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1、 1|请务必仔细阅读报告尾部的投资评级说明和声明 行业深度研究行业深度研究|电力设备电力设备 钙钛矿渐行渐近,产业化已经拉开序幕 钙钛矿行业深度报告 核心结论核心结论 行业评级行业评级 超配超配 前次评级 超配 评级变动 维持 近一年行业走势近一年行业走势 相对表现相对表现 1 个月个月 3 个月个月 12 个月个月 电力设备-3.99-15.84-24.19 沪深 300-2.87-10.24 1.20 分析师分析师 杨敬梅杨敬梅 S0800518020002 联系人联系人 董正奇董正奇 相关研究相关研究 电力设备:建立容量补偿机制,储能电站
2、经济性有望提升南方(以广东起步)电力现货市场政策点评 2023-10-29 电力设备:9 月光伏风电装机维持高增,动力电池装机量环比提升电新行业周报20 2023-10-29 电力设备:9 月光伏招中标量持续提升,锂电材料产量保持稳定增长电新行业周报20 2023-10-22 与晶硅电池相比,钙钛矿电池潜力与晶硅电池相比,钙钛矿电池潜力较大较大。第三代太阳能电池技术钙钛矿电池相对于晶硅类电池具有两个优势,一是转换效率高,且效率提升速度更快,三节钙钛矿叠层电池的理论效率可达到 50%,与目前主流的 25%左右电池技术相比空间较大,二是钙
3、钛矿原材料易得且制造产业链明显缩短,其产业化潜力较大。量产化步骤基本确定,技术路线多重多样。量产化步骤基本确定,技术路线多重多样。随着钙钛矿逐步进入量产化,尽管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,但目前单结钙钛矿制备流程基本确定,其中激光切割步骤和结晶步骤为核心步骤,各层的制备手段技术路线也还存在争议。钙钛矿组件分为五层,以常见的反式结构为例,从上到下分别是底电极,空穴传输层,钙钛矿层,电子传输层,顶电极。其中钙钛矿薄膜制备方法多样,狭缝涂布为目前主流,但针对 2T 叠层蒸镀亦存在潜力,电子传输层适合 RPD 手段,空穴传输层适合 PVD 手段,电极层则主要使用 TC
4、O 玻璃,采用 PVD 或是蒸镀手段。叠层电池最具有产业化潜力,二端四端存在争议。叠层电池最具有产业化潜力,二端四端存在争议。我们认为钙钛矿与晶硅叠层有望成为钙钛矿实现量产化路径的最优解,目前技术条件下二端和四端叠层各有优劣。对于单结钙钛矿电池,其量产转换效率上限有限,目前产业界认为其效率上限约处于 21%左右。对于叠层晶硅钙钛矿叠层电池而言,其转换效率能达到 26%以上,尽管其成本有所增加,但在考虑其对于BOS 成本的摊薄之后仍具有很强的性价比。而叠层中的两种技术路线二端与四端仍存在争议,二端制备难度较大,四端成本较高,因此仍需后续跟踪。钙钛矿企业处在钙钛矿企业处在 0-1 过程,目前百家争
5、鸣过程,目前百家争鸣。根据 CPIA,截止 2023 年 2 月底,国内已有协鑫光电、纤纳光电和极电光能等 3 条百兆瓦以上产能钙钛矿产线投产。产业方面,钙钛矿设备订单先行,厂商交付顺利。PSCs 主要设备厂商迈为股份、晟成光伏、捷佳伟创、杰普特、德沪涂膜均已收获设备订单,部分厂商已经顺利交付量产。生产领域重要玩家融资过亿元,中试线逐步建设。PSCs 生产主要厂商协鑫光电、纤纳光电、极电光能均已完成超亿元融资,协鑫光电已投建全球首条 100MW 大面积组件中试线,极电光能也已开始建设 150MW 试验线,纤纳光电七次刷新小组件世界纪录,产业 化发展欣欣向荣。投资建议:投资建议:考虑到钙钛矿行业
