钙钛矿行业深度报告：下一代光伏电池新秀，产业化曙光初现
（报告出品方/作者：东吴证券，曾朵红、陈瑶）
Part1:提效快、成本低，钙钛矿潜力十足
钙钛矿电池：薄膜电池新星，产业化星火燎原
钙钛矿材料是有机无机金属卤化物ABX3，可由人工合成，材料性质可使光电损失小。钙钛矿材料是ABX3型八 面体结构，原材料储量丰富，可广泛由人工合成；钙钛矿材料具备高光电吸收系数、长载流子扩散长度、浅缺 陷能级，多方面促成钙钛矿光电损失小。
钙钛矿电池具有降本增效、高弱光效应、应用场景广阔优势，是新一代量产光伏电池的优良选择。钙钛矿带隙 可调节，通过不同带隙电池叠层，可最大程度吸收光子，效率上限远高于晶硅电池极限；钙钛矿具备高光吸收 系数，电池在阴天以及日出、日落等弱光场景也能正常工作；钙钛矿电池可广泛应用于BIPV和车顶光伏，下 游市场广阔。
钙钛矿电池结构主要分为单结和叠层结构，叠层结构效率上限高，但是技术难关多，目前钙钛矿/晶硅叠层是 大部分厂商选择的技术路线。单结钙钛矿电池结构是类似三明治层状的5层结构，结构简单；叠层电池是宽带 隙电池和窄带隙电池堆叠，以实现光谱最大程度吸收，目前双结叠层钙钛矿电池效率可突破43%，但是叠层电 池存互联层光电损失大、底电池不稳定等问题，技术方面有望进一步升级。综合考虑叠层电池效率、成本、工 艺难度，目前大部分晶硅厂商为发挥晶硅技术优势，选择钙钛矿/晶硅叠层路线。
钙钛矿电池工作原理
钙钛矿作为一种半导体材料，会产生光生伏特效应，即半导体在光照下会产生电动势。其光电转化过程主要包 括以下几个过程：
1）钙钛矿光电吸收层（Perovskite）具备高光吸收系数，吸收太阳光后容易产生电子-空穴对，并在室温下 被热化后会形成激子，然后发生电荷分离，光生电子跃迁到吸光层的LUMO能级上，光生空穴跃迁到吸光层的 HOMO能级上。
2）分离的自由电荷具有长的载流子寿命和扩散距离使得它们能够在复合前被有效的提取和传输，其中电子传 输层（ETL）提取并传输电子且能够快速地阻挡空穴 ，同时对应的空穴传输层（HTL）提取并传输空穴且也 能够快速地阻挡电子。
3）被提取地载流子经过传输层传输进一步被相应的阳极导电玻璃（photoanode）和阴极金属电极（ counter electrode）所收集并经过负载外电路形成回路。
钙钛矿优势：效率进展迅速，理论极限高
晶硅电池效率即将接近极限，下一代钙钛矿潜力充足。晶硅电池经过40余年的发展，实验室转换效率逼近 27%，接近极限；钙钛矿电池具备光电损失小、带隙可调节特点， 叠加叠层技术，可实现接近两倍晶硅电池 效率，潜力充足。
晶硅电池理论效率极限为29.4%，目前最高效率已达到26.8%。晶硅太阳能电池被俄歇复合限制在理论效率为 29.4%,考虑到现实中的光学损失与电学损失，最终可以达到的效率上限可能进一步降低至27%；2017年日本 的Kaneka公司研发的HJT电池以26.7%晶硅电池效率最高记录保持5年，2022年12月隆基HJT效率达26.81%， 成为新世界纪录。
PART2 单结/叠层多元发展，钙钛矿技术百花齐放
钙钛矿电池结构：单结电池+叠层电池各有特点
