钙钛矿：第三代电池佼佼者，产业化潜力较大
1.1 钙钛矿十年时间效率直逼晶硅，发展前景广阔
太阳能电池是一种利用光生伏特效应使得太阳能转化为电能的半导体器件。在数十年间，太阳能电池的发展已进入到了第三代，种类也得到了极大的丰富。其中，第一代电池主要为晶硅太阳能电池，是目前技术最为成熟、商业化最为成功的太阳能电池，但仍存在着制 备工艺复杂、对硅料纯度要求较高等问题；第二代为化学薄膜太阳能电池，主要以 CdTe、GaAs、CIGS 为代表。与晶硅电池相比，这类电池所需材料少，成本低而且转化效率高，已经逐步进入到商业化的进程中，但其活性层具有部分稀有元素与重金属元素，价格昂贵， 难以应用于大规模生产；第三代为新型薄膜太阳能电池，如钙钛矿太阳能电池（PSCs）， 染料敏化太阳能电池（DSSC），有机太阳能电池（OSC）等。它们具有生产工艺简单、原 料储量丰富、生产成本低等优势，在效率提升和降本等方面均具备较大潜力，受到全球学术界和产业界的广泛关注。
钙钛矿物质的化学通式为 ABX3，正八面体结构。在太阳能电池的应用中，A 为单价阳离子，通常为甲胺阳离子(MA+，CH3NH3 +)、Cs+或甲脒阳离子(FA+，(NH2)2CH+)，X 为卤素阴离子(Cl-、Br-、I-)，B 包括 Pb2+、Sn2+、Bi2+等。
晶硅实验室效率陷入瓶颈，钙钛矿实验室效率十余年间超越晶硅。晶硅电池效率在 1970年代达到了 13%、14%，2017 年后停留在 26.7%。而钙钛矿最早在 2009 年由日本科学家 首次用于发电，转换效率仅 3.8%。2012 年，牛津大学的Henry Snaith发现钙钛矿可以用作太阳能电池的主要成分，而不仅仅是用作敏化剂，由此太阳能光伏研究领域正式开始使 用合成钙钛矿。经过10余年发展，单结钙钛矿电池的实验室效率已达25.6%，接近由隆基22年 11 月创造的 HJT 晶硅电池 26.8%的实验室效率纪录。单结钙钛矿电池理论转化效率可达 33%，高于晶硅电池极限效率 29.4%。
1.2 结构多样，材料体系尚未定型
1.2.1主流结构分为介孔、正式平面、反式平面
钙钛矿电池由多个功能层堆叠形成，其结构大致可分为三类：介孔结构、正式平面结构和 反式平面结构，其中：
1）介孔结构是最早诞生的钙钛矿电池结构，其主要特点在于采用二氧化钛作为介孔骨架，实现电子的转移运输，具有成膜均匀光滑、光电转换效果好等优点。然而，介孔结构往往需要进行高温烧结，不利于大规模量产和柔性器件的制备；
2）正式平面结构与介孔结构较为类似，但不存在介孔电子传输层，减少了高温烧结二氧化钛的过程，制备工艺更为简单，且相较介孔结构能获得更高的开路电压。但由于缺失介孔层，正式平面结构的电池对空间电场的分散能力更弱，因此转化效率略逊色于介孔结构。另外，正式平面结构往往使用湿度、热稳定性较差的有机空穴传输层，影响了电池的稳定性。
3）反式平面结构的基本组成依次为 TCO 玻璃、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层和金属电极，其电荷的流向与正式结构不同，空穴流向导电玻璃、电子则流向金属对电极。反式结构还具有制备工艺简单、成膜温度更低、与叠层电池器件结构的兼容性好等优点，是钙钛矿电池厂商产业化过程中采用的主流结构，但光电转换效率相较正式结构仍具有与一定差距。
1.2.2材料体系尚未定型，不同膜层均有多种选择
TCO 导电玻璃：产业上常用的 TCO 导电玻璃分为 ITO、FTO 和 AZO 玻璃三类，分别采用In2O3、SnO2 和 ZnO 作为靶材。ITO 具有电导率高、透过率高等优点，曾广泛应用于光伏 领域，但产业对光吸收性能要求趋严，使得 TCO 玻璃必须具备增强光散射的能力，而 ITO很难实现这一要求，因此逐渐被 FTO 所取代。FTO 的导电性能与 ITO 相比稍显逊色，但具有成本低、膜层硬、光学性能适宜等优点，目前是应用于光伏玻璃领域的主流产品。AZO的光电性能与 ITO 相近，且 AZO 原材料简单易得，生产成本低，在未来产业化的进程中具备重大潜力。
电子传输层（ETL）：产业端常用的电子传输层材料包括金属氧化物、有机小分子和复合材料，其中金属氧化物有二氧化钛(TiO2)和二氧化锡(SnO2)，有机小分子主要为富勒烯及其衍生物，复合材料包括通过绝缘材料框架与 TiO2 构成复合材料如 TiO2/Al2O3、掺杂其他元素如钇的石墨烯/TiO2纳米颗粒复合材料。二氧化钛是最早且应用最为广泛的电子传输层材料，主要得益于二氧化钛与钙钛矿的能级较为匹配，能够有效实现电子传输并阻挡空穴，而且价格较为便宜，但TiO2 制备过程中往往需要进行 500℃以上的高温烧结以提升传输性能，这一过程制约了TiO2在柔性衬底上的应用和其产业化的进程。SnO2 电导率和载流子迁移率较高，且制备温度较低，是较为理想的电子传输层材料。因此目前 SnO2 被产业界广泛研究，以期在产业化进程中实现对 TiO2的替代。
