14.6% 16.5% 17.5% 18.5% 20.0% 22.5% 资料来源：CPIA，国联证券研究所 钙钛矿电池组件降本增效持续进行。根据CPIA预测，2023年平米级钙钛矿光 伏产品有望实现17-19%的转换效率，预期2030年可能提升至25%。当前百兆瓦级 产线阶段成本可以控制在1.0-1.5元/W，2025年后GW 级产线有望将成本降至0.8 元/W；2028-2030年10GW级产线有望将成本降至0.6元/W。 图表12：钙钛矿电池成本及效率趋势 资料来源：CPIA，国联证券研究所 钙钛矿大型化是降本的必经之路。由于钙钛矿中的涂布和真空溅镀的环节，使其 与现有的OLED产业有较大的相似之处。以OLED不同代的生产线为例，6代线相 比于2.5代线，不经单屏面积有一定提升，年产能也从原有的3万m2提升至100万 m2，同时大面积制备能够摊薄设备折旧、人工、材料等成本，使其成本达到90美元 /m2，仅为2.5代线的十分之一。 10% 12% 14% 16% 18% 20% 22% 24% 26% 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 2023E 2024E 2025E 2026E 2027E 2028E 2029E 2030E 成本（元/W） 效率（%） 请务必阅读报告末页的重要声明 12 行业报告│行业深度研究 图表13：钙钛矿大型化示意图 图表14：OLED不同代产线的单位成本情况 项目 G2.5 （370×470mm2） G6 （1500×1850mm2） 美元/m2 占比 美元/m2 占比 产能（万m2） 3 100 成本（美元/m2） 900 90 设备折旧 420 46.7% 30 33.3% 人工 305 33.9% 5 5.6% 其他制造费用 70 7.8% 4 4.4% 有机材料 30 3.3% 10 11.1% 基底 6 0.7% 6 6.7% 电极 20 2.2% 10 11.1% 光提取层 20 2.2% 10 11.1% 封装 10 1.1% 5 5.6% 其他材料 20 2.2% 10 11.1% 资料来源：勤友光电，国联证券研究所 资料来源：上海德沪，国联证券研究所 两端叠层有望成为未来的主流趋势。叠层电池技术路线丰富多样，主要结构有四 种。1）集成一体的两端器件：两个子电池通过复合层连接，容易集成到光伏系统中。 2）机械堆叠的四端器件：顶底电池独立制造，不必考虑工艺兼容问题，但需要三个 透明导电电极，寄生吸收大且制造成本高，同时需考虑外接两种不同型号的逆变器。 3）光学耦合的四端器件：通过二向色镜将穿过顶电池的光反射到底电池，但二向色 镜成本极高。（4）串联-并联（S-P）叠层器件：存在电流匹配问题。 图表15：钙钛矿电池主要技术路线 资料来源：隆基绿能，国联证券研究所 叠层电池是突破单结电池效率极限的重要方法。叠层电池通过将宽带隙电池与 窄带隙电池串联，能更加合理地利用全光谱范围内的光子，宽带隙+窄带隙叠加可减 少带外吸收和热弛豫损失。一般来说，硅电池带隙为1.1eV，非常适合作叠层电池底 请务必阅读报告末页的重要声明 13 行业报告│行业深度研究 电池，通过理论计算，再与一种带隙1.7eV的顶电池相结合，可以实现效率超过30% 的叠层电池。钙钛矿具有诸多优点，是制造顶电池的优异材料。 图表16：钙钛矿晶硅叠层电池原理图 资料来源：隆基绿能，国联证券研究所 叠层电池结数越多理论转换效率越高，但制造难度越大。从理论上来说，当一个 电池的结数越多，其转换效率越高，这是因为可以在更窄的波长段去选取具备更加适 合带隙的材料。例如单结、双叠层、三叠层、四叠层理论最高转换效率分别达32.5%、 44.3%、50.1%、54.0%。 请务必阅读报告末页的重要声明 14 行业报告│行业深度研究 图表17：叠层电池理论效率 资料来源：Solar Energy Materials and Solar Cells，国联证券研究所 钙钛矿电池的 ITO 层需匹配合适的缓冲层。ITO 层的存在会使制备两端结时相 对方便，但隧穿连接层不可省略。因为钙钛矿材料直接与 ITO 接触会产生稳定性的 问题，因此钙钛矿异质结叠层仍然需要额外的隧穿连接层，其对提升叠层电池的效率 方面也存在较大影响。 