钙钛矿电池目前研究进展主要分为单结电池和多结叠层电池。钙钛矿单结电池不需要依托PN结就能产生光生 伏特效应，结构简单，仅有五层；由于钙钛矿带隙可调节，因此可以搭配其他半导体材料进行叠层，叠层后的 多结电池可以覆盖大部分带隙，实现光子全方位吸收，实现电池效率成倍增长。
单结电池产业化生产主要为平面反式结构。单结钙钛矿电池结构可分为介孔结构和平面结构，平面结构又可分 为正式结构和反式结构；透明导电电极、电子传输层、钙钛矿光电吸收层、空穴传输层、金属电极为主要结构 要素；由于平面反式结构具备可低温制备、稳定性较高优势，目前广泛用于产业化生产。
钙钛矿/晶硅叠层研究进展领先，两端叠层方式具备产业化生产前景。目前主流钙钛矿叠层技术为：钙钛矿/晶 硅叠层、钙钛矿/钙钛矿叠层、钙钛矿/ CIGS叠层，由于钙钛矿/晶硅叠层具备底电池（晶硅电池）技术成熟稳 定的优势，在诸多叠层中研究进展最快，实验室效率领先。两端叠层方式，是指子电池通过互联界面串联，仅 需一个透明电极，成本较低，在工艺方面具备发展前景。
钙钛矿电池结构—介孔结构
介孔结构类似三明治层状结构，结构简单，主要分为5层：1）透明导电电极：主要作用是将收集到的电子传输 到外电路，同时具备较高光透过率，目前主要采用FTO玻璃。2）介孔电子传输层：将钙钛矿受光子激发后的 电子提取出来，同时阻挡空穴向阴极方向迁徙；具备较高光透过率，便于更多光子照在钙钛矿吸收层上；介孔 为钙钛矿吸收层提供骨架支撑的作用；主要材料是TiO2。3）钙钛矿吸收层：受到光子激发，形成电子-空穴对， 产生光电效应。4）空穴传输层：传输空穴，阻止电子传输；主要材料是有机物Spiro-OMeTAD。5）金属电 极：传输电子，主要材料是银。
介孔能够作为骨架支撑钙钛矿，但是高温制备，工艺难度大。介孔有钙钛矿支撑骨架作用，增大钙钛矿吸收层 与电子传输层的接触面积，有效提高电子传输效率；介孔层的制备通常需要400-500℃的高温退火处理，增加 了工艺难度。
钙钛矿电池结构—叠层
叠层结构分为窄带隙底电池、互联结/隧穿结、宽带隙顶电池三部分。宽带隙电池作为顶电池吸收较高能量光 子，窄带隙电池作为底电池吸收较低能量光子，实现子电池对太阳光谱分段利用，从而避免高能光子的热化损 失，提高太阳能利用率和电池光电转换效率。钙钛矿ABX3通过改变 A、B、X组分可实现带隙宽度从 1.17~2.8 eV 调节，能够与其他中窄带隙底电池匹配。
两结叠层电池为主要应用方向，钙钛矿/晶硅叠层目前效率最高。叠层的结数越多，理论上可以获得更高的效 率，但是考虑到成本，目前两结叠层电池为主要应用方向；钙钛矿/晶硅叠层和钙钛矿/钙钛矿叠层的电池效率 较高，分别为32.5%和28%，成为目前叠层电池研究领域的焦点，钙钛矿/CIGS 叠层电池效率也获得了很大提 升，成为下一代光伏电池很有潜力的竞争者。
PART3 工艺铸就核心竞争力，设备国产化降本可期
钙钛矿生产设备：镀膜、激光、涂布、封装
钙钛矿电池组件生产共需要镀膜设备、激光设备、涂布设备、封装设备四种设备。钙钛矿组件生产中材料、工 艺、设备互相配合铸就钙钛矿企业的核心竞争力。从工艺角度出发，钙钛矿电池组件在生产中需要用到4类设 备，已有部分国产化选择。
镀膜设备价值最高，为未来降本主要途径
