光伏行业深度报告：钙钛矿东风渐起或为光伏终极路线

光伏行业深度报告：钙钛矿东风渐起，或为光伏终极路线1.钙钛矿：生态链快速建设，产业从0到1爆发前夕1.1.第三代太阳能电池，或为光伏最终路线第三代太阳能电池，转换效率大幅提升。第一代光伏电池以单晶硅和多晶硅为主，根据硅片类型可进一步划分为P型和N型，P型代表为单晶PERC，为当前主流技术路线。N型代表则为TOPCon和HJT，极限效率分别为28.7%和27.5%,目前光伏产业链正处于N型快速扩张时期；第二代则是以砷化镓为代表的薄膜型电池，但是制备成本较高；而钙钛矿为代表的第三代薄膜电池，具有PCE高和成本低廉的双重优势。单结钙钛矿极限效率约为33%，叠层可达到40%以上。直接隙材料优势明显，光吸收系数较高。钙钛矿材料性能优异主要来自于其独特的面心立方体结构，具有优异的光电性质-吸光系数高、带隙可调、激子结合能低和扩散距离长等优势，其结构式可表示为AMX3，当前对钙钛矿材料的研究多集中在甲胺铅卤化物(MAPbX3)、甲脒铅卤化物(FAPbX3)、铯铅卤化物(CsPbX3)和铯锡卤化物(CsSnX3)等。介孔层增强载流子收集能力。钙钛矿电池沿用燃料敏化太阳能电池的叫法，把电子传输层在底下的为正式结构，反之则为反式结构。再根据介孔层-(MesoporousLayer)进一步划分为介孔和平面。介孔层的作用主要是为钙钛矿提供沉积支架和传输电荷，通过降低传输距离增强载流子收集能力并阻止漏电。但是介孔层会限制晶粒生长，反而降低开路电压（Voc）和短路电流密度（Jsc）。PSCs发展速度远超晶硅，大尺寸组件开始突破。钙钛矿2009年首次应用时效率仅为3.8%，2016年电池效率就突破20%。2023年3月，极电光能官方公众号发布其809.8cm2大尺寸钙钛矿光伏组件经国际权威机构JET检测认证，其转换效率达到19.9%。目前公司在16.7cm2钙钛矿组件转换效率也已经突破22.9%。1.2.钙钛矿VS晶硅：效率大幅提升，降本潜力远超晶硅1.2.1.效率端：前沿效率不断刷新，效率接近转换极限实验室效率日新月异，叠层进展迅速。根据美国NREL统计，自上世纪70年代发明晶硅电池以来，当前晶硅路线HJT最高效率为26.81%（隆基，2022/11）。而钙钛矿自14.1%（EPFL，2013/06）仅仅用9年就达到了25.7%（UNIST，2022/01）；钙钛矿/硅叠层更是达到了32.5%。在极限效率上，单结钙钛矿的效率极限为33%，而晶硅电池的理论转换效率极限为29.4%，叠层钙钛矿更可以达到40%以上。1.2.2.成本端：产业链一体化提升，效率接近转换极限降本增效持续推进。根据极电光能测算，百MW钙钛矿成本已经低于晶硅组件。百MW阶段的成本有望控制在1-1.5元/瓦之间；GW级别生产时，成本可降到0.8元/瓦；10GW级别降到约0.6元/瓦。若钙钛矿组件效率在达到17%同时保持成本在1.3元/瓦以内，并且寿命稳定25年则将拥有较强的市场竞争力。产业链投资进一步集中，约为晶硅线路的50%。光伏晶硅产业链涉及硅料厂-硅片厂-电池厂-组件厂合计四个环节，合计投资额约9.6亿元，中间考虑运输环节需要耗时3日以上。而钙钛矿从原材料到组件出厂仅需要一个工厂，耗时45分钟左右。预计未来在GW级别投产情况下，钙钛矿电池投资额可降至晶硅线路的一半，GaAs的十分之一。压缩极限成本，材料成本占比约56%。长期来看，钙钛矿组件成本可降低至0.5-0.6元/瓦。