钙钛矿吸光层：吸光层采用的材料一般为有机-无机混合钙钛矿化合物前驱液，目前主流工艺多采用 MAPbI3 等。钙钛矿电池的原材料储备极为丰富，且配制前驱体溶液不含复杂工艺，对试剂纯度要求不高。
空穴传输层（HTL）：空穴传输层材料可分为有机材料和无机材料两大类。最常用的有机材 料是 Spiro-OMeTAD、PTAA、PEDOT:PSS 等。然而有机空穴材料合成复杂，价格昂贵，主要为实验室使用，且 PEDOT:PSS 等部分材料还具有酸性和吸湿性，会使得钙钛矿的吸光层材料衰减加速。产业端多采用无机材料来代替有机材料，以提升电池寿命、降低生产成本。常用的无机空穴材料包括 Cu2O、CuI、CuSCN、NiOx 等。无机空穴传输层还具有稳定性好、空穴迁移率高、光学带隙宽等优势，但目前 HTL 采用无机材料时，钙钛矿电池 的效率表现不及使用有机空穴传输材料。
电极层：产业端多采用铜、银等金属电极，或金属氧化物等作为电极层材料，碳电极也在尝试中。
1.3备制路径百花齐放，主流方法包括涂布/RPD/蒸镀/磁控溅射
以反式平面结构为例，钙钛矿的工艺流程大体包括如下步骤，其中钙钛矿膜层备制难度最高，钙钛矿/HTL/ETL 层备制均存在不同技术路线：顶电极 ITO/FTO 玻璃入线→激光刻蚀 →清洗→制备空穴传输层→退火/干燥→制备钙钛矿吸光层→退火烘干→制备电子传输层→ 退火/干燥→激光刻蚀→制备电池层→激光刻蚀→激光清边→测试分拣→封装。
1.3.1钙钛矿吸光层制备工艺：实验室一般为旋涂，产业界以涂布为主流
钙钛矿吸光层的制备技术百花齐放，大致可分为五大类，分别为(1)溶液涂布法：具体包含有刮刀涂布法、狭缝涂布法和丝网印刷法；(2)旋涂法：具体可分为一步旋涂法和两步旋涂法；(3)喷涂法和喷墨打印法；(4)软膜覆盖法；(5)气相沉积法。
(1)溶液涂布法：主要通过涂布装置使得钙钛矿前驱体溶液在基底表面完成相对运动，依靠液体的表面张力和基底接触而成膜。按涂布设备的不同，可将其进一步划分为刮刀涂布法、狭缝涂布法和丝网印刷法。其中，狭缝涂布法具有印刷速度快、浆料利用率高、薄膜质量控制更加精细化等优点，是目前钙钛矿电池产业化中选用的主流方法。
(2)旋涂法：旋涂法主要是将钙钛矿前驱体溶液滴在滴板上，依靠工件高速旋转的离心力完成涂覆和薄膜沉积，具有成膜质量高、对薄膜厚度控制精准等优点，一般于实验室备制小面积电池使用。
(3)喷涂和喷墨打印法：该方法将钙钛矿前驱体溶液直接喷在基底表面，随后在基底上沉积薄膜，可通过改变溶液浓度、喷头与基底间的距离和喷涂速度控制钙钛矿的成膜形态。
(4)软膜覆盖法：该方法是在压力环境下借助 PI（聚酰亚胺）膜覆盖，实现胺络合物前驱体向钙钛矿薄膜的转化。该方法有效地阻止了溶剂向空气中蒸发，易于获得无针孔且高度均匀的钙钛矿薄膜。此外，这种沉积方法不需要真空环境，且可以在低温工艺下进行。
(5)真空镀膜法：蒸镀法，一般以共蒸为主。相较于溶液法，真空镀膜法得到的钙钛矿薄膜更加均匀平整，但是需要精准控制蒸发源的成分，操作难度极大。该方法还需在真空环境下进行，薄膜制备时间长，设备成本较高。
(6)气相辅助溶液法：该方法首先利用液相制膜技术将前驱体薄膜涂布在基底上，然后再将其转移到有机胺卤化物(MAI)的蒸汽中，进而完全转换为钙钛矿薄膜，兼具了溶液法和真空镀膜法的优势。
1.3.2电子传输层&空穴传输层&电极层备制存在较多选择路径
透明导电基底往往从玻璃厂商处直接采购获得，而后企业再对其进行刻蚀处理等以完成后续功能层制备。电子传输层沉积和空穴传输层沉积的技术路线较为相似，基本包含 PVD（包含磁控溅射和蒸镀法）、反应等离子沉积(RPD)和狭缝涂布三大类，电极层则主要使用 PVD技术。目前，工业界制备钙钛矿电池的主流路线包括 PVD→PVD→狭缝涂布→RPD (或 PVD)→ PVD、PVD→狭缝涂布→狭缝涂布→狭缝涂布→PVD 和 PVD→PVD→气相沉积→PVD→PVD 三大类，不同路径均有各自优缺点，尚未形成统一技术路径。
1.3.3激光：将大尺寸组件划片成小尺寸电池串联，四道工序，暂不存在路线分歧
钙钛矿电池制备过程中，还需利用激光设备对电池进行激光刻蚀和激光清边。激光刻蚀的主要目的是使用激光划线打开膜层，阻断导通，从而形成单独的模块、实现电池分片，主要用于 P1、P2 和 P3 层。通常情况下 P1 为 FTO 导电玻璃，P2 层是钙钛矿吸光层，P3 则一般是镀金或者镀银材料。在进行激光刻蚀的过程中，一般需保证激光刻蚀线宽与刻蚀线间距精确度，并且不会对之前的层级造成损伤。P4 层则主要利用激光设备实现激光清边， 对电池的边缘进行绝缘处理，去除无效区域。
1.3.4封装工艺与晶硅相似度较高
钙钛矿封装工艺与晶硅相似度较高，主要流程为层压，封装核心辅材为 POE胶膜与丁基胶。以协鑫光电为例，协鑫采用了包含两个封装层的封装工艺，具体流程为：
(1)首先，需要先在钙钛矿太阳能电池的外周表面制备1nm-1000nm 的第一封装层。第一封装层由致密的金属化合物沉积而形成，用于阻隔钙钛矿电池与外界进行物质交换。金属化合物可以选择 Al2O3、TiO2、SnO2、ZnO、ZnS 等，制备则可以采用化学气相沉积(CVD)、 物理气相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)中的任意一种工艺。