镀膜设备价值量最高，占据设备投资绝大比例。百MW级产线的核心总投资额约1.2亿元，其中镀膜设备：激光 设备：涂布设备：封装设备投资比例为50%：25%：15%：10%；生产百MW级钙钛矿需要镀膜设备3台（2台 PVD，单价1000万/台；1台PRD，单价2000万/台）、激光设备3-4台(大多数4台)，总价值量1000-1500万；涂布设备单台1000+万/台，湿法制备需2台，钙钛矿层+钝化层合计2000万+；封装设备1台，单台价值1200 万左右，连同后道设备价值量共3000万+。镀膜设备总投资额占比最高，未来镀膜设备国产化钙钛矿生产降本 为主要途径，后续GW级设备投资预计为7-8亿元/GW。
涂布设备：德沪涂膜大尺寸电子级狭缝涂布设备占70%
钙钛矿层为钙钛矿电池的最核心层，主流方法采用狭缝涂布机制备。目前国内钙钛矿层制备工艺主要采用狭缝 涂布机进行制备，共有协鑫光电、纤纳光电、无限光电、极电光能、万度光能五家企业布局；协鑫光电、纤纳 光电、无限光电、极电光能等厂商同时进行旋涂机、蒸镀PVD工艺布局；刮刀涂布、喷涂、CVD、丝网印刷机 属于少数技术选择方向。
德沪涂膜产业化进程领先，2022年大尺寸电子级狭缝涂布设备市场市占率达70%以上。公司目前为国内最大的 钙钛矿电池制造用核心狭缝涂布设备供应商，在大尺寸电子级狭缝涂布设备领域市场占有率达70%以上，技术 指标与全球同类企业产品相当；并向供应协鑫100MW钙钛矿产线供应大尺才核心狭缝涂布设备。
封装设备：光伏组件供应商有望受益
目前钙钛矿太阳能电池常见封装技术有两种：1）第一代封装技术通过使用使用蒸发金属喷射器和焊接金属带 将电流从电池传导到外部，并密封金属带边缘；2）第二代封装技术通过透明的氧化铟锡电极将钙钛矿电极与 金属电极分开，以保证电极与印刷电路板之间有一定的横向间隙。封装面直接是ITO电极，可以更好的密封整 个器件。
光伏组件供应商有望受益：1）弗斯迈：已能为钙钛矿组件龙头厂商提供整线解决方案，主要提供精确裁覆膜 设备、贴绝缘胶带机器、贴导电胶带机、汇流条贴数机、层压机等封装设备；2）众能光电：拥有层压机、用 于光电器件钝化的ALD设备；3）京山轻机：与华中科技大学合作达成合作,共同开发光伏原子镀膜装备。
Part4:技术+政策+资金助力，产业化曙光初现
钙钛矿电池产业化受制，材料稳定性先天缺陷
降本增效显著，但稳定性存在先天缺陷。钙钛矿电池相较晶硅电池有显著降本增效优势，但钙钛矿及电池器件 各材料稳定性存在先天缺陷，容易导致组件在运行过程中寿命衰减。钙钛矿电池组件的不稳定性主要来自于钙 钛矿材料自身的不稳定，以及器件各层材料之间的接触面对器件性能的影响。
离子晶体结构，钙钛矿材料具备不稳定性。钙钛矿自身的不稳定性可分为：1）物理不稳定性，即材料本身分 解能较低，离子容易发生扩散，温度或者组分的差异会导致钙钛矿材料发生成分偏析或者相分离，影响钙钛矿 层的光电性能和长期稳定性；2）化学不稳定性，即钙钛矿具有离子键合特性，并且组成离子均为离子势较小 的“软”离子, 且含有较易分解的有机铵离子, 这使得钙钛矿体系形成能较小、缺陷密度较高、各组分反应活 性大，容易与环境中的水分子、空气发生反应，光照下发生相分离，同时大量缺陷的存在也使得离子迁移很容 易发生，是钙钛矿太阳能电池存在“迟滞”现象的重要原因，离子迁移的累积会造成钙钛矿晶体结构的崩塌， 极大地损害器件的长期稳定性 。
钙钛矿电池产业化受制，大面积制备有难度
