钙钛矿电池行业研究革新性潜力大-产业化进行时

钙钛矿电池行业研究革新性潜力大_产业化进行时（报告出品方/作者：国海证券，李航、邱迪、彭若恒）一、钙钛矿电池：革新材料结构，出众性能特点钙钛矿电池：发展迅速的第三代太阳能电池钙钛矿为第三代太阳能电池代表：过去在60多年的时间里，已经有三代太阳能电池发展出来。第一代是以硅材料为基本材料的太阳能电池，是目前最成熟的主流商业电池；第二代是薄膜太阳能电池，以铜铟镓硒(CIGS)、碲化镉(CdTe)电池为代表，相比第一代具有厚度薄、光电转化效率高等的优势，但部分因素也限制了这类电池的发展，如部分材料储量稀少或有毒性，制备过程复杂等；第三代为新型太阳能电池，主要包括钙钛矿太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池和量子点太阳能电池。诸多出众特性，从问世起至至备受高度高度关注，变成产业界和学术界热点：钙钛矿电池在2009年才首次问世，但因其在理论转换效率、发电能力、低生产成本、多应用领域场景等方面的优秀潜力，在学术界和产业界受到了大量的高度高度关注和著重。从2021年至2022年，钙钛矿领域投资额已经相符100亿元。在之前的几年中，据WebofScience统计数据，其上的钙钛矿文章的数量增加至了不可思议的10000篇/每年。钙钛矿晶体：离子化合物半导体，出众吸光性能钙钛矿材料就是两大类具有ABX3结构离子化合物的统称。钙钛矿最初指代CaTiO3矿物，以俄罗斯矿物学家Perovski的名字命名，现在已经变成两大类具有ABX3相近结构化合物的统称。从晶体结构来看，A十一位阳离子占据正方体的八个顶点，阴离子X填充在晶格6个面的中心边线，而B十一位阳离子则座落在正方体晶格的体心边线，其中BX3又构成了一个正八面体。光伏领域钙钛矿材料通常为有机无机卤化物钙钛矿材料。1）A十六位正一价的有机或无机阳离子，主要为甲胺离子（CH3NH2+，直和MA+）、甲脒离子（CH(NH2)2+，直和FA+）和金属铯离子（Cs+），2）B十六位正二价的金属离子，涵盖亚铅离子（Pb2+）、亚锡离子（Sn2+）和亚锗距子（Ge2+）等，3）X十六位正数一价的卤素阴离子，主要为碘离子（I-），溴离子（Br-），氯离子（Cl-）。钙钛矿材料用做制作太阳能电池具备出众的光电性能。钙钛矿材料作为一种半导体材料，不仅可以通过光生伏特效应将化学能转型为电能，还具有独特性能：1）载流子扩散长度长，激子结合能低，更容易解离为民主自由载流子，有利于形成有效率光电流，2）光吸收系数高，钙钛矿为轻而易举提着隙半导体光吸收系数比硅低于很多，有效率减小了吸光层所需的厚度和收集光生载流子的难度，3）非电磁辐射无机低，钙钛矿晶粒的大小和晶界在一定范围站内对瑕疵密度的影响不是非常小，有利于高开压和高效率。工作原理：光生载流子同时同时实现分拆，调节器提着隙打破晶硅效率上限钙钛矿材料提着隙根据组分的相同可以在非常大的范围内已已连续调节。与硅、砷化镓等具备紧固带隙的半导体材料相同，钙钛矿晶体成分本身具有多样性，因此其禁带宽度也并不套管，而是随ABX3结构中各元素类型和含量相同而变化，理论范围少于1.15-3.06eV，并能同时同时实现已已连续调节器。具体内容来看，通在常A十一位阳离子半径越大，钙钛矿材料提着隙越大，B位随用Sn替代Pb的含量增加，提着隙将可以减小，X十一位Br离子的掺杂则可以并使提着隙增大。