(2)随后，再在第一封装层的表面施加热熔胶形成第二封装层，材质可使用 POE 膜，厚度为100μm-2mm。
(3)最后，采用层压机使得热熔胶膜与第一封装层和背板粘结在一起，最终形成钙钛矿电池 组件完整的封装结构。
1.4设备、电池、辅材是钙钛矿产业链投资核心环节
钙钛矿电池上游主要包括原材料和设备两部分，其中，原材料有钙钛矿材料、TCO 导电玻璃、胶膜以及光伏玻璃；产业链中游则是众多钙钛矿电池厂商，协鑫光电、纤纳光电和极电光能等龙头企业的产业化进度领先；下游则可应用于光伏产业、LED、BIPV 等众多领域。
从各功能层的生产需求而言，钙钛矿产线所需设备大致有真空设备、涂布设备及激光设备三大类。其中，真空设备包括磁控溅射仪、反应式等离子体镀膜设备（RPD）设备和蒸镀机，涂布设备主要用于钙钛矿吸光层的制备，国内设备供应商包括德沪涂膜、众能光电等，激光设备则主要用于对电池进行激光刻蚀和激光清边。
光伏
钙钛矿电池具备多优势，但仍有两大挑战需解决
2.1. 理论效率更高、理论成本更低、发电量更高、应用场景更广
相较晶硅，钙钛矿具理论效率更高、理论成本更低、发电量更高、应用场景更广四大优势。
优势一 极限效率高
钙钛矿电池的极限转换效率高于传统晶硅太阳能电池，这主要得益于钙钛矿材料的禁带宽度与最优带隙的区间极为接近。此外，钙钛矿材料带隙宽度连续可控，使其便于与晶硅电池制成高效叠层器件，可进一步打开理论转化效率的天花板。(1)禁带宽度适宜：单结太阳能电池吸光层材料的最优带隙区间为 1.3-1.5eV，而 MAPbI3、FAPbI3等常用钙钛矿材料的禁带宽度在1.5-1.6eV的区间内，理论转化效率均可超过30%。
(2)材料带隙宽度连续可控：A、B、X 含量不同可获得不同组分的钙钛矿材料，相应材料的带隙和能级分布也会产生差异。若对钙钛矿的 A、B、X 位进行组分调控，可将带隙宽度在1.17-2.8eV 内做到连续可控。带隙的大小决定了电池吸收光子的能量范围，因此可调的带 隙宽度为钙钛矿和晶硅电池叠层器件的制备提供了多种选择，利于实现两者吸收光谱的互补，光电转换效率最高可达 47%。
3)钙钛矿电池效率直接等同于组件功率。目前 TOPCon 电池片的量产效率大约为 25%，但是封装成组件效率后的效率一般为 22%左右，具有 2%-3%的组件效率损失（CTM Loss），而钙钛矿电池则没有 CTM Loss，电池片效率直接可比组件功率，在产业化进程中具有显著优势。
优势二 成本低相较于传统晶硅电池，钙钛矿电池具有显著的成本优势，主要体现在初始投资额、材料成本与能耗成本三大方面。(1)初始投资额低：据协鑫光电估计，待技术成熟后，5-10GW钙钛矿电池的设备投资金额 约为 5-6 亿元/GW，是晶硅电池的整套产业链设备成本的 1/2 左右。(2)材料成本低：钙钛矿材料具备优异的光吸收能力，光吸收系数达 105 的量级，因此原材料用量低，电池吸光层的厚度很薄，在材料成本方面具备优势。钙钛矿吸光层的厚度大约 为 400nm 左右，与除玻璃外的其他功能层合计厚度约为 1um，而晶硅电池中的硅片厚度通常为 150um。(3)能耗成本低：钙钛矿电池的制备对原材料纯度要求较低，通常 90%左右纯度的原材料即可制造出效率在20%以上的钙钛矿电池。而晶硅电池对材料纯度要求极高，需要达到99.9999%以上，这使得钙钛矿电池不需要和晶硅电池一样进行高温提纯的步骤，从而有效减低了能耗。据我们测算，晶硅的制造能耗约为0.31 KWh/W，而钙钛矿组件的制造能耗仅为 0.12KWh/W。
优势三 发电量高(1)抗衰减性强，无 PID、LID 效应：PID 和 LID 效应是造成晶硅电池效率衰减的重要原因， 其中，PID 效应主要由于钠离子在电场影响下向电池片表面移动并富集而造成，LID 效应则来源于硼元素的扩散，这些杂质的扩散往往是百万分之一级别的。钙钛矿材料对杂质的容忍度显著优于晶硅材料，百万分之一级别的杂质的形成和扩散并不会显著影响钙钛矿电池的发电性能，因此，钙钛矿电池具有良好的抗衰减性。协鑫光电数据表明，在实验室层面，钙钛矿电池可实现 9000 小时连续工作而无衰减，晶硅电池则在工作 1000 小时左右就会出现衰减现象。
(2)低热斑效应、低温度系数：钙钛矿电池还具有低热斑效应、低温度系数的特点，相较传统晶硅电池而言在高温环境下的能耗损失更少，组件的输出性能更佳。
(3)弱光效应好：早上 5 点-晚上 9 点钙钛矿电池均可发电，阴雨天也能有较好的发电效果。
优势四 轻薄美观，应用场景丰富BIPV（光伏建筑一体化）是一种将光伏发电设备集成到建筑上的专业技术，既实现了可再生能源的应用，又降低了建筑能耗。但 BIPV 组件较为追求外观设计、且需要具备较好的透 明度，这恰恰是晶硅电池的劣势所在。而钙钛矿材料具有轻薄美观、安装便利、颜色可调等优点，因此可制成均匀柔和的透光、彩色玻璃，实现光伏组件的实用性与建筑设施的美学完美融合，是目前 BIPV 材料的最优解。