请务必阅读报告末页的重要声明 15 行业报告│行业深度研究 图表18：叠层电池结构图 图表19：叠层异质结电池材料、设备需求 工艺 厚度 材料 设备 TCO 800-1000nm ICO、IWO、 ITO RPD ITO、IZO PVD 缓冲层 15-20nm SnO2 RPD/ALD 电子传 输层 1/15nm LiF、MgF、 C60、PCBM Evaporation Slot-Die coating 钙钛矿 ＜500nm ABX3 Evaporation Slot-Die coating 空穴传 输层 15-20nm NIO、CuO PVD Spiro-TTB Coating 穿隧道 层 15-20nm ICO、ITO RPD/PVD p nc-SiOx/n nc-SiOx CVD 资料来源：《高效钙钛矿太阳电池及其叠层电池研究进展》刘璋、陈新亮 等，国联证券研究所 资料来源：捷佳伟创，国联证券研究所 晶硅/钙钛矿叠层电池转换效率不断提升。2022年12月德国柏林亥姆霍兹中心 （HZB）制备的硅钙钛矿串联电池效率高达 32.5%，经意大利认证机构欧洲太阳能 测试装置（ESTI）测试创下新的世界纪录。此项记录在两年内三次刷新，2021下半 年，HZB团队通过周期性纳米织物实现了29.8%的光电转化效率；2022年夏天，瑞 士洛桑高等理工学院研制出转换效率31.25%的串联电池。叠层电池未来有望替代昂 贵的Ⅲ/Ⅴ族化合物半导体电池—如砷化镓、铟镓磷和氮化镓等。 图表20：晶硅/钙钛矿两端叠层电池研究进展 请务必阅读报告末页的重要声明 16 行业报告│行业深度研究 资料来源：隆基绿能，国联证券研究所 异质结电池与钙钛矿叠层最为适配：1）目前主流晶硅电池中，仅异质结电池具 备透明导电层TCO，可与钙钛矿叠层完美适配，后续改造难度小，工艺流程简单， 升级优化成本低；2）异质结电池的对称性结构，可兼容正反型钙钛矿电池技术；3） 异质结电池开路电压高，因此与钙钛矿叠层串联输出电压高，从而保障钙钛矿/异质 结叠层电池效率较高；4）异质结电池和钙钛矿电池制备均属于低温工艺，工艺温度 上较为适配。 图表21：异质结/钙钛矿两端叠层电池技术路线 资料来源：隆基绿能，国联证券研究所 截至2023年2月底，国内已有协鑫光电、纤纳光电和极电光能等3条百兆瓦以 上产能钙钛矿产线投产。其中，协鑫光电和纤钠光电的产线产能分别为100MW，极 电光能的为150MW，此外，许多实验室小线已经建成或正在建设。 请务必阅读报告末页的重要声明 17 行业报告│行业深度研究 图表22：国内钙钛矿企业进展 公司名称 成立时间 技术路线 效率 面积（cm2) 产业化进度 产能（MW） 协鑫光电 2010 单结溶液法 16.4% 1300 中试线投产 100 纤纳光电 2015 单结溶液法 21.8% 19.35 中试线投产 100 极电光能 2020 单结真空溶液两步法 19.9% 810 中试线投产 150 万度光能 2016 单结介孔印刷 小试线建成 众能光电 2015 单结溶液法 20.1% 61.58 小试线建成 华能清洁能源 研究院 2015 单结溶液法 15.5% 3500 小试线建成 大正微纳 2016 单结柔性 小试线建成 仁烁光能 2021 钙钛矿/钙钛矿叠层 29.0% 0.05 小试线建成 光晶能源 2022 单结溶液法 小试线建成 脉络能源 2022 单结溶液法 小试线建成 曜能科技 2017 晶硅/钙钛矿叠层 29.6% 25 小试线建成 无限光能 2022 单结真空法 24.7% 1 小试线建成 资料来源：CPIA，国联证券研究所 2. 多项优势助钙钛矿产业化加速 2.1 材料结构原理简单 虽然无机卤化铅自19世纪以来就被研究，有机-无机卤化物自20世纪初就被关 注，但混合卤化物钙钛矿首次报告直到 1978 年才由 Weber 提出，他同时报告了 CH3NH3PbX3（X = Cl, Br, I）和CH3NH3SnBr1-xIx合金。在随后的几十年里，这些材 料不断被研究，直到2009年首个钙钛矿太阳能电池出现。钙铁矿材料具备理想的禁 带宽度，极高的吸光系数，很低的电子空穴对结合能、均衡的载流子迁移率和较长的 载流子寿命等多个优点。 钙钛矿最早是指CaTiO3，由 Gustav Rose在俄罗斯乌拉尔山发现，它的晶体结 构由共享角的TiO6八面体组成，其中Ca占据每个单元格中的立方八面体空腔。