6、空间较大,部分上市公司已经着力布局,推荐相关公司协鑫科技、曼恩斯特、捷佳伟创,建议关注京山轻机。风险提示:技术发展不及预期,数据测算和预测假设存在主观性、成本下降速度不及预期风险、技术路线不定风险、光伏行业需求不及预期风险 -27%-20%-13%-6%1%8%15%-022023-06电力设备沪深300证券研究报告证券研究报告 2023 年 10 月 30 日 行业深度研究|电力设备 西部证券西部证券 2023 年年 10 月月 30 日日 2|请务必仔细阅读报告尾部的投资评级说明和声明 索引 内容目录 一、钙钛矿电池:第三代太阳能电池,产业化进行时.4 1.1 现有技
7、术进入瓶颈期,钙钛矿有望成为下一代光伏电池.4 1.2 钙钛矿电池主流结构为平面反式结构.6 二、钙钛矿产业化渐行渐近,但仍存在挑战.7 2.1 钙钛矿转换效率高,且效率提升速度更快.7 2.2 钙钛矿原材料易得且制造产业链明显缩短.10 2.3 稳定性、大面积制备与环境污染为目前主要挑战.13 三、量产化步骤基本确定,技术路线多重多样.16 3.1 量产化钙钛矿制备步骤基本确定.16 3.2 钙钛矿薄膜制备方法多样,狭缝涂布为目前主流.16 3.3 电子传输层适合 RPD,空穴传输层适合 PVD.18 3.4 电极层主要使用 TCO 玻璃,FTO 经济性更强.20 3.5 钙钛矿电池需四次激
8、光刻蚀,起分片效果.20 3.6 封装对稳定性至关重要,通常采用 POE 材料.21 3.7 叠层电池最具有产业化潜力,二端四端各有千秋.22 四、钙钛矿电池产业化进展已经开始,25 年有望实现 GW 级量产.25 4.1 学术界与产业界均有较大进展,钙钛矿产业化已经拉开序幕.25 4.2 钙钛矿企业处在 0-1 过程,目前百家争鸣.26 4.3 钙钛矿制备设备有望受益.28 五、相关标的及投资建议.30 5.1 协鑫科技.30 5.2 京山轻机.30 5.3 曼恩斯特.31 5.4 帝尔激光.31 六、风险提示.33 图表目录 图 1:太阳能电池发展历程及其优缺点.4 图 2:不同光伏技术指
9、标太阳能电池的成本与太阳能电池转换效率关系.5 图 3:钙钛矿晶体结构示意图.5 图 4:钙钛矿晶体结构示意图.5 图 5:介孔结构钙钛矿电池示意图.6 图 6:钙钛矿电池转化效率提升速度快.8 图 7:多结叠层电池可以吸收更多波长的光.10 图 8:钙钛矿太阳能电池产业链显著缩短.11 图 9:钙钛矿太阳能电池单位原材料投入显著低于晶硅类.12 图 10:钙钛矿太阳能电池可低温溶液制备.12 图 11:钙钛矿太阳能电池组件单瓦能耗仅为晶硅的 1/10.12 图 12:晶硅组件的制造成本结构.13 图 13:钙钛矿组建的制造成本结构.13 图 14:钙钛矿在水氧条件下腐蚀前后紫外吸收测试显示其
10、效率快速下降.13 图 15:紫外光照下 2和氧气相互作用机理示意图.14 DZdUoY9YrVFYlYtUaQ9RaQsQoOpNnOjMpOoOlOpMmN6MnMrRNZtPyQwMmOoM 行业深度研究|电力设备 西部证券西部证券 2023 年年 10 月月 30 日日 3|请务必仔细阅读报告尾部的投资评级说明和声明 图 16:各种涂层技术制备的 PSCs 在随面积增大效率均有所降低.15 图 17:晶硅太阳能电池的焊带中铅含量较高,光伏焊带示意图.15 图 18:钙钛矿电池组件生产流.16 图 19:钙钛矿薄膜制备工艺.17 图 20:狭缝涂布技术原理.18 图 21:PVD 三种路
11、线原理图.19 图 22:ALD 原理示意图.19 图 23:钙钛矿电池中的激光刻蚀.21 图 24:钙钛矿电池的两种封装方式.21 图 25:钙钛矿/硅叠层电池各种结构图.23 图 26:集成一体化钙钛矿/晶硅叠层电池示意图.23 图 27:机械堆叠钙钛矿/晶硅叠层电池示意图.23 图 28:全钙钛矿叠层的中间连接层结构.24 图 29:正/反向硅基异质结钙钛矿叠层电池结构.24 图 30:叠层钙钛矿电池的结构类型.24 图 31:2009-2020 年 PSCs 专利申请量提升迅速.25 图 32:钙钛矿太阳能电池的大部分专利申请都来自中国.25 图 33:钙钛矿太阳能电池制备过程较晶硅类
