钙钛矿激光设备行业市场分析

钙钛矿激光设备行业市场分析1.投资观点2025年前钙钛矿电池将以叠层形式和晶硅电池共存，2025年后单结组件将开始渗透。钙钛矿电池的理论效率达31%，分别较PERC单晶/HJT/TOPCon电池高6.5/3.5/2.3pct，叠层后理论效率将提升至45%。钙钛矿产线设备投资较晶硅电池低44%-50%；组件制造成本约为1元/W，量产后有望降至0.3-0.4元/W，而PERC/TOPCon/HJT电池组件分别为2/2.05/2.2元/W。虽然钙钛矿电池具有高效率和低成本优势，但是目前仅完成了3年可靠性验证，我们认为在2025年之前钙钛矿电池将是晶硅电池的补充，以叠层形式提升组件的整体效率表现，在2025年完成长周期验证后，非叠层的单结钙钛矿组件有望快速提升渗透率。钙钛矿加速渗透将带来新激光设备需求。钙钛矿电池生产过程中需要对各功能层进行刻蚀以形成子电池结构，激光设备具有组件效率影响更小、生产效率高等优势。钙钛矿电池的加工精度要求为0.3-0.5微米，原有激光设备无法满足要求，钙钛矿电池开启渗透后将带来新激光设备需求。哪些激光设备供应商将受益于钙钛矿投资机会？目前能够提供整线激光设备的厂商具有先发优势并有望保持高市占率。帝尔激光率先推出了PERC激光掺杂设备，市占率超过90%。目前钙钛矿存在不同的技术路线，参考PERC激光掺杂设备发展历程，我们认为率先实现出货的厂商能够与客户形成较强的合作关系并保持高市占率。整线激光设备的毛利率高于激光器，自产激光器将改善激光设备毛利率。激光设备技术难度高，毛利率高于激光器，以德龙激光为例，其激光器产品毛利率约为35%-45%，激光设备产品毛利率约为40%-50%。激光器作为核心元器件，在激光设备价值量中占比约为40%-60%，厂商能够通过自产激光器以降低成本，提升设备毛利率。2.钙钛矿电池将凭借高效低本优势快速渗透现阶段多种光伏电池技术同步推进，其中钙钛矿电池效率领先。目前光伏电池技术可以分为硅晶电池、化合物薄膜电池、钙钛矿电池等类型，从效率来看，硅晶电池是现阶段比较成熟的光伏电池技术，实验室效率和量产效率均相对领先。化合物薄膜电池具有衰减低、重量轻、材料消耗少、制备能耗低、适合与建筑结合（BIPV）等特点，且实验室效率高于硅晶电池；钙钛矿电池具有成本低、灵活性高等特点，能够与HJT叠层，有望开启快速渗透。2.1.钙钛矿电池结构简单钙钛矿电池是使用具有钙钛复合氧化物晶体结构的化合物作为吸光半导体材料的第三代光伏电池技术。钙钛矿电池的发电原理为：1）钙钛矿层吸收光子产生电子-空穴对；2）电子从钙钛矿层传输到电子传输层并被透明导电氧化物（TCO，一般使用导电玻璃）收集，同时空穴从钙钛矿层传输到空穴传输层并被金属电极收集；3）通过连接TCO和金属电极形成电流。钙钛矿电池的结构相对简单。钙钛矿电池主要由以下几个功能层组成：透明导电氧化物（TCO）、电子传输层（ETL）、钙钛矿层、空穴传输层（HTL）和背电极。根据功能层的堆叠顺序，钙钛矿电池可分为正置的n-i-p和倒置的p-i-n结构。根据是否使用介孔支架，PSCs可以进一步分为介孔结构和平面结构。2.2.钙钛矿电池具有高效率、低成本优势钙钛矿电池将凭借转换效率和成本优势快速渗透。钙钛矿电池是第三代薄膜电池的代表技术路线，理论转换效率上限高于晶硅电池，通过与HJT等晶硅电池叠层后能够进一步提高效率，同时钙钛矿电池的设备成本和材料成本均较晶硅电池低超50%。光伏技术迭代以降本和增效为主线，而钙钛矿的效率和成本优势明显，虽然目前还面临面积扩大将影响效率、寿命不及晶硅电池等问题，但是我们认为钙钛矿电池将在2023年实现GW级产能投产，并有望在2025年实现10GW产能投产。