2.2 产业化尚存在大面积效率低、稳定性差两大疑虑，部分问题已有解决方案
尽管钙钛矿电池的上述优势已经得到了业内的广泛认可，但其产业化进程中仍存在着两大 痛点亟待解决，即大面积备制效率降低、稳定性较差。目前产业端已出现多种解决思路， 部分问题已有解决之道。产业化疑虑#1：大面积效率低钙钛矿在备制大面积效率损失严重，主要有两个原因：1）钙钛矿薄膜本身在大面积制备时 工艺不成熟不够均匀导致成膜质量差，效率下降；2）大面积薄膜组件进行激光划线后产生 的电阻损耗、并产生死区。
针对大面积效率低的问题，主要从工艺、设备两方面解决，目前业界已形成了初步的解决方案。大面积备制钙钛矿层主要采用狭缝涂布和蒸镀两种方式，差别在于成本和成膜质量之间权衡：1）狭缝涂布法可以理解为两步，第一步是涂布溶液，需要保证涂布溶液物理上的均匀性， 该步骤对涂布的工艺要求并没有超过面板行业，已有相对成熟解决方案，第二步为干燥结晶，需要保证成膜过程中的化学一致性，为涂布法核心难点所在，目前产业端主要通过风刀、红外等方式干燥结晶，但由于不同厂家配方不同，粘度、挥发性等指标也有所差异， 故结晶工序需要工艺、设备、配方三大体系相适配，生产 know how 的积累与工艺改进仍有较大的空间。2）真空蒸镀成膜质量较狭缝涂布更好，但是由于需要使用价格昂贵的真空设备、生产效率低、靶材利用率低，故目前生产成本较高，且随着钙钛矿配方越来越复杂，共蒸过程中对蒸发源设计、化学计量控制难度也会进一步提升。
激光划线产生电阻损耗、热损伤、死区，解决思路主要包括添加隔离层、提高设备精度、 优化划线区域三大方向：
1）大面积薄膜组件需要划分后将小电池互连，但划线后也会带来损耗造成电池效率降低。目前钙钛矿分割成小电池主要采用激光划线，P1、P2、P3 三道工艺划线后使得划线一侧的顶部电极连接到划线另一侧的背面电极，从而形成串联效果。但是划线后顶电极和背电极接触的地方会形成互联电阻，从而产生功率损耗，且激光划片过程中产生的热损伤也会对钙钛矿层造成一定程度破环，进而导致效率的降低。目前解决思路主要为提高激光划线精度并优化划线区域。
2） P2划线区域钙钛矿层与金属电极接触，Ag容易与钙钛矿在界面处反应生成AgI或AgBr，从而大幅度降低金属电极的电导率，增大串联电阻。目前实验室可通过添加隔离层，减少钙钛矿层与金属电极的接触可采用光刻工艺添加光刻胶隔离层，防止两者接触解决。
3）激光划线过程中会产生不能发电的死区，通过采用高精度的精光设备，可以相当程度上减少死区面积，进而提升大尺寸电池效率。
产业化疑虑#2：稳定性差钙钛矿稳定性差由环境因素和内部因素共同影响所导致。钙钛矿的吸光层的稳定性受环境因素影响，易水解、高温易分解、温度变化下相变、光照和氧气作用下发生光致分解等。同时，吸光层还会与电荷传输层和电极材料影响。以正向结构为例，TiO2/ZnO 作为电子传 输层在光照下产生光生空穴催化分解吸光层；Spiro-OMeTAD 作为空穴传输层易受吸光层 碘离子扩散影响而电荷传输性能下降，且一般会添加少量有机盐来优化 spiro-OMeTAD 的导电性，例如锂盐、钴盐等，这些添加剂具有较强的吸湿性，极易造成 spiro-OMeTAD 的性能衰减和钙钛矿的分解。电极材料常用贵金属，但金属原子易扩散造成吸光层分解，且钙钛矿材料具有明显的离子特性，易发生离子迁移，吸光层的碘离子也会腐蚀金属电极， 如银金属电极和钙钛矿层中的碘反应生成 AgI。
材料、结构、工艺协同进步，提供钙钛矿稳定性破局之道。目前可从材料配方、结构优化、封装工艺加强钙钛矿器件的稳定性。封装是给器件提供最外层的保护，目前产业界普遍采用POE+丁基胶的封装方式，基本解决了外部的水氧因素导致的衰减。针对钙钛矿本身内部的不稳定，优化可以从材料和结构两个方面入手，主要包括各个膜层的材料改性、界面工程、使用复合电极等手段。
维度 1：加强封装
POE 胶膜+丁基胶的封装方案能有效解决水氧等外部因素导致的不稳定性。钙钛矿封装方式类似晶硅，但在材料的使用上需要采用 POE 胶膜+丁基胶封边的形式：1） EVA 不可能100%聚合，未聚合的单体含有羧酸可能与钙钛矿吸光层的氨基（比如甲胺中含有氨基）发生反应，故钙钛矿封装需采用 POE。此外，POE 阻水性远优于 EVA，POE 水汽透过率仅 2-5g*m^2/day，大幅低于 EVA 的 20-40g*m^2/day 并有更强的紫外线稳定性。
2）丁基胶的水汽透过率比天然橡胶少了超过一个数量级，使用丁基胶进行边缘封装将进一 步减少水汽入侵。据赛伍技术实验，传统硅胶的水汽透过率为 84g*m^2/day，而使用丁基胶后水汽透过率仅为 0.25g*m^2/day。
维度 2：材料改性
材料配方包括吸光层、电荷传输层和电极材料的改良，主要优化包括：
1） 吸光层：钙钛矿吸光层较不稳定，可混合比如具有更小离子半径的 Cs+，提升 FA+和碘 化物之间的相互作用，但提高 Cs+含量会效率会有一定程度下降，需要进行权衡与优化。