12、大幅简化.26 图 34:钙钛矿太阳能电池生产的主要设备为钙钛矿印刷设备及真空镀膜设备.26 图 35:钙钛矿电池生产用 PVD 设备.29 图 36:钙钛矿电池生产用涂布设备.29 图 37:曼恩斯特核心产品涂布模头、智能涂布设备等.31 图 38:曼恩斯特泛半导体业务涂布技术解决方案.31 表 1:钙钛矿电池结构、作用及特点.6 表 2:钙钛矿电池和晶硅电池对比.7 表 3:钙钛矿太阳能电池实验室转换效率发展历程.8 表 4:不同类型钙钛矿电池最新转换效率.9 表 5:钙钛矿太阳能电池稳定性的进展.14 表 6:钙钛矿层主流制备方法对比(按原理分类).16 表 7:钙钛矿大面积制备方法对比
13、(按设备分类).17 表 8:部分钙钛矿企业进展.27 表 9:钙钛矿电池组件 100MW 生产线设备.27 表 10:单结钙钛矿太阳能电池产业化进展.28 表 11:钙钛矿/HJT 叠层电池所需设备.28 表 12:京山轻机钙钛矿及叠层电池组件主要产品.30 表 13:帝尔激光主要产品覆盖 PERC、XBC、TOPCon、HJT、钙钛矿以及激光转印设备.32 行业深度研究|电力设备 西部证券西部证券 2023 年年 10 月月 30 日日 4|请务必仔细阅读报告尾部的投资评级说明和声明 一、钙钛矿电池:第三代太阳能电池,产业化进行时一、钙钛矿电池:第三代太阳能电池,产业化进行时 1.1 现有
14、技术进入瓶颈期,钙钛矿有望成为下一代光伏电池现有技术进入瓶颈期,钙钛矿有望成为下一代光伏电池 太阳能电池是指可以有效吸收太阳能,并将其转化为电能的半导体部件。截止目前,太阳能电池经历了三次迭代:第一代第一代,包括单晶硅、多晶硅在内的硅基太阳能电池。该电池发展成熟,应用广泛,但必须使用高纯硅,造价高,制备过程成本高,产业化运用受到制约,PERC 量产转化效率达到 23.1%,TOPCon 量产效率目前达到 25.3%以上,HJT 达到 25.5%以上;第二代第二代,包括碲化镉(CdTe),砷化镓(GaAs),铜铟镓硒化合物在内的薄膜太阳能电池。较晶硅电池,薄膜电池能容忍较高的缺陷密度,制作成本相
15、对低,易产量化,但其原料部分元素地球储量少且严重污染环境,碲化镉电池量产转化效率达到 16.6%;第三代第三代,包括染料敏化电池、钙钛矿电池、量子点太阳能在内的新型太阳能电池。制备工艺简单,成本低,原料地球储量大且转化效率高,但仍处于初级阶段,稳定性较弱。图 1:太阳能电池发展历程及其优缺点 资料来源:粉体网,西部证券研发中心 PERC 电池电池进入瓶颈期进入瓶颈期,需要增加修饰层来进步。,需要增加修饰层来进步。例如目前的晶硅电池 N 型技术中TOPCon 便是在晶硅的基础上增加更多的修饰层,以达到增加转换效率的目的。而硅基、薄膜太阳能电池具较高的载流子迁移率,但材料的吸光性能差,消光系数低,
16、需要采取极薄半导体吸收层来弥补不足;如图 2 所示,第三代太阳能电池兼顾效率与成本,极具发展前景。第三代电池技术中,有机太阳能电池虽具有很好的吸光性能,但载流子迁移率极低,染料敏化太阳能电池虽在弥补硅基太阳能电池、薄膜太阳能电池和有机太阳能电池的各自不足方面取得了显著的成效,但仍面临吸收层厚度至少要在 10 m 以上、难以克服的光漂白现象以及稳定性差等问题。而相对来说,钙钛矿电池性能优良,具有诸多优势,是太阳能电池极具发展前景的下一代。行业深度研究|电力设备 西部证券西部证券 2023 年年 10 月月 30 日日 5|请务必仔细阅读报告尾部的投资评级说明和声明 图 2:不同光伏技术指标太阳能