2.2.1.钙钛矿电池的理论效率上限更高，提效速度更快钙钛矿电池的理论效率上限高于晶硅电池。钙钛矿电池的转换效率上限为31%，分别较PERC单晶电池/HJT电池/TOPCon电池高6.5/3.5/2.3pct。通过与晶硅电池叠层，钙钛矿电池能够进一步提升效率上限，多结电池理论效率可达45%。钙钛矿是效率提升最为迅速的光伏电池技术。2009年钙钛矿初次发明时转换效率仅为3.8%，在经过13年的发展后钙钛矿电池转换效率已经达到25.7%，二/四端子钙钛矿晶硅叠层电池分别实现了29.8%/26.63%的转换效率，是转换效率提升速度最快的光伏电池技术。钙钛矿电池的产业化效率有望快速提升。纤纳光电100WM钙钛矿电池产线已投产，协鑫光电100MW钙钛矿组件已下线，极电光能150MW钙钛矿电池产线已于2022年12月投产。国内钙钛矿光伏组件产业化仍处于较为初期的阶段，钙钛矿组件的产业化效率仅为16%左右，随着大面积影响效率等问题逐渐得到解决，我们预计2023年钙钛矿组件的产业化效率将超过18%并持续提升。2.2.2.钙钛矿电池的设备投资和单位成本低于晶硅电池相较于晶硅电池，钙钛矿组件具有综合成本优势。根据协鑫光电数据，100MW中试线生产的钙钛矿组件成本为1元/W，当产能提高至10GW时钙钛矿组件成本将降至0.5元/W，随着未来产能提升，钙钛矿组件成本有望进一步降低至0.3-0.4元/W，较目前PERC电池的2元/W的组件成本有明显优势。钙钛矿电池原材料来源丰富且廉价。钙钛矿电池所用钙钛矿原材料是具有ABX3结构的化合物的统称，其中A是甲胺、铯等有机/无机阳离子，B是铅、锗等金属阳离子，X为卤素阴离子。A、B、X位均可以相互替换组合，可选材质种类达数千种。同时钙钛矿原材料多为采矿等工业生产过程中的副产品，采购成本较低，原材料成本是传统晶硅电池的5%左右。钙钛矿电池单位原材料用量少于晶硅电池。目前PERC电池所用硅片平均厚度约为170微米，TOPCon电池所用硅片的平均厚度约为165微米，HJT电池所用硅片的平均厚度约为150微米，每平方米晶硅电池的硅料用量约为400克。钙钛矿具有良好的吸收光谱能力，仅需不足1微米的厚度就可以吸收超90%的太阳光，每平米的材料使用量小于2克。钙钛矿材料纯度要求低于晶硅电池，能耗成本更低。光伏级硅料纯度要求为99.9999%（6N），而制造20%效率级别钙钛矿仅需纯度90%左右的钙钛矿原材料，制造30%效率级别钙钛矿需要使用纯度约98%的钙钛矿原材料。硅料提纯过程需要保持1000度以上高温，单晶光伏组件制造的能耗约为1.52kWh/W，而钙钛矿组件的能耗成本为0.12kWh/W。钙钛矿设备投资仅为晶硅电池的50%。不同于晶硅电池产业链有硅料、硅片、电池和组件4个生产环节，钙钛矿电池产业链仅有1个生产环节，同时钙钛矿电池的制备过程无需高温处理，根据协鑫光电数据，GW级钙钛矿产线投资约为5亿元，较目前晶硅电池产线每GW9-10亿元的投资低44%-50%。另外受益于生产环节较少，钙钛矿组件的整体生产流程仅耗时45分钟，显著少于晶硅电池的3天。2.3.2025年钙钛矿组件产能有望达到15GW初期钙钛矿电池将作为晶硅电池的补充，待可靠性和大面积组件制备问题解决后有望开始快速渗透。钙钛矿电池渗透仍然面临着两大问题：1）可靠性，目前钙钛矿电池仅完成了3年的老化测试，产品寿命较晶硅电池的20年仍有明显差距；2）大面积组件制备难度较大，目前业界仍未解决大面积钙钛矿组件的薄膜制备不匀影响转换效率问题。