在钙钛矿材料的带隙全面全面覆盖范围内，可实现单结太阳能电池最轻理论效率。提着隙就是同意半导体利用太阳光能力的似乎因素之一，因为相同频率太阳光的能量相同，窄带隙半导体的电子无法被长波光所唤醒，宽带隙半导体虽然可以利用的光波范围广，但光子能量的利用率低，根据肖克利-奎瑟音速（Shockley–Queisserlimit），单结太阳能电池的理想提着隙必须为1.4eV，该提着隙下降太阳光能量转换为电能的转换效率为33.7%。较之之下，硅的带隙仅为1.12eV，理论转换效率为29.4%，因此钙钛矿电池在转换效率方面多于晶硅电池。电池结构：通常五层基本结构，可以制作叠层电池相同提着隙半导体材料构成叠层电池，可以获得多于40%的转换效率。单一半导体材料对太阳光能量的利用能力非常非常有限，而相同带隙的材料对太阳光中相同波长部分的利用能力相同，因此如果将两种以上的材料上下叠层放置，把带隙较宽的材料放到上方以主要吸收利用短波长的光，提着隙较宽材料放到下方以主要利用长波长的光，则能提升太阳光全系列光谱的吸收率，更大程度的利用太阳光能量，获得更高的转换效率，根据理论计称得上，两种材料叠层电池的效率可以达致40%以上。钙钛矿较宽且可以调节的带隙就是生产电池的较好材料。钙钛矿材料提着隙可以达致1.5eV以上，就是作为叠层顶上电池的较好挑选出，可以与晶硅等窄带隙材料进行搭配，另一方面，两种相同带隙的钙钛矿材料也能相互融合，制作全系列钙钛矿叠层电池。二、产业化潜力：著重先天优势，核心挑战等候解决科研端的转换效率突破快速，较弱发电能力潜力著重高理论潜力下，钙钛矿太阳能电池效率进步迅速，研发进展远超晶硅电池。自日本学者TsutomuMiyasaka在2009年第一次将钙钛矿电池制作而成，在过去十多年里钙钛矿电池的效率在科研端进步十分迅速，完成了晶硅电池五十年的突破历程。最初钙钛矿电池的光电转换效率仅3.8%，后续随材料、结构、工艺等方面的持续优化，在3年左右的时间里便将效率记录提升到了10%以上，6年左右便达到了20%以上。在2023年7月，中国学者再次完成重大突破，将单结钙钛矿电池的认证效率记录提升到了26.1%，逼近隆基绿能公司不久前所创造的晶硅电池效率记录26.81%的效率记录。生产端的材料养胃、生产链意味深长，平添产业化基础优势产业步入成熟阶段后，钙钛矿组件成本预期可以降至0.5-0.6元/W，极具竞争力：按照通常新技术发展规律，随其钙钛电池技术的不断明朗和大规模运用，组件的效率、生产良率等都除了提升空间，规模效应下运营成本将不断下降，设备端的也料持续降本，根据协鑫光电此前数据，百兆瓦级钙钛矿产线下组件效率料在近一两年内陆续突破18%、20%，单瓦生产成本将大于1元/W，当钙钛矿电池达致5-10GW级别量产后，成本可以降至0.5-0.6元/W，届时较之晶硅电池就可以说明出明显优势。规模量产核心挑战——稳定性与大尺寸制作钙钛矿电池的使用寿命非常大程度受限于稳定性，变成产业化主要挑战：太阳能电池的发电能力通常可以随其工作时间的增加而逐步弱化，维持一定的基本转换效率水平的时间就是电池的寿命，在一定的初始成本下，太阳能电池的寿命愈长，生命周期总计发电量就越多，度电成本LCOE也越高。但由于钙钛矿电池的稳定性极差，使用寿命相对比较短，早期仅有几分钟，在过去的报导中通常较长也仅有几千小时，而当下晶硅电池的寿命长少于25年以上，因此稳定性变成钙钛矿电池产业化的主要挑战。钙钛矿电池的不稳定性来源于钙钛矿材料本身的无法均衡，以及电池整体材料结构的无法均衡，对环境因素十分虚弱。