随 后类似的晶体结构也逐渐被发现，因此用 ABX3 来代表此类物质（如 SrTiO3 和 BaTiO3）。通过改变温度、压力和电磁场，可以使BX3多面体在网格中发生可逆相变， 从而改变其倾斜和旋转角度，最终可以获得立方体、四方体、正方体、三角体和单斜 多晶体。 A位和B位为阳离子，X位为阴离子，六个阴离子X将阳离子B包围成正八面 体结构，A位阳离子则位于八个正八面体中心。其中A位阳离子一般为MA+（CH3NH3+， 甲胺）、FA+（（ NH2）2CH+，甲脒），Cs+、Rb+等；B 位二价金属阳离子包括Pb2+、 请务必阅读报告末页的重要声明 18 行业报告│行业深度研究 Sn2+等；X位一般指卤素阴离子，如I-、Br-、Cl-等。 图表23：钙钛矿晶体结构 资料来源：脉络能源，国联证券研究所 注：CH3NH3PbI3简称为MAPI，[CH(NH2)2] PbI3简称为FAPI 在光照条件下，电池通过吸收光产生一个从 ETL（电子传递层）指向 HTL（空 穴传输层）的电场。这个场将诱导碘化物（MA）空穴向 HTL（ETL）运动。因此， 这些迁移的缺陷不断积累将使 MAPbX3薄膜上产生静电势，其方向与光子吸收产生 的静电势相反。正极化使电池像一个n-i-p结，因此电流将与钙钛矿掺杂产生的梯度 方向一致，而负极化使电池表现为p-i-n结。 请务必阅读报告末页的重要声明 19 行业报告│行业深度研究 图表24：钙钛矿发电原理示意图 资料来源：《Organic-Inorganic Halide Perovskite Photovoltaics》Nam-Gyu Park、Sungkyunkwan University 等，国联证券研究所 介孔型PSCs结构为透明导电电极（Transparent conductive electrode，TCE） /电子传输层（Electron transport layer，ETL）/钙钛矿吸收层/HTL/金属电极。其中， ETL一般为TiO2，且包括两部分，即致密TiO2（Compact TiO2，c-TiO2）和介孔TiO2 （Mesoporous TiO2，m-TiO2），其共同作用是选择性接触，即提取电子阻挡空穴。 m-TiO2还能作为支架容纳钙钛矿并扩大接触面积。 目前国内钙钛矿行业采用反式（n-i-p）结构为主。即在FTO玻璃上覆盖一层P 型的空穴传输层，再往上覆盖钙钛矿层，钙钛矿上面是 N 型的电子传输层。再往上 是背电极。这是由于相比于正式结构，采用反式结构材料选择会更多，更好地完善制 备工艺，但本质上两者工作原理没有太大差别。 2.2 天然具备多重优势 相比于传统晶硅电池，钙钛矿电池在材料用量、工艺温度、制备难易程度、环保、 初始投资额、生产成本等多方面具备优势。 请务必阅读报告末页的重要声明 20 行业报告│行业深度研究 图表25：钙钛矿相对于晶硅电池的优势 技术 2m2材料用量 最高工艺温度 产业链 毒性 初始投资 成本 晶硅 1.7kg硅料 1450℃ 5个环节 含铅 11亿元/GW 1.5-1.7元/W 钙钛矿 1g钙钛矿 ＜200℃ 2个环节 含铅低于晶硅 5亿元/GW 0.8-1元/W 资料来源：弗斯迈，国联证券研究所 1）温度系数低：晶硅组件的温度系数是-0.3%/℃左右，即每上升 1℃，组件功 率会下降0.3%。而钙钛矿组件的温度系数为-0.001%/℃，十分接近于0，因此在实 际应用中，尤其是高温的工作环境下，相同标定转换效率的钙钛矿电池会比晶硅电池 具备更高的发电功率。同时钙钛矿电池还具备强弱光表现，应用场景丰富等特点。 图表26：不同技术路线对比 项目 a-Si c-Si Ⅲ/Ⅴ 钙钛矿 强光表现 low high high high 弱光表现 high low high high 功率/成本 medium high low high 设计安装形式 medium low medium high 资料来源：大正微纳，国联证券研究所 2）制备速度快：目前协鑫光电已能把从玻璃、胶膜、靶材、化工原料进入到组 件成型的全过程控制在45分钟之内。 3）钙钛矿组件制造环节少、投资额少：传统晶硅电池需要经历硅料、硅片、电 池和组件四大流程，其中硅料纯度要求极高（99.9999 ~ 99.99999%），同时需要在 1000℃高温下烧制而成；随后拉棒环节，硅料在 1400℃左右的高温下熔化成液体， 并通过籽晶长时间生长