钙钛矿的产业探索加速，几大核心问题仍有待突破

招商研究碳中和研究小组出品

游家训  招商证券电力设备与新能源行业首席分析师

张伟鑫  招商证券电力设备与新能源行业分析师

蒋国峰（研究助理）

核心观点

晶硅作为第一代电池技术，经过几十年的蓬勃发展，是目前最成熟的光伏技术。但研发效率逐渐接近其理论极限，进步空间相对有限。在第二代薄膜电池量产表现不佳的情况下，以钙钛矿为主的第三代光伏技术凭借突出的理论效率受到广泛关注。目前，钙钛矿正处于逐步从科研向产业化尝试的阶段，其转化效率在快速提高，不过产业化还需要解决产品寿命、大面积制备等核心问题。

投资建议

钙钛矿电池具有突出的理论优势，但产业化还需要解决产品寿命与大面积制备的问题。行业的核心突击方向围绕这些核心瓶颈展开，需要各方参与者共同推动。建议关注关注在投入与布局钙钛矿的公司、TCO玻璃、封装材料、激光及镀膜设备厂商。

01

钙钛矿产业探索加快

晶硅电池作为第一代太阳能技术，经过几十年的发展，已成为主流技术，占比近95%。但其研发效率（26.81%）比较接近理论极限（29.4%），未来进步空间相对有限。第二代薄膜电池具有理论上的性价比，但效率与量产表现不佳。作为第三代电池技术的钙钛矿具备天然的理论优势，受到广泛关注。

更高的理论效率：带隙宽度可调，并接近太阳能电池的最理想值（1.34eV），单结钙钛矿电池理论效率极限为33%。

更低的理论成本：对于材料纯度要求低（95%以上），原料常见易获取（碳、氮、氢、铅、碘），材料、设备、能耗理论成本低。

▍图1：太阳能电池图谱

资料来源：招商证券

▍图2：光伏电池理论效率极限

资料来源：肖克利-奎伊瑟极限，招商证券

钙钛矿电池自2009年开始发展，研发端的效率仅用了十多年的时间，已由最开始的14.1%提升至25.8%，与晶硅电池26.81%的效率记录相比仍有差距，但进步迅速。

▍图3：晶硅电池（蓝色）与钙钛矿电池（红色）研发效率记录

资料来源：NREL，招商证券

2010-2015年属于产业萌芽期，钙钛矿相关企业先后成立，并确立了钙钛矿技术的研发方向。

2016-2020年，钙钛矿产业技术不断突破，研发效率记录不断突破且电池尺寸越来越大，领先企业陆续企业融资。

2021-2022年，钙钛矿产线成果明显加速，协鑫光电生产的全球最大尺寸（1m*2m）钙钛矿电池组件效率预计2024年前超过18%。同时，协鑫光电与纤纳光电已于2022年中投产百兆瓦量产中试线，产线正在进行调试与良率爬坡中。

2022年12月，极电光能宣布150MW钙钛矿生产线正式投产运行，该产线是目前全球产能最大的已投产钙钛矿产线。极电光能与纤纳光电已明确规划2023年开始启动其吉瓦级产线，钙钛矿电池产业化尝试正明显加速。

02

钙钛矿理论优势明显，

但仍有核心瓶颈需要解决

钙钛矿理论效率天花板高

钙钛矿理论效率更高。带隙宽度决定太阳能电池的理论转化效率，与晶硅和薄膜电池固定的带隙宽度不同，钙钛矿溶液拥有不同的配方组合，可以实现吸光材料不同的带隙宽度，且范围覆盖太阳能电池最佳带隙（1.34eV）。所以，钙钛矿相比于晶硅电池与薄膜电池，其理论效率（33%）更接近太阳能电池的极限效率（33.7%）。

钙钛矿对于杂质和缺陷容忍度高，更容易接近其理论效率。钙钛矿拥有优异的光电性能，较高的光吸收系数，较长的载流子扩散长度及寿命、较高的缺陷容忍因子。在95%以上的原料纯度下，就可以有效促进光生电子空穴对的分离和提取，减少电子传输过程中的效率损耗。