17、电池的成本与太阳能电池转换效率关系 资料来源:CNKI_钙钛矿太阳能电池:光伏领域的新希望_魏静等,西部证券研发中心 注::硅片技术(第一代电池);:薄膜技术(第二代电池);:高效薄膜技术(第三代电池)钙钛矿材料是具有钙钛矿材料是具有型结构的一类晶体材料,一般为立方体或八面体结构型结构的一类晶体材料,一般为立方体或八面体结构。广义的钙钛矿其实是指具有型的化学组成的化合物。其中 A(A=2+,+,2+,2+,+,2+,2+等)是大半径的阳离子,B(B=4+,4+,4+,3+,5+等)是小半径的阳离子,X(X=,2等)为阴离子。3钙钛矿结构中,其中 B 与 X 形成正八面体对称结构,位于八面体的中
18、心,形成6 立方对称结构,A 分布在八面体组成的中心形成立方体,晶体结构稳定。目前正在产业化的钙钛矿单结电池中,A位目前多数采用甲醚,B 位一般采用铅或稀土元素,X 位一般采用碘元素掺杂部分的溴。图 3:钙钛矿晶体结构示意图 图 4:钙钛矿晶体结构示意图 资料来源:CNKI_钙钛矿太阳能电池中电子传输材料的研究进展_丁雄傑,西部证券研发中心 资料来源:CNKI_钙钛矿太阳能电池中电子传输材料的研究进展_丁雄傑,西部证券研发中心 典型的有机-无机钙钛矿材料中(图 4),A 位为有机阳离子,如甲铵离子,甲脒离子,占据正方体的八个定点;B 位为二价金属离子,如2+,2+等,处于正方体的体心;X 是卤
19、素离子,如,,占据面心。离子半径较恰当,尺寸较小的有机离子可以调节无机离子之间的空隙,无机卤化金属就可以构成连续的八面体骨架,形成较为规整的近似于立方体的晶体。由于堆叠紧密所得的三维连续结构拥有较窄的带隙。这种有机-无机杂化的方式与传统的杂化材料不同的是在分子尺度的复合,因此能够结合有机材料和无机材料各自性能上的优势。最常用的纯碘的钙钛矿材料(3),带隙约为1.55eV,对应的吸收带边为 800nm,可吸收整个可见光谱内的光子,且吸收系数高。有 行业深度研究|电力设备 西部证券西部证券 2023 年年 10 月月 30 日日 6|请务必仔细阅读报告尾部的投资评级说明和声明 机基团的存在使材料能
20、有溶于常见的有机溶剂,性质可通过改变有机离子尺寸而调节,因此有机-无机钙钛矿材料非常适合作为太阳能电池的吸光层。1.2 钙钛矿电池主流结构为平面反式结构钙钛矿电池主流结构为平面反式结构 钙钛矿太阳能电池(PSCs)以钙钛矿材料为吸光材料,其结构有介孔和平面介孔和平面两种。介孔结构钙钛矿电池以致密2为电子传输材料,介孔2为框架,在其表面生长333后,沉积 p 型半导体材料作为空穴传输层。图 5:介孔结构钙钛矿电池示意图 资料来源:CNKI_钙钛矿太阳能电池中电子传输材料的研究进展_丁雄傑等,西部证券研发中心 单结钙钛矿电池主要有三种结构,分为正式介孔、正式平面和反式平面结构,反式平面单结钙钛矿电
21、池主要有三种结构,分为正式介孔、正式平面和反式平面结构,反式平面结构优势较大。结构优势较大。根据是否有介孔层,可将钙钛矿电池分为平面和介孔结构,介孔层既可以作为支架辅助钙钛矿生长,又可以加快载流子的传输,但其尺寸不易控制,成本较高。平面结构中根据电子传输层和空穴传输层的位置相反分为正式和反式结构,其中,反式结构的钙钛矿电池制备简单、成本低,并且无需高温烧结,是目前的主流结构。表 1:钙钛矿电池结构、作用及特点 功能层功能层 作用作用 材料类型材料类型 代表材料代表材料 钙钛矿吸光层 吸收光能、光电转换 有机无机杂化 CH3NH3Pbl3、HC(NH2)Pbl3、CH3NH3Snl3、FA0.7