2） 空穴传输层：目前常用的空穴传输层有掺杂后的 Spiro-OMeTAD、PEDOT:PSS。但是掺杂后的 Spiro-OMeTAD 吸水性强，不稳定，PEDOT:PSS 价格低廉且导电性能良好， 但其本身呈现弱酸性，会腐蚀基底及钙钛矿材料，影响器件稳定性。目前产业端多换无机材料，比如氧化镍，但会导致效率出现一定下降。
3）电子传输层：传统的 TiO2/ZnO 作为在光照下产生光生空穴催化分解吸光层。SnO2不易受光分解，且带隙宽、吸湿性低和酸容忍性好，目前 SnO2 应用于电子传输层已较多。
维度 3：结构优化
钙钛矿电池是类三明治结构，且钙钛矿层是离子晶体，很难避免离子迁移的问题，中间的钙钛矿材料很容易受到相邻电荷传输层的影响，空穴传输层和电子传输层也分别会受到来自阳极和阴极的影响。当前主流解决思路包括两大类：
1）通过在钙钛矿电池中加入缓冲层方法，可有效降低相邻层之间的影响：解决内部稳定性需要重点解决离子迁移问题，离子迁移需要通道，目前实验室已有增加缓冲层提高器件稳定性研究，未来单独备制缓冲层是可行的发展方向，但由于额外备制膜层会增加成本，目前产业界尚未有厂商采用加入缓冲层的工序。
2）备制复合电极：Ag 在界面处与钙钛矿层扩散的碘离子形成 AgI，目前复合电极一般做成ITO-铜-ITO 结构，ITO 直接跟组件结构接触，避免出现离子移动，此外，ITO 的导电性能不是很好，而通过加入铜能提升其导电性能。
光伏
钙钛矿降本增效空间较大，未来空间星辰大海
3.1提效：短期多种提效路径并行，长期叠层打开效率天花板
钙钛矿电池的实验室效率和产业界效率均有较大提升空间，实验室端，单结实验室效率现在最高为 25.7%，由韩国蔚山国家科学技术研究所实现，产业端，头部钙钛矿参与者单结中试线仍在 15%-16%左右，年内有望提升至 18%，离钙钛矿理论效率天花板仍有较大空间。短期内，我们预计配方优化、材料改性等多种提效路径将并行，长期看，叠层是提效的终极手段，打开钙钛矿效率天花板。
短期：配方优化、材料改性、界面修饰、钝化层等提效手段齐头并进 1） 配方优化。当前钙钛矿层配方尚未定性，学术界和产业界各家都在积极探索过程中，钙钛矿材料带隙随配方不同可调整，通过不断调整材料体系可以使钙钛矿层带隙向最优带隙靠拢，进而获得更高的发电效率，此外，也可以通过掺杂方式实现效率提升。2） 材料改性。以介孔结构为例，目前常用的电子传输层（c-TiO2）和介孔层（m-TiO2） 的微观结构都是球形粒子，有着堆积密度高、致密性好的优点，但缺点是效率不足。因此可以引入一维结构的粒子，其导电性更好、电荷传输能力更强。3）备制钝化层。实验室已有通过添加钝化层的方式来进行界面修饰的方案，其目的是减少界面缺陷带来的效率损失，进而提升效率。目前产业界厂商一般将钝化材料添加在钙钛矿前驱体溶液中进行钝化，随着后续对效率追求越来越高，钙钛矿 GW 级别大规模量产后， 单独备制钝化层工艺有望于产业界也逐步导入。长期：叠层提效是钙钛矿提效的终极手段叠层结构是指不同光学带隙的电池进行堆叠，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。根据叠层电池的数量可分为双结、三结、四结等。目前结数最高为美国国家可再生能源实验室发布效 率 47.1%的六结电池（砷化镓），未来进一步优化后有望突破 50%。虽然电池结数可以增多， 效率可以提升，但成本增加也难以忽略，目前常规的结构是两结叠层，分为钙钛矿/钙钛矿 叠层与钙钛矿/晶硅叠层两类。
两端结构简单，成本更低，工艺难点突破后更具大规模应用潜力。按照堆叠方式可分为两端和四端叠层电池。四端叠层电池由两个独立的电池堆叠，通过外电路连接，制备简单。但是，加倍的金属电极消耗和组件端工艺复杂性限制了大规模应用前景。两端叠层电池包括两个顺序制备的子电池和与二者相连的互联层，结构更加简单，电池器件和组件的制作成本更低，但是需要精巧的设计（如顶电池与底电池之间的光学耦合、制备工艺兼容性，互联层光学和电学的平衡等）才能实现高效率，备制难度较四端子更高。
当前晶硅叠钙钛矿为主流，全钙钛矿叠层主要为仁烁光能布局。目前钙钛矿/晶硅叠层电池 为主流：①杭萧钢构（合特光电）预计 5 月 10 日投产百兆瓦钙钛矿 HJT 叠层电池，目标电池效率 28%；②宝馨科技设立合资公司西安宝馨光能科技有限公司，负责开展钙钛矿-异 质结叠层电池技术的研发，核心团队为西安电子科技大学张春福教授、朱卫东副教授；③ 皇氏集团与深圳黑晶光电技术有限公司签署合作框架协议，共同推进 TOPCon/钙钛矿叠层 电池产品技术的研发、生产及产品应用，预计 2023 年效率达到 26%以上、2024 年达到 27%以上、2025年达到 29%以上，最终目标实现 36%以上。全钙钛矿叠层则以仁烁光能为领军企业，2022年 10MW 中试线已投产，150MW 量产线正处于建设阶段，公司预计将23年投产。