同时钙钛矿电池原材料均属于基础化工材料，可通过人工合成，不含有稀有元素，对比晶硅路线的硅料更加廉价易得。从外，钙钛矿材料对杂质敏感度低，对原材料的纯度要求低于晶硅。在工艺上，钙钛矿生产温度不超150度，相比于晶硅1000度左右的高温可以做到降低能耗的作用。目前FTO导电玻璃约占材料成本的65%，但透明导电玻璃属于成熟产品，随着下游需求的扩张，产能可迅速扩张。1.2.3.应用端：电站建设成本进一步降低，下游BIPV应用广泛发电量占优，光伏电站建设成本降低。根据研究表明，得益于超高的吸光系数和禁带宽度，转换效率在17.9%的钙钛矿组件发电量约等于转换效率20.4%的晶硅组件。建设成本方面，假定钙钛矿组件转换效率为15%，晶硅组件转换效率20.5%。钙钛矿组件的建设成本约为3.12元/瓦，对比单晶硅组件的3.33元/瓦，其中组件上约有0.7元/瓦的优势，但在支架成本和土建成本上稍高于晶硅。综合考虑，钙钛矿较晶硅在电站建设上约有0.21元/瓦的优势。BIPV打开下游应用空间。BIPV，即光伏建筑一体化是指将太阳能发电产品集成到建筑上的技术。基于钙钛矿电池材料的轻薄性、透光性、吸光能力，钙钛矿产品可以较好的适配各类使用场景，尤其对于有采光要求的办公楼等墙体。1.3.钙钛矿制备：稳定性及大面积制备有望突破1.3.1.大面积制备：湿法经济性显著，干法效果好但成本较高干法均匀性高，设备为主要瓶颈。常见的干法工艺为气相沉积法，在真空的环境下通过蒸镀的方式制备钙钛矿薄膜。相比于湿法工艺，气相沉积法可以通过控制蒸发源精确调控钙钛矿中各组分的化学计量比，从而保证薄膜的均匀性。但是干法工艺对真空环境要求极高，需要较长的抽真空时间，这也使得干法工艺成本上升，单台产能下降（制备时间长）。湿法核心在于形核结晶，狭缝涂布或成主流。早期实验室制备钙钛矿多使用一步或两步溶液旋涂工艺。一步法操作简单先制备溶液并将混合前驱体旋涂于衬底上，退火结晶（温度100-150℃），形成纯相、无针孔、致密的钙钛矿结构层。两步法与之类似，分开旋涂后再在热台上退火。随着大面积制备需求显现，湿法工艺逐渐发展出了刮刀涂布、狭缝涂布、丝网印刷、喷涂法、喷墨打印法。通常湿法步骤包括溶剂挥发→溶液过饱和+成键→溶质析出/形成晶核（同质随机形核）→晶粒生长→形成固态多晶薄膜。钙钛矿的形核和工艺窗口窄，并且随着面积的放大控制难度上升。旋涂法薄膜组分均匀同时晶粒大小调控简单但是不适合大规模量产，而狭缝涂布法溶液利用率高，适合大面积生产，但在均匀性控制上仍需改进。1.3.2.稳定性进展可期，材料及封装技术持续优化稳定性验证顺利，材料技术优化稳步推进。目前部分企业钙钛矿组件已经通过多项IEC61215晶硅光伏组件标准。普林斯顿大学通过2D-PVSK界面钝化以及双重封装技术在1sun/35-110℃标准下T80＞30年；莱斯大学利用3D/PP-2Dbilayer，在1sun/60℃/75%RH的老化条件下实现T99＞2000h。长期稳定性优化路径清晰，头部企业进展可期。纤纳光电2019年底通过全球首次IEC标准稳定性测试；2020年7月在湿热实验测试中，将组件老化时间由1000小时提升至3000小时。纤纳α组件通过IEC61215和IEC61730稳定性全体系认证。长期角度来看，钙钛矿通过优化材料体系/无机电荷传输层/金属氧化物电荷传输层阻挡/采用复合电极以及优化组件封装技术进一步加强钙钛矿组件稳定性。2.钙钛矿叠层：提升效率极限，多路径共同发展叠层技术百花齐放，全钙钛矿叠层成本占优。