实验室效率进展迅速，产业化阶段电池效率随组件面积放大而衰减。目前钙钛矿电池实验室效率进展迅速，然 而大多为1cm以下的小面积薄膜，产业化阶段随组件面积放大，制作工艺难度提升，电池效率呈现衰减趋势。制备大面积钙钛矿薄膜电池，设备、工艺、配方三个环节都不可或缺。
涂布均匀度需要设备与工艺精密配合。目前商业化主流采用狭缝涂布，生产节奏较快，涂布机自带封闭，对环 境容忍程度高。涂布工艺核心是根据不同膜厚、溶液特性来涂抹，针对不同材料体系，其粘度、配方不同，涂 布的速度以及对均匀度要求也不同。涂布设备难点在于：1）涂布模头精度要求非常高，价值昂贵且多为进口。锂电池涂布机精度50微米，而狭缝涂布机（以德沪为例）精度达到20纳米；2）泵抽取溶液、转动轴电机速度 均匀；3）调令以及集成系统、控制系统需要配合材料体系和制备工艺。
结晶过程控制晶体生长以提高稳定性与寿命。结晶环节是组件尺寸放大和大规模连续制造的最主要挑战。晶体 的尺寸、均一性和贯穿率直接体现了结晶环节的工艺水平，不均匀结晶会导致电池内部电阻率升高、转换效率 下降，同时晶粒越大缺陷影响越小，电池效率越高。目前各厂商结晶环节各有优势，已有方式：1）在涂布环 节进行结晶预处理、采用在线结晶方式改善后续晶体生长；2）采用两步法，先蒸镀后涂布，利用有机组分扩 散反应提高结晶质量；3）利用自身经验储备自研及改进结晶所用设备、退火炉等，提高加热均匀度。
PART5 市场空间广阔，钙钛矿前景星辰大海！
供给端：2025/2030钙钛矿市场空间分别为38/950亿元
2025年钙钛矿组件市场空间达37.5亿元，2030年达950亿元。按照各家厂商发布的量产规划，2023年合计 钙钛矿组件产能1.25GW，2025年7.4GW，预计组件市场空间约37.5亿元，2030年钙钛矿组件产能预计 142GW，对应市场空间约950亿元，2022-2030CAGR达128%。
供给端：钙钛矿材料端空间测算
钙钛矿需求高增带动设备及原材料需求空间广阔，预计2030年设备及原材料空间达239/490亿元。若2030年 钙钛矿组件产量为95GW，产能对应设备市场空间为239亿元，其中镀膜/激光/涂布/封装设备为别为 120/60/36/24亿元；对应钙钛矿材料市场空间28亿元，玻璃市场空间259亿元（FTO玻璃182亿元，背板玻 璃77亿元），封装材料市场空间98亿元（POE胶膜及丁基胶各49亿元），靶材市场空间105亿元，玻璃及靶 材因单位成本占比较高，价值量空间较大。
需求端：BIPV钙钛矿电池为理想材料
BIPV为光伏未来应用的重要场景：光伏建筑一体化（BIPV）为将光伏组件集成到建筑上的分布式发电系统， 主要应用场景包括屋顶、幕墙、窗户、围栏等，其中立面和光伏屋顶为主要应用方向。
钙钛矿为BIPV应用的理想材料：1）钙钛矿组件更轻薄、柔韧性好更好，可塑性高，可以任意弯曲，在BIPV 中应用更广泛；2）相较于晶硅电池透光性更强，可以满足建筑物对于不同光照强度的要求；3）钙钛矿组件具 有颜色可调的特点，可以根据需求生产出不同颜色的组件，美观性更强；4）在阴天和人造光环境下也有较高 的转换效率，发电较为稳定。
报告节选：
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