3.2.降本：降本空间较大，大规模量产后成本可降至 0.6-0.7元/W，仅为晶硅极 限成本的 60%-70%
钙钛矿降本空间较大，5-10GW 级量产线的成本有望下降至 0.6-0.7元/W，仅为晶硅极限 成本的 60%-70%。目前钙钛矿仍处于产业化的前期，尚未量产，成本较高。但钙钛矿降本空间广阔，具体可分为材料、能动、人工等成本下降带来的直接降本与效率提升摊薄成本带来的间接降本。我们预计随着材料端、设备端、能动与人工的降本持续推进，加之效率提升带来的成本摊薄，未来 5-10GW级量产线的成本有望下降至 0.6-0.7 元/W，进而带动下游电站 LCOE 降低，远期看钙钛矿 LCOE 将低于晶硅极限 LCOE，打开光伏发电降本天花板。
直接降本：材料、能动、设备投资额均有较大下降空间降本因素#1：TCO 玻璃 TCO 玻璃透光导电，FTO 取代 ITO 成主流。钙钛矿的玻璃为 TCO 玻璃，主要起透光和导电作用。钙钛矿电池初期使用 ITO 玻璃作为前电极，但逐渐被 FTO 取代。尽管 FTO 其导 电性能比 ITO 略差，但具有成本低、激光刻蚀容易、光学性能适宜等优点，已成为 TCO 玻璃主流。国内曾生产 TCO 玻璃，因薄膜势微而关停产线。在十多年前的薄膜电池浪潮中，我国玻璃厂商生产过 TCO 玻璃，但由于薄膜电池与晶硅电池的后续竞争中性价比落后，硅料价格下跌导致晶硅电池性价比提升，薄膜电池需求下降，TCO 玻璃产量较小或产线关停。电池厂规模化采购与 TCO 玻璃厂再度扩产后，预计 TCO 玻璃价格将出现较大下降。
1）需求端，当前钙钛矿电池商产线规模小，小批量采购价格较高，随着钙钛矿电池扩产，规模化采购后价格将下降。
2）供应端，TCO 玻璃厂扩产也也会带来 FTO 玻璃供应量上升，价格下降。过去国内厂商有过生产 TCO 玻璃的经验，且根据金晶科技对玻璃产线的改造升级来看，产能扩张不是难题。随着钙钛矿的 GW 级别量产和产能扩张，钙钛矿厂商对 FTO 需求增加，吸引上游玻璃 厂商入局，FTO 玻璃有望实现大规模量产，最终成本将下降。
降本因素#2：材料钙钛矿材料本身相较晶硅具有纯度要求低（纯度要求仅 95%，低于晶硅的 99.9999%）、材料多样可设计性强（A、B、X 位均有较多选择）、吸光系数高厚度薄（吸光层厚度 0.3nm， 晶硅最薄 120um）等优势，因此原料用量少，价格便宜，不存在晶硅原材料的紧缺问题， 钙钛矿层成本占比很低。两层电荷传输层与金属电极为材料成本大头，规模化生产后材料 成本有望下降，并且随着原材料的不断更换实现效率提升带来的成本摊薄和更便宜的材料体系。
降本因素#3：设备
当前设备投资额较高，预计未来成本将降至当前的 1/2。目前 100MW 线设备投资额 1.2 亿 元左右，即单 GW 投资额 12 亿，主要由于目前钙钛矿设备仍处于探索期，以定制化需求、试验性需求为主，设备产能也较小。单GW 设备投资额约 12 亿中涂布设备/PVD/RPD 占大头。根据协鑫光电环评书，其100MW 大面积钙钛矿光伏组件生产线主要包括 2 台涂布机，3 台镀膜设备（2 台 PVD 设备和 1 台 RPD）以及 4 台激光机。我们预计每台涂布机/PVD设备/RPD 设备/激光机的价格分别为 1500/2000/3000/300 万元，对应每 100MW 的总设备金额分别为 3000/4000/3000/1200 万元，价值量占比分别为 25%/33%/25%/10%。
未来设备成本有望降至 5-6 亿/GW，较当前下降 50%。以协鑫光电为例，其 100MW 产线设备投资额 1.6 亿（2019 年建成，故设备成本较当前稍高），其中 1 亿用于规划改造。待确 定设备类型并规模化量产后，一方面改造升级的 1 亿元可以节省，同时单台设备的产能逐步提升，规模效应逐步显现，成本有望大幅降低；另一方面钙钛矿产业链短，不同于晶硅需要硅料、硅片、电池、组件多环节生产加工，钙钛矿组件可由单一工厂直接制成，生产高度集中化，成本下降空间更大，未来单 GW 投资额有望降到 5-6 亿元。
降本因素#4：能耗低温备制工艺、低纯度要求决定钙钛矿能耗较晶硅低。钙钛矿对原料纯度要求低，且可使用低温工艺，最高温度仅 150℃；而晶硅对原料纯度要求高，需要经过反复提纯，最高工艺温度达 1200℃，根据我们测算，从工业硅到组件晶硅全产业链电耗约 0.31 KWh/W，而钙 钛矿能耗为 0.12KWh/W，单瓦能耗不到晶硅的 10%。电价上，目前钙钛矿工厂主要分布在东部沿海等电价较高的地区，未来规模化与搬迁至中西部低电价地区后，能耗成本将进一步下降。
间接降本：提效全面摊薄成本效率提升带动组件成本与度电成本下降。当前钙钛矿效率 15%-16%左右，根据极电光能、协鑫光电等厂商规划，到 2023 年平米级钙钛矿光伏产品将实现 18%左右的效率，24 年GW级别产线效率将提升至 20%-22%，远期大规模量产后，效率有望提升至 25%。效率提升将带来材料、能耗、设备折旧等成本的全面摊薄，我们预计 100MW 级产线量产后成本将控制在 1.2 元/W 左右，1GW 级在 0.9 元/W 左右，未来产量足够大时（5-10GW 量产）有望 到 0.7 元/W以下。