按照电极的连接方式可分为两端/三端/四端叠层，两端结构为子电池串联，机械堆叠的四端叠层子电池独立运行，不比考虑二者兼容性，但是寄生吸收大，成本高；按照材料选择可进一步细分为钙钛矿-晶硅叠层/全钙钛矿叠层/钙钛矿-有机叠层/钙钛矿-CIGS叠层。目前产业化进度较快的是全钙钛矿叠层和钙钛矿-晶硅叠层。从LCOE角度晶硅/钙钛矿叠层约为5.22元，略高于全钙钛矿叠层的4.22元。考虑到目前两者极限效率差距不显著，同时在组件尺寸以及晶硅产业链成熟度来看，预计初期晶硅/钙钛矿的进度更快，中长期切入全钙钛矿叠层。2.1.结构选择：两端、三端or四端？两端集成一体VS四端机械堆叠。叠层电池通过宽带隙电池与窄带隙电池串联，利用全光谱范围内的光子，突破单结极限效率。目前主流的叠层结构为2端和4端器件，两端叠层理论PCE为45.7%略低于四端叠层的46%。四端机械堆叠电池，工艺难度上机械堆叠的四端叠层电池最容易制作，两个子电池独立制作，仅在光学耦合/没有电气连接。四端口器件需要的电子元器件翻倍（例如逆变器），寄生吸收大、制造成本高。两端集成一体电池，两个子电池通过复合层/隧道结将子电池串联连接，对比四端机械堆叠仅需要一个透明电极，可以直接在硅电池上沉积钙钛矿电池，减少电极用料和沉积步骤。但是两端叠层缺陷在于：子电池串联工作，因此二者必须有相似的光电流，电池电流受电流较低的子电池影响。同时晶硅电池表面的陷光结构也会增加钙钛矿薄膜的沉积难度。三端叠层受限于低带隙电池Voc过小，性能和发展速度慢于其它路线。2.2.材料选择：全钙钛矿叠层or钙钛矿/晶硅叠层2.2.1.全钙钛矿叠层：窄带隙材料或为关键瓶颈钙钛矿材料带隙可调，为理想叠层材料。卤素钙钛矿带隙从1.2eV到3eV连续可调，使用窄带隙和宽带隙的钙钛矿作为叠层电池可以获得更高的转换效率。2019年前窄带隙钙钛矿性能差，是限制叠层电池性能的主要原因。因此提升窄带隙钙钛矿薄膜载流子扩散长度，提升光电流密度成为研究的主要方向。通过使用缺陷调控-抑制前驱体溶液中Sn2+的氧化/增强晶粒表面缺陷钝化，提升窄带隙钙钛矿电池性能。全钙钛矿叠层效率提升路径清晰。核心为三大路径-（1）互联层/隧穿结，过原子层沉积（ALD）制备互联层和金属复合层的新型隧穿结结构（SnO2），金团簇层增强载流子复合，简化制作过程实现全溶液法制备钙钛矿薄膜；（2）窄带隙电池通过缺陷调控，增加窄带隙钙钛矿薄膜载流子扩散长度，增大光电流密度和开路电压；（3）宽带隙顶电池，可通过对Cs含量调控，加速形核与结晶，提升均匀致密性。2.2.2.硅/钙钛矿叠层：HJT结构占优，与现有产业快速融合硅属于间接带隙材料，为绝佳的底电池。硅的带隙为1.12eV，而卤素钙钛矿带隙从1.2eV到3eV连续可调，两者可相互搭配，同时晶硅产业已经具备成熟的产业链，目前晶硅路线进入N型元年但也在逐步达到效率极限，选择与钙钛矿叠层可以百尺竿头更进一步，后期或将通过改造方式来提升效率。两端叠层：成本低、易量产、工艺较复杂、底电池工艺匹配挑战较大；四端叠层：制造简单、组合灵活、与底电池技术相互独立，系统端设计复杂。早期叠层电池选择PERC作为底电池，随着HJTR和TOPCon技术逐渐成熟，尤其异质结本身结构和低温工艺，对钙钛矿叠层的适配度更高。硅/钙钛矿叠层电池较原有晶硅路线和单结钙钛矿具有更高的转换效率，目前钙钛矿产业链仍处于产业化初期，因此硅/钙钛矿叠层或将成为前中期主流，随着对钙钛矿材料体系认知逐步深入，再转入全钙钛矿叠层。