钙钛矿晶体属于离子晶体，工作中卤素离子容易发生移动水解，同时还可能将将与传输层、电极材料发生负面反应，进一步导致电池的水解失灵。另一方面，水分、氧气和紫外光都会促进钙钛矿电池的水解，而当温度较低的时候，钙钛矿也可以遭遇水解问题，同时水氧的水解效果将可以加强。技术升级多方面积极探索，可靠性证书时间检验制作高效率、均衡的大尺寸钙钛矿电池，诸多技术手段在不断积极探索：钙钛矿电池的效率、稳定性和尺寸面积具有较强的关联性，在一定的工艺技术水平下三者往往难以得后任，就可以赢得一个最优的均衡，为了提升电池经济性，真正同时同时实现大规模的产业化，诸多技术手段在不断积极探索：1）优选材料及组分：进一步进一步增强钙钛矿电池稳定性的关键方法，在钙钛矿材料层面可以采用混合有机阳离子，或引入长链有机阳离子形成二维/三维钙钛矿，提高稳定性，传输层材料方面可以采用如CuCrO2无机空穴传输材料2）膜层提高与润色工程：钙钛矿电池各膜层的质量及特性既同意电池效率又能同意其稳定性，也就是大尺寸制作的主要痛点，可以通过溶剂工程、界面工程和添加剂工程等方式进行优化提升，具体内容涵盖采用反溶剂、增加缓冲器层、前驱体溶液使用添加剂等方式，就是技术升级的关键手段。3）提升PCB工艺：水分和氧气入侵就是钙钛矿电池不稳定性两小主要原因，因此可以采用密封性更好的材料和工艺，比如氟硅聚合物凝胶。4）膜层制作新工艺：比如采用真空闪蒸辅助溶液工艺制作大面积钙钛矿层。多样外观平添价值，崭新应用领域场景提供更多更多产业化桥梁钙钛矿电池可以展示出多彩、高透明化、柔性化等多样外观：钙钛矿材料具备较好吸光性能，膜层可以搞得很薄，其材料特性给电池外观提供更多更多了多样的研发空间，比如多样色彩、半透明、柔性可以弯曲等，同时也能保证一定的发电效率。新兴光伏运用场景发电收益及使用寿命建议相对较低，料变成钙钛矿产业化先期突破口：钙钛矿组件产品受当前转换效率、长期使用寿命等因素管制，在通常光伏电站领域经济性尚难与晶硅产品较之。但在BIPV（建筑光伏一体化）、CIPV（车载光伏）、消费电子等光伏应用领域领域，高发电收益并不一定就是单一的主要考量因素，使用寿命也并不一定仍须太短，而钙钛矿电池多样的外观优势能赢得较好的充分发挥，较弱的弱光发电能力也能在室内、早晚等常用场景突显出优势，因此料变成培育钙钛矿产业和技术的关键先期市场。三、量产生产方案已经已经开始明朗，多种路线同步大力大力推进单结钙钛矿电池：工业化生产已形成基本工艺方案单结钙钛矿电池与组件为一体器件，生产工序一体化，已形成基本方案。钙钛矿电池还处于产业化比较早期阶段，诸多技术工艺细节尚未定型，但对于单结钙钛矿电池而言，基本的制作流程已经证实，由于单结钙钛矿电池与组件呈现一体化特点，制作电池的工序同时也就是制作组件的工序，整个组件的制作工艺可以分为陈文杰电池的制作和后道PCB两部分：陈文杰电池制作：主要就是在玻璃基板上制作钙钛矿电池的各个功能层，并利用激光将整块电池划分为若干子电池，形成串联结构。后道组件PCB：利用胶膜、玻璃盖板等将内部结构密封保护，并安装接线盒等与外部电路相连接的设备，不少工序与晶硅组件相近，其中层压就是最核心的工序，胶膜方面必须使用力阻水性强的POE，同时还仍须协同使用丁基胶进一步防止水汽步入。钙钛矿层：狭缝涂敷相对主流，蒸镀法潜力大湿法工艺制作大面积钙钛矿层。将钙钛矿的组分原料制成溶液，通过涂敷或者喷涂等方式涂覆在基底上，随后原料相互反应形成钙钛矿晶体薄膜。