钙钛矿电池在短期内难以取代晶硅电池成为主流电池技术，我们预计2025年之前钙钛矿电池将通过与晶硅电池叠层等方式成为晶硅电池的补充并逐渐渗透，并在2025年解决可靠性和大面积问题后开始逐渐取代晶硅电池成为主流电池技术。钙钛矿产业化于2022年启动，国内产能接近350MW。钙钛矿业界关注度较高，但技术发展初期需要投入大量研发资金，投资周期较长，提高稳定性、规模量产大面积组件的难度较大。近年来国内能源行业头部企业以及科研院校纷纷开始探索钙钛矿技术，推动钙钛矿的产业化进展。极电光能、协鑫光电等企业自2021年开始探索规模化商业量产生产钙钛矿组件，在2022年完成产线试验并开始投产。根据不完全统计，截至2022年12月国内共有近350MW大面积钙钛矿产线实现或接近量产。钙钛矿产能将从2024年开始快速提升。国内厂商目前仍处于100MW规模产线试产的阶段，考虑到钙钛矿的大面积和稳定性问题仍需时日，我们认为2023年国内钙钛矿产能将达到GW级别，将在2024年开始快速提高，并于2026年达到30GW级别。3.钙钛矿组件工艺及设备相对简单3.1.钙钛矿工艺包括镀膜、涂布、刻蚀和封装环节钙钛矿产线工艺主要包括镀膜、涂布/印刷、刻蚀和封装等环节。目前钙钛矿的生产技术路线尚未标准化，不同钙钛矿厂商往往会采用不同的工艺和技术路线，但大部分工艺路线都包括镀膜、涂布/印刷、刻蚀和封装这四个主要的工艺环节。3.1.1.镀膜环节镀膜环节制备各功能层和电极层，是钙钛矿电池的关键工艺。空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层、TCO层和背电极的制备过程中均涉及镀膜。钙钛矿组件镀膜环节主要使用物理气相沉积技术（PVD），即在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上。根据反应方法不同，PVD可以分为蒸镀、磁控溅射镀和反应式等离子体镀（RPD），其中：1）蒸镀成熟度较高，薄膜纯度高但其过程温度较高，薄膜附着力较差，主要应用于金属和有机材料电极；2）磁控溅射镀的薄膜附着力较强，过程温度较低但是会产生厚度不均匀的问题，主要应用于金属氧化物电极；3）RPD的薄膜质量更高，对衬底的轰击损伤较小，成膜速度更快，但是设备成本较高，且专利被日本住友掌握，国内仅有捷佳伟创获授权后生产相关设备，主要应用于金属氧化物电极。3.1.2.涂布/印刷环节涂布/印刷环节主要制备钙钛矿层。涂布和印刷工艺主要用于生产钙钛矿层，并且在实验室中已经开始尝试使用这两项技术生产空穴传输层和电子传输层。湿法涂布和印刷是制备钙钛矿层的两种主要工艺，其中湿法涂布工艺的可控性强，已经成为主流工艺；而印刷工艺用于生产印刷型钙钛矿组件，适用范围有限。涂布技术可以分为刮涂、辊涂以及狭缝涂布等，其中狭缝涂布是主流工艺。1）狭缝涂布技术是一种高精度涂布方式，工作原理为涂布液沿着涂布模具的缝隙挤压喷出而转移到基材上，具有涂布速度快、精度高、湿厚均匀、浆料利用率高、可同时进行多层涂布等优点。2）刮涂的工作原理是使用刮刀刮掉基材上的过量涂料，具体工作原理是将过量浆料涂在薄膜基材上，在基材通过涂辊与刮刀之间时刮掉多余浆料，并由此在基材表面形成一层均匀的涂层，刮刀与基材之间的间隙决定了涂层厚度。优点是易于控制涂布量和涂布精度，适用于高固含量和高黏度的浆料，但存在这种刮刀具在刮涂过程中可能会对器件表面造成损伤。3）辊涂的工作原理是涂辊转动带动浆料，通过刮刀间隙来调节浆料转移量，并利用背辊和涂辊的转动将浆料转移到基材上，优缺点和刮涂类似。3.1.3.刻蚀环节刻蚀环节用于切割子电池，激光刻蚀已经成为主流方法。