HJT+钙钛矿叠层：钙钛矿电池能有效利用高能量的紫外和蓝绿可见光。而异质结电池可以有效的吸收钙钛矿材料无法吸收的红外光。结构上，HJT具备透明导电层（TCO），可与钙钛矿叠层完美适配，改造难度小，同时HJT本身为对称结构可以兼容正式和反式钙钛矿电池。优势：自带TCO；开压高；对称结构兼容性强；劣势：异质结绒面金字塔与钙钛矿涂层仍有匹配问题需要解决；代表厂：宝鑫、杭萧钢构、牛津光伏等。TOPCon+钙钛矿叠层：TOPCon正面的氮化硅与氧化铝不导电，需要进行结构改造优势：产线投资额低，经济性高；劣势：本身不带TCO需要改造；增加TCO后失去高电流优势；代表厂：中来、黑晶-皇氏集团。异质结钙钛矿叠层为研发主流。由于HJT具备双面对称结构+低温工艺+自带TCO，可与钙钛矿叠层完美适配，改造难度小，工艺流程简单。目前进度较快的是合特光电（杭萧钢构）和宝馨科技。合特光电目前建立中试线目标转换效率28%以上，目前产线设计能兼容生产166mm和182mm尺寸规模的晶硅组件；宝馨科技叠层发展路径-（1）2023年在2023年上半年完成新实验线建设；（2）2024年启动百兆瓦级别的钙钛矿叠层线建设，目标实验室效率大于32%，加速老化等效外推达到25年；（3）2026年钙钛矿/异质结叠层GW级产线升级，实现量产210半片钙钛矿/异质结叠层电池，电池效率在基底异质结的基础上提升率大于15%，首年衰减不超过3%，以后每年衰减不超过0.5%,量产寿命大于25年。2.3.多条中试线建立，产业政策纷至沓来头部企业多以百兆瓦线为主，GW级招标可期。目前头部的协鑫光电、纤纳光电和极电光能都基本完成百兆瓦中试线建设，当前首要目标是打通工艺，为后续GW级扩产打下基础。根据对各钙钛矿企业产线建设规划，更多企业开始布局百兆瓦线，头部企业在为GW级扩产做准备，预计2024年将出现GW级别招标，同时钙钛矿组件相关标准也在积极制定，随着后续长期稳定性的解决和大面积制备线路确立，钙钛矿产业将快速完成从0到1的突破快速放量。产业支持政策持续落地。目前各部门正在积极出台相关产业政策支持钙钛矿产业链发展。国家能源局分别在《“十四五”可再生能源发展规划》以及《工业和信息化部等六部门关于推动能源电子产业发展的指导意见》提出推动钙钛矿及叠层电池制备的技术研究。工信部也于2023年1月发布了《推动能源电子产业发展的指导意见》推动钙钛矿及叠层电池等先进技术的研发应用，提升规模化量产能力。产业融资盛况空前，资本合作如火如荼。头部的协鑫光电、纤纳光电和极电光能均已完成数轮融资，为后续钙钛矿中长期发展打下坚实基础，同时具有一定技术积累与相关性的企业也正在融资转型，加速产业化建设。3.钙钛矿设备：镀膜设备为核心，技术路线百花齐放3.1.钙钛矿生产流程及对应设备钙钛矿生产技术线路百家争鸣。通常情况下，钙钛矿组件生产需要经历玻璃清洗→沉积导电层（PVD）→沉积电子传输层（RPD/ALD+PVD/狭缝涂布）→沉积钙钛矿层（刮刀/狭缝涂布）→沉积空穴传输层（PVD/狭缝涂布）→组件封装（层压机），若采用涂布工艺则还需配置VCD进行钙钛矿干燥。根据协鑫100MW中试线推测，目前钙钛矿核心装备为真空镀膜设备（PVD/RPD），然后依次为涂布设备、激光设备（四道工序）以及封装设备。核心为真空镀膜设备，工艺选择仍需探索。钙钛矿工艺类似OLED面板制造，TCO层制备通常选择PVD设备；HTL-电子传输层可使用PVD或狭缝涂布；电