湿法工艺可以分为：1）一步法，将卤化铅碘化铅PbI2和碘甲铵MAI等组分原料制成前驱体溶液，一次性涂覆后轻而易举结晶形成钙钛矿层，2）两步法，先将碘化铅PbI2等卤化物在传输层基底上制成薄膜，再在其上时涂覆浸润碘甲铵盐MAI等另外的组分溶液，形成钙钛矿晶体层。总体来看，一步法工艺直观，但仍须通过吹气、碱液反华溶剂等对结晶进行掌控，存一定难度，两步法制作出的钙钛矿膜层平整度更好、晶粒更大、重复性强。传输层：干法真空镀膜居多，PVD融合RPD运用最甚广真空镀膜就是钙钛矿电池传输层相对主流的制作方式。传输层可以挑选出的材料相对多样，但考量产业化生产，除了仍须具备较好的载流子传输能力，更仍须考量长时间使用的稳定性、材料的只须性和大规模制作的工艺情况。当前真空镀膜干法中的PVD和RPD就是制作传输层相对主流的方法：磁控溅射物理气象沉积（PVD）：即为在一个电场与磁场相互纵向的真空中，将扰动的氩气电离为氩离子（Ar+）和电子，氩离子在磁场的促进作用下飞向靶材，靶原子被火山爆发后崩溃原来晶格的束缚气化，逐步熔化至基板表面沉积成膜。其特点就是：1）技术相对明朗，能喷发物的材料广为，2）成膜较快且光滑性不好，能大面积成膜，3）靶材利用率较低，通常严重不足40%，4）粒子能量较低，可能将将对基底引致空袭损坏。反应式等离子体沉积（RPD）：本质也就是PVD的一种，不过就是通过等离子发生器升空等离子流，经过磁场偏转打在坩埚中的靶材上，并使之升华后沉积在基片上。其特点就是：1）镀膜过程中粒子能量小，避免基底损坏；2）可以在相对低温条件下沉积高质量薄膜；3）原材料利用相对较低；4）技术壁垒较低，专利被日本住友掌控。四、钙钛矿产业新星涌现，晶硅企业着力布局新兴电池企业嘻笑怒骂，从“0至1”生力军国内新兴钙钛矿电池企业涌现，研发实力不俗，成果频出。近年来，国内对钙钛矿电池技术和产业化研究持续加深，陆续涌现出以协鑫光电、纤纳光电、极电光能等为代表的一批优秀企业，其创始人、核心技术团队通常拥有深厚的研究机构背景和丰富的研发经验，不少在钙钛矿领域拥有较强的影响力。而在技术产品研发方面，这些企业团队不断打破钙钛矿电池组件认证效率记录，并在大面积和稳定性方面持续取得积极进展，部分已经开发出可商业化运用的组件产品。此外，如宝馨科技、宁德时代上市公司也在搭建核心团队进行布局。百兆瓦级产线纷纷建立，GW级产线为“从0至1”关键一步，料在2025年以前已经已经开始回调。国内产业化研发团队的技术突破也取悦了诸多产业资本，在融资朝拜下尚无数条百兆瓦级钙钛矿组件产线投入使用，我们预计时程还可以存越来越多的产线落地。另一方面，光伏电池技术仍须通过GW级量产回去突显产业化的规模效应，也就是钙钛矿电池同时同时实现技术成熟度和经济性突破的关键一步，目前未有不少企业明确提出了GW级产线的规划，我们预计在技术进展顺利的情况下，GW级产线建设料在2025年前已经已经开始回调。晶硅电池企业着力布局，以叠层为主要方向晶硅电池主要企业皆在研发端的进行布局，叠层电池为主要方向：对于传统晶硅电池企业，无论是隆基、晶科、通威等电池组件龙头，或是华晟、一道、中来等新生代，基本都存在钙钛矿技术方面存专门的研发布局，不少已经资金投入较长时间并赢得阶段性成果。布局的重点方向以钙钛矿/晶硅两端叠层居多，晶硅电池企业本身掌控明朗的晶硅技术，叠层电池则料并使其旧有产业优势进一步沿用，变成下一次关键性技术运算。五、