钙钛矿刻蚀工艺有机械刻蚀、金刚线刻蚀和激光刻蚀等方法，激光刻蚀具有综合成本较低、精度高、死区小、效率高等优势，已成为钙钛矿刻蚀的主流工艺。3.1.4.封装环节封装环节可以减缓钙钛矿电池稳定性破坏过程，可以分为完全覆盖封装和边缘封装。钙钛矿电池组件对外部环境较为敏感，不利的外部环境将加速钙钛矿层的分解，常见封装方式可以分为两种：1）完全覆盖封装，在模块顶部制备封装层，优点是封装效果更好，但是对钙钛矿层以及其它功能层的影响较大。2）边缘封装，在模块周围放置密封剂，优点是减少对功能层的影响，同时对材料透光率的要求较低，但封装效果会相应降低。3.2.设备种类较少，单位投资较低钙钛矿产线主要包括PVD、涂布、激光和封装四种设备。钙钛矿生产工序可以分为磁控溅射/热蒸镀、反应式等离子体沉积、湿法涂布、激光刻蚀、激光清边和封装等环节，主要应用了PVD、涂布、激光和封装四种设备。由于尚未形成规模，现阶段钙钛矿光伏组件的生产线投资相对较高，极电光能150MW钙钛矿光伏生产线投资约2亿元，而协鑫光电的100MW钙钛矿光伏生产线投资约为1亿元，仍存在较大下降空间。PVD设备是钙钛矿产线中价值量最高的设备类型，占比约50%。虽然目前钙钛矿的技术路线尚未实现标准化，不同技术路线之间使用PVD设备和涂布设备的数量和比例不同，但是总体来看，PVD/涂布/激光/封装设备的价值量占比分别约为50%/20%/20%/10%。4.钙钛矿快速渗透带来旺盛激光设备需求4.1.激光设备将成为钙钛矿产线标配激光划线和清边是钙钛矿制备过程中的必须工序。钙钛矿产业化应用需要解决制备大面积组件所面临的电阻提高等问题，主要解决方向是通过将电池以串联或者并联的方式制作组件来降低电阻，其中串联是钙钛矿的主要应用方式。在形成钙钛矿电池的串联结构时需要对不同的功能层在不同的位置进行划线。功能层的划线可以通过掩膜版、化学蚀刻、机械或者激光划线完成。激光划线可以产生更细的划线区域，目前激光划线已逐渐取代其他划线方法成为主要的划线方法，同时激光设备还可以应用于钙钛矿的膜层清除工序环节。激光划线P1工艺：通过激光设备分割底部的TCO衬底。在导电玻璃电极TCO层制备完成后，在制备空穴传输层、钙钛矿层和电子传输层之前通过激光设备进行划线，形成相互独立的TCO衬底。激光划线P2工艺：划开空穴传输层、钙钛矿层和电子传输层。P2工艺的目的是露出TCO衬底，为连接相邻两节子电池的正负电极提供通道。完成空穴传输层、钙钛矿层和电子传输层制备之后，通过激光设备刻蚀空穴传输层、钙钛矿层和电子传输层，暴露出TCO层，从而在下一步电极蒸镀过程中能够让子电池之间的正负极相互连接。激光划线P3工艺：去除部分功能层以分割相邻子电池的正极。P3工艺需要在蒸镀完电极后进行，本道工艺使用激光设备刻蚀部分电极，从而将子电池之间分离开。为了保证不损伤P2层，本道工艺对激光设备加工精度要求较高。激光清边P4工艺：封装前的清理工艺。激光清边是指利用激光技术清除掉电池边缘的沉积膜，而本工艺相对较为成熟，同样可以应用于薄膜电池。过往技术难点在于采用近红外激光进行一次清边，即一次性去除所有功能层的待去除边缘，该方法的效率较高但是会产生膜层侧边互熔问题，从而导致短路，影响电池的效率和可靠性。业内已研发出两次清边法分别切除前电极和背电极的待去除边缘，避免互熔问题。4.2.激光设备市场规模有望快速增长4.2.1.激光设备在钙钛矿产线中价值量占比约20%激光设备在钙钛矿产线中的价值量占比约20%。钙钛矿对激光刻蚀有更高的精度要求。以碲化镉和铜铟镓硒薄膜电池为例，对激光刻蚀的精度要求分别为3-5微米和2微米，但钙钛矿则需要0.3-0.5微米精度的激光设备，薄膜电池的激光刻蚀设备无法直接应用于钙钛矿电池生产，目前激光设备厂商正在与钙钛矿生产商合作开发激光设备。