3.3. 钙钛矿打开光伏降本天花板，远期大规模量产后 LCOE较晶硅更优
钙钛矿GW级别量产LCOE可做到与PERC持平，远期大规模量产后将全面优于PERC，我们判断钙钛矿 LCOE 从追平到优于晶硅可分为三个阶段。
1） 阶段一：钙钛矿百兆瓦级量产后，转换效率达到 18%，若组件寿命能达到 15 年，则钙钛矿 LCOE 可以基本打平 PERC 电站当前 LCOE。
2） 阶段二：晶硅电池极限成本约为 1 元/W，假设一体化毛利率为 15%，则对应约 1.2 元/W 左右的售价（不含税）。以 PERC 电池 23.5%效率，组件 21%功率测算，25 年晶硅电站度电成本约为 0.27 元/W。钙钛矿 GW 级别量产时效率为 20%，组件成本 0.94 元/W，假设一体化 15%毛利率，则组件价格对应 1.10 元/W，假设钙钛矿电站寿命 15 年， 则钙钛矿 LCOE 已经打平 PERC 电站 LCOE 降本极限。
3） 阶段三：钙钛矿远期大规模量产后（5-10GW 级别量产）成本有望降至 0.67 元/W，对应钙钛矿组件价格将降至 0.79 元/W，仅为晶硅极限的 65%左右，按 15 年寿命计算，对应电站的 LCOE 为 0.24 元/W，低于晶硅电站 LCOE 降本极限。
光伏
从 0 到 1 进行时，2024 或成钙钛矿量产元年
设备：国产厂商陆续完成出货交付
钙钛矿电池核心设备主要包括真空镀膜设备、激光设备和涂布设备。镀膜设备部分国产设备即将进入生产阶段。以晟成光伏为例，公司的团簇型多腔式蒸镀设备已完成量产，并成功应用于多个客户端；涂布设备中德沪涂膜走在行业前列，公司钙钛矿核心涂膜设备全球 市占率第一；激光设备中迈为、杰普特、帝尔激光相关激光设备均迎来出货交付阶段。
电池：当前产业以百兆瓦级为主，2024 或成钙钛矿量产元年目前产线多为兆瓦级，2024 有望实现 GW 级落地。现阶段钙钛矿技术尚处于探索期，产能规模多为兆瓦级的中试线。2020-2021 年，行业领先参与者如协鑫光电、纤纳光电和极电光能开始了百兆瓦级中试线的建设，虽有组件陆续得以生产，但整体成品的稳定性、光电性仍需测试，生产线的工艺流程仍需不断完善。新晋参与者如奥联电子、宁德时代、曜能科技、合特光能也纷纷加码钙钛矿新技术，积极推进兆瓦级中试线的建设。
协鑫光电：领跑钙钛矿赛道，首条大面积钙钛矿产业线将迎来量产昆山协鑫光电材料有限公司成立于 2019 年，隶属全国新能源行业领先企业协鑫（集团）控股有限公司，主要负责钙钛矿太阳能组件的研发与生产。公司是全球唯一一家取得钙钛矿组件实用化产品商业认证的企业，在钙钛矿太阳能组件的研发和生产方面全球领先。截至 2022 年 6 月，公司累计申请专利 106 项，其中发明专利 58 项，实用新型专利 47 项，外观设计专利 1 项。
钙钛矿行业龙头厂商，大面积组件效率纪录创造者。在钙钛矿电池领域，协鑫光电于2019年完成了尺寸为 45cm×65cm 的钙钛矿组件效率认证，经全球最权威的光伏组件商业认证机构TÜV Rheinland 认证，效率达 15.31%（现已经提升至 17%），是目前为止全球面积最大、组件效率认证最高的钙钛矿组件。
全球首条大面积钙钛矿中试线进展顺利，预计 23 年产线跑通。2020 年，协鑫光电开始在 昆山平谦国际产业园建设全球第一条 100MW 钙钛矿光伏组件量产线。2021 年 9 月，该钙钛矿光伏生产线已经建设完成。2022 年 5 月 13 日，协鑫光电宣布完成数亿元人民币 B 轮融资，此次融资将用于进一步完善公司 100MW 钙钛矿生产线和工艺。根据公司规划，23年 100MW 产线有望达产，效率将达到 18%。百兆瓦级产线跑通后将启动 GW 级建设计划，公司预计 24-25 年 GW 级产线建成，量产效率达到 20%-22%。
纤纳光电：钙钛矿头部参与者，钙钛矿组件全球首发纤纳光电成立于 2015 年，是全球知名的钙钛矿光伏技术领军企业，总部设在杭州，在浙江 省内有多个分支机构，致力于“钙钛矿前沿技术、钙钛矿材料研究、相关产品及高端装备的设计研发、低碳制造和市场化应用”，逐步构建创新、绿色、安全、高效的钙钛矿清洁能 源体系。公司坚持自主创新，先后 7 次刷新了钙钛矿太阳能组件光电转换效率的世界纪录， 获得全球首个钙钛矿组件稳定性认证及多倍加严认证；全球累计申报了 300 多项知识产权专利。钙钛矿组件全球首发。2022 年 5 月 20 日，纤纳光电进行了钙钛矿α组件全球首发仪式。这 条全球首个百兆瓦级 0.6m*1.2m 钙钛矿组件产线有其独特优势：公司为这条产线配置了全球首个适合钙钛矿生产工艺流程的智能大脑，全自动设备与众多机械臂穿插配合，每 40 秒 就能制造出一片α组件，实现了高效、稳定、节能的连续生产。