▍图4：不同吸光材料带隙宽度与理论效率极限

资料来源：Royal society of chemistry，招商证券

▍表1：太阳能电池理论极限

资料来源：招商证券

钙钛矿叠层后可以实现效率飞跃。带隙宽度高于晶硅电池，意味着钙钛矿适合光的短波长吸收，而晶硅更适合光的长波长吸收。在钙钛矿晶硅叠层的情况下，可以对太阳光光谱响应范围更宽，更充分的吸收光能，提升太阳能电池的整体效率，理论效率可达43%。同时，由于钙钛矿溶液的可调性，不同的溶液之间也可以实现叠层效果，双结与三结钙钛矿理论效率分别可达45%，49%。

▍图5：不同钙钛矿溶液光致发光(PL)

资料来源：Researchgate，招商证券

▍表2：钙钛矿叠层理论效率极限

资料来源：公开信息，招商证券

钙钛矿理论成本较低

钙钛矿电池结构相对简单，制造成本低。

产业链短：晶硅产业链分为硅料、硅片、电池片及组件四个主要环节，钙钛矿产业链明显缩短，生产工艺简单，原材料在单一工厂内仅需45分钟就可以加工成为组件，一体化产能仅涉及四套设备：涂布设备、镀膜设备、激光设备及封装设备。

设备投资降本空间大：按照目前百兆瓦级项目投资额估算，单GW设备投资超过10亿元，但考虑钙钛矿行业目前属于产业化初期，设备定制化程度高，国产替代水平低。后续产业化发展成熟，单GW设备投资额有望获得较大幅度降低。

生产能耗低：钙钛矿电池生产过程中，所有制备工艺均可在低温条件下进行（不超过300°C），电力能耗成本较低。

钙钛矿溶液的原料成本低。钙钛矿材料自身光电性能优异，对于杂质的容忍度较高，95%以上原料纯度足以满足生产需求，显著降低提纯费用。同时，钙钛矿吸光系数高，500-600nm厚度就可以满足吸光要求，单块1m*2m组件仅消耗钙钛矿溶液3-4g。此外，钙钛矿溶液均属于自然界中常见的氢、氮、碳、铅、碘等元素。因此，杂质容忍度高、用量少、易获得的钙钛矿溶液成本相对较低。

▍图6：钙钛矿电池主要结构

资料来源：X-Mol，招商证券

大面积制备与稳定性，是钙钛矿产业化主要瓶颈

大面积制备效率损失严重。

膜层均匀难以控制：大面积制备的钙钛矿电池，其面积/厚度比极大，玻璃衬底及膜层的细微不平整及不均匀，对于效率的影响都尤为明显。

死区面积：科研中目前主要使用小型单块钙钛矿电池来进行效率测试，而大面积制备中，需要将整块组件分割成多个单一子电池，子电池之间的连接处为死区，死区不具备发电能力。

钙钛矿溶液稳定性差，电池寿命短。

钙钛矿自身稳定性低：钙钛矿材料是离子键结构，与晶硅材料的共价键相比，更易发生分解与离子迁移；

对于外界因素敏感：钙钛矿层与空穴传输层材料对于水、氧、光、热等外界因素极为敏感。

▍图7：各类型光伏面积与效率关系

资料来源：Nature Review，招商证券

业界也在探索钙钛矿-HJT叠层结构

叠层钙钛矿研发效率已达到32.5%。钙钛矿带隙宽度高于晶硅电池，适合光的短波长吸收，晶硅更适合光的长波长吸收。在钙钛矿晶硅叠层的情况下，可以对太阳光光谱响应范围更宽，有效提升电池整体效率。2022年12月，钙钛矿与晶硅叠层电池研发效率已经达到32.5%。