钙钛矿光伏产线激光设备价值量约为1亿元/GW。目前百兆瓦级别钙钛矿光伏产线中激光设备价值量约为1000万元，钙钛矿产能提升将提高激光设备保持同一精度的难度，同时生产商的经验将随着激光设备出货量的提升而改善，我们预计在这两个因素的共同影响下GW级产线的激光设备价值量约为1亿元/GW。4.2.2.2025年钙钛矿激光设备市场规模将达10亿元激光设备作为标准配置，将伴随钙钛矿产能快速扩张同步放量。激光划线和清边设备已成为钙钛矿的标准配备，考虑到：1）新增钙钛矿产能，如前文所述，我们预计2023/2024/2025年新增钙钛矿组件产能0.65/4/10GW。2）钙钛矿产能投资，现阶段钙钛矿产能仅为380MW左右，产能有限造成目前国内钙钛矿产能的单位GW投资规模高达10-13亿元/GW，未来单位投资额有望随着工艺成熟而逐渐下降至5亿元/GW。3）激光设备投资占比，考虑到钙钛矿激光设备已趋于成熟，未来将随钙钛矿产线投资额下降，我们预计其将在钙钛矿设备投资额中保持20%的占比。基于以上假设，我们预计2023-2025年国内新增激光设备市场规模为1.2/4.8/10亿元。5.投资分析德龙激光国内激光精细微加工头部厂商，在钙钛矿、巨量转移和锂电池除膜设备领域均已实现技术突破，有望在2023年快速放量。德龙激光聚焦于半导体、光学、显示及消费电子等领域的激光精细微加工设备业务，2020年国内泛半导体激光设备市占率达15%，排名第三；2016-2020年中国大陆主要面板厂的激光切割类设备销量占12%，排名第三。公司目前已经突破了钙钛矿P0（激光打标）、P1-P3及P4全套激光加工设备生产工艺，Micro-LED激光巨量转移设备已经通过客户测试，同时公司的在研项目锂电池电芯激光除膜工艺进展顺利，以上新项目有望在2023年开始放量。疫情影响收入确认叠加研发费用大幅上涨，公司净利润受到影响，但恢复在即。受到疫情影响，公司下游客户订单确认进度不及预期，2022Q3公司营收为3.57亿元，同比下滑1.78%。在收入确认不及预期的情况下，2022Q3公司研发费用达到5,767万元，同比增长39.2%，对公司盈利造成了负面影响，2022Q3扣非归母净利润为2,678万元，同比下降41.36%；在毛利率仅同比下降0.98pct的情况下，2022Q3公司净利率同比下降4.04pct至9.7%。随着疫情对下游客户确认收入的影响逐渐出清，我们认为公司2022年未能确认的收入有望递延至2023年确认，从而改善公司整体业绩表现。激光设备是公司的主营业务，营收占比长期超过70%。在公司的营收结构中，激光设备自2018年起占比就保持在70%及以上水平，成为公司业绩增长的主要动力。产能利用充分，激光器自产比例较高，公司毛利率表现良好。公司的激光设备为定制化产品，不同产品由于技术要求、设计规模和设计难度存在差异因此需要分别进行设计、组装和调试，叠加下游需求旺盛，2019-2021年公司产能利用率均超110%，从而摊薄了生产成本。公司能够生产纳秒、皮秒和飞秒激光器，外售激光器业务毛利率约为40%-50%，而公司生产的激光加工设备中大部分都搭载了自产激光器，有利于降本，激光加工设备业务毛利率长期保持在40%-50%区间，为钙钛矿设备降本留下了充足空间。杰普特MOPA脉冲激光器全球市占率第一，切入锂电和光伏激光设备领域。杰普特是全球市占率最高的MOPA脉冲激光器生产商，2021年MOPA脉冲激光器出货量约为2.5万台，市占率接近70%。公司利用在MOPA激光器领域的优势顺利切入锂电池激光加工设备和钙钛矿设备业务领