极电光能：钙钛矿行业先行者，GW 级钙钛矿产线 24 年有望落地极电光能起源于长城控股集团，2018 年开始钙钛矿技术研发，2020 年 4 月落地无锡。极电光能是一家专业从事钙钛矿光伏、钙钛矿光电产品研发和制造的创新型高科技企业。公司研发团队由欧洲双料院士领军，国内外资深钙钛矿专家、光伏产业化技术专家共同担纲， 技术研发实力雄厚，已累计申请核心技术专利 80 余项，其中近 90%为发明专利。
组件效率不断提高，钙钛矿量产化技术日趋成熟。2021 年，极电光能在 63.98cm² 的钙钛矿光伏组件上实现 20.5%的光电转换效率；22 年 4 月，又在300cm²的大尺寸钙钛矿光伏组件（SubModule）上，创造了18.2%转换效率新的世界纪录；近日，极电光能团队研制 的 756cm²大尺寸钙钛矿光伏组件转换效率达到 18.2%。钙钛矿组件在面积放大的同时仍能保持较高的转换效率，证明极电光能钙钛矿量产化技术日趋成熟。
全球规模最大中试线投产，首条 GW 级产线落地在即。公司 150MW 钙钛矿光伏生产线于2022 年 12 月正式投产，是目前全球产能最大的中试线。其产品尺寸为 1.2m*0.6m，设计效率为 19%，将首先应用于 BIPV 领域，布局以光伏幕墙、立面发电石材和屋顶光伏瓦为主的建筑光伏一体化。2022 年 8 月 16 日，极电光能与无锡锡山经济技术开发区签约战略合作，将投资 30 亿元共同布局全球首条 GW 级钙钛矿光伏生产线，预计今年一季度启动土 建工作，2024 年下半年将建成产线并投产。
奥联电子：构建钙钛矿太阳能电池产业链，推动钙钛矿光伏产业化发展成立光能科技子公司，布局钙钛矿太阳能电池产业链。为抓住钙钛矿太阳能发电技术的发展机遇，公司对外投资设立钙钛矿太阳能电池公司。2022 年 12 月公司发布公告，公司的全资子公司海南奥联投资有限公司与自然人胥明军共同出资设立“南京奥联光能科技有限公 司”并签署《投资合作协议》，投资占比 95%/5%。协议约定奥联光能主要从事钙钛矿太阳能电池及其制备装备的研发、生产、制备、销售等。胥明军长期从事军工/科技型企业运营管理，在钙钛矿技术产业化所需要的材料配方、工艺研发、装备研制等领域具备核心竞争能力，公司与合作方发挥各自优势，钙钛矿业务将加速落地。
构建钙钛矿太阳能电池产业链，推动钙钛矿光伏产业化发展。奥联光能规划成立钙钛矿研究院，并联合国内钙钛矿研发领先知名教授、专家团队，打造材料配方、工艺装备、组件生产三位一体的平台体系，开发包括但不限于刚性钙钛矿太阳能电池、半透明钙钛矿太阳 能电池、柔性钙钛矿太阳能电池、钙钛矿晶硅叠层太阳能电池、钙钛矿/钙钛矿太阳能电池大面积及小型组件。根据投资合作协议约定，基于快速推进钙钛矿太阳能电池技术产业化进程的目的，可通过直接出资、对外股权合作及其他融资方式，组建奥联光能全资、控股或参股的钙钛矿电池生产公司，以扩大钙钛矿电池生产规模。
目标五年内在钙钛矿电池研发、装备制造、规模、电池效率处于行业领先水平。公司计划2023年50MW钙钛矿中试线投产，2024年600MW钙钛矿装备和120MW钙钛矿电池组件生产线投产，力争5年内形成8GW钙钛矿装备和2GW钙钛矿电池组件生产能力，实现钙钛矿 电池研发、装备研制和装备制造规模、钙钛矿电池效率处于行业领先水平。
皇氏集团： 推动“农光互补”，进军钙钛矿电池领域
斥资百亿元投资建设 20GW TOPCon（后提升至 26GW）超高效太阳能电池项目。2022年 8 月，皇氏集团宣布拟投资建设 20GW N 型 TOPCon 高效晶硅太阳能电池项目，正式进军光伏行业。目前公司 TOPCon 太阳能电池项目的一期工程已开工，预计 23 年 4 月份设 备进厂调试, 23 年计划实现 5GW 电池生产线投产，2024 年再增加 8GW 生产线投产。公司还与中国科学院(宁波)材料研究所建立了战略合作机制，在钙钛矿叠加 TOPCon 电池、光热一体化等前沿技术上，都正在进行相应的技术储备。
加强对外合作，进军钙钛矿/晶硅叠层电池领域。2023 年 1 月 31 日，皇氏集团控股子公司皇氏农光互补与深圳黑晶光电签署钙钛矿/晶硅叠层技术合作框架协议，协议有效期自签订之日起两年。协议约定，深圳黑晶以其自有的技术研发及生产能力负责研究开发 TOPCon/钙钛矿叠层电池技术，包括产品实验、技术调整及更新等，相关技术应用于皇氏集团TOPCon 电池的生产，为有效提高皇氏集团 TOPCon 电池效能提升提供技术支持和服务，目标 2023 年效率达到 26%以上、2024 年达到 27%以上、2025 年达到 29%以上，最终目标实现 36%以上。
END
来源：驭势资本
驭势资本是一家以研究驱动的硬科技精品投资银行，深耕集成电路、5G、物联网、数据智能和汽车科技领域，为顶尖的科技创业者提供专业资本服务。核心团队在硬科技领域拥有丰富的投融资经验，先后投资及服务的项目包括翱捷科技、臻驱科技、微众银行、微医集团、宏晶科技、晟矽微电子、地大信息、曼荼罗、美林数据、事成股份，新向远……
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