业界也在探索钙钛矿与HJT叠层结构。HJT与钙钛矿配适度更高，HJT顶层与钙钛矿底层都是TCO导电层，与钙钛矿做叠层电池时，HJT产线无需更改。而钙钛矿与PERC/Topcon电池叠层时，需要去除晶硅电池顶层绝缘的氮化硅/氧化铝，另外制备TCO导电层，对晶硅电池产线改动较大。因此，钙钛矿-HJT叠层电池的理论效率高，叠层配适度更高。晶硅电池上具备较强的技术积累的主流厂商，在钙钛矿与异质结叠层的研发上也有不同程度探索与布局。

▍图8：钙钛矿与晶硅叠层效率记录

资料来源：NREL，招商证券

▍图9：HJT、钙钛矿、钙钛矿-HJT叠层结构

资料来源：《新型薄膜太阳能电池》，招商证券

03

如果核心问题获得突破，

相关环节将受益

钙钛矿厂商需通过改善配方与结构提高稳定性

溶液调整有助于改善稳定性。钙钛矿可调的吸光层溶液，对于电池效率与稳定性均有重要影响。钙钛矿溶液也是目前钙钛矿厂商主要的研究方向之一，稳定、高效的溶液配方未来也可能会成为领先企业的主要技术壁垒。

电池结构对稳定性也有影响。反式平面结构研制开始时间较晚，但进步快，目前最高效率仅略低于正是平面结构。但其空穴传输层材料成本低，稳定性较好。目前是企业量产试制线的主流结构方案。

▍图10：钙钛矿电池结构分类

资料来源：X-mol，招商证券

封装材料与技术提升

理化性能更好POE胶膜封装可以避免外界因素干扰。与晶硅电池相比，钙钛矿层与空穴传输层材料对于水、氧、光、热等外界因素更为敏感，对胶膜封装材料的要求更高，尤其透水率、透光率、应力表现（模量）、耐候性（耐紫外线、高温）、粘接强度、抗老化能力等有更高的要求。同时，EVA中未聚合的VA单体含有羧酸，可能与钙钛矿溶液中的A离子发生反应。因此，钙钛矿电池将主要选用POE胶膜进行封装。

大面积制备仍是难点

大面积制备对玻璃平整度要求更高。保障钙钛矿电池各膜层的均匀性，是大面积制备的核心难度之一，而TCO导电玻璃作为钙钛矿组件的基底，其平整度是其他膜层材料均匀性的基础。表面质量更好、厚度均匀、平整度高的超白浮法玻璃可能成为主要的玻璃供应。

不同设备工艺路线尝试解决均匀性问题。大面积的钙钛矿层制备要求极高，在厚度仅500nm的情况下，需要钙钛矿层达到平整、致密且全覆盖的效果。实验室制备钙钛矿层主要采取旋涂的方式，但大面积生产时均一性差，产业化可行尝试包括涂布、蒸镀工艺等。

高精度激光设备有效减少死区面积。钙钛矿依靠激光划线将单个组件分割成多块子电池，已达到多块电池串联的效果。单块子电池中，又分为有效发电区与不能发电的死区，死区是钙钛矿大面积制备时效率降低的主要原因之一。死区面积取决于生产过程中的三次激光划线（P1,P2,P3），激光设备的精度越高，就可以越大程度的减少死区面积。同时，钙钛矿材料的热稳定性相对较差，在激光划线工艺中容易发生热分解，对于激光设备的精度要求进一步提升。

▍图11：涂布工艺分类

资料来源：Researchgate，招商证券

▍图12：钙钛矿有效发电区及死区示意

资料来源：Ofweek，招商证券

风险提示：

1、钙钛矿降本增效进步不及预期：理论效率与成本是钙钛矿电池的核心优势，后续降本增效不及预期将制约行业发展。

2、产业化突破不及预期：大面积制备与稳定性问题是钙钛矿产业化的核心瓶颈，若后续无法有效突破，将限制钙钛矿产业化进程。

特别提示：

本篇文章摘录于2023年1月5日公开发布的研究报告《钙钛矿的产业探索加速，几大核心问题仍有待突破—光伏系列报告（67）》，完整内容以研究报告为准。

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