22、MA0.3Pbl2.55Cl0.45、FA0.6CS0.4Pb(l0.7Br0.3)3 全无机 CsPbBr3、CsPblxBr3-x、KPbl3等 电子传输层 传输电子并阻挡空穴,自由电子通过 ETL 转移到阴极 有机材料 富勒烯及其衍生物、苝二酰亚胺、萘二酰亚胺 新型小分子材料 TPE-PDI4、TDTP 等 无机材料 氧化钛、氧化铟、五氧化二铌等 空穴传输层 自由空穴通过 HTL 转移到阳极 导电聚合材料 PEDOT:PSS、聚双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺(PTAA)、共轭聚电解质(CPE)、聚合电解质 有机小分子材料 TPASB、DFH、MPA-BTTI、NPB 等 无机
23、材料 氧化镍、铜基材料等 电极层 透光、导电、连接外电路 贵金属 金、银、铜等 导电玻璃 ITO、FTO、AZO 碳材料 石墨、炭黑、碳纳米管及复合材料 资料来源:王耀武等有机电子传输材料在反式钙钛矿太阳能电池中的研究现状、杨喆淇基于界面维度调控的高效反式钙钛矿太阳能电池,西部证券研发中心 行业深度研究|电力设备 西部证券西部证券 2023 年年 10 月月 30 日日 7|请务必仔细阅读报告尾部的投资评级说明和声明 二、钙钛矿产业化二、钙钛矿产业化渐行渐近渐行渐近,但仍存在挑战,但仍存在挑战 钙钛矿太阳能电池(PSCs)属于第三代高效薄膜电池,凭借转换效率高和制作成本低的优势,被誉为“光伏领
24、域的新希望”。钙钛矿还可以与晶硅或不同钙钛矿材料组成叠层电池,实现转换效率的进一步跃升,发展前景广阔。同时,钙钛矿太阳能电池在产业化道路面临的发电效率不稳定、大面积制备难、环境污染风险大的问题也在解决当中。2.1 钙钛矿转换效率高,且效率提升速度更快钙钛矿转换效率高,且效率提升速度更快 叠层电池理论转换效率高。叠层电池理论转换效率高。传统的单结钙钛矿电池只有一个 pn 结,而对于钙钛矿叠层电池,由于其钙钛矿带隙宽度可调,可制备 2 结、3 结及以上的叠层电池,其中 2 结叠层电池有钙钛矿-钙钛矿和钙钛矿-晶硅叠层电池两种,转换效率可提高到 40%左右,3 结及以上钙钛矿叠层电池的理论转换效率更
25、是能达到 50%左右。钙钛矿电池光电理论转化效率明显高于晶硅类太阳能电池。钙钛矿电池光电理论转化效率明显高于晶硅类太阳能电池。单结钙钛矿太阳能电池当前最高光电转换效率达 25.7%,理论转化效率可达 31%。异质结/钙钛矿叠层电池理论极限效率可突破 40%,高于单结晶体硅太阳能电池理论极限效率 29.43%。如果掺杂新型材料,叠层钙钛矿电池的转换效率最高能达到的 50%,是目前晶硅电池的 2 倍左右。由此可见钙钛矿太阳能电池的效率提升空间非常大。根据 Shockley-Queisser 理论,单结太阳能电池吸光材料的禁带宽度为 1.34eV 时,其理论光电转换效率可达 33.7%,通常认为吸光
26、层材料的最优带隙为 1.3-1.5eV,越接近于此效率越高。目前最常用的钙钛矿材料3和3的禁带宽度为 1.5-1.6eV,非常接近于最优带隙,其理论最大光电转化效率均处于 30%以上,因此钙钛矿是一种十分理想的新型光电材料。表 2:钙钛矿电池和晶硅电池对比 项目项目 钙钛矿电池钙钛矿电池 晶硅电池晶硅电池 单结最高效率 25.7%26.1%理论极限效率 31%29.4%器件厚度 500nm 150um 吸光范围 350800nm 4001200nm 禁带宽度 1.4eV,且可调 1.1eV 弱光效应 强,阴雨天等低光照环境正常工作 弱,阴雨天及低光照环境基本不工作 柔性 易制备为柔性电池 难以
27、制备为柔性电池 资料来源:超长稳定的混合阳离子钙钛矿太阳能电池性能优化研究,应用案例钙钛矿太阳能电池,西部证券研发中心 钙钛矿效率提升速度比晶硅更快。钙钛矿效率提升速度比晶硅更快。钙钛矿太阳能电池效率提升速度快,2009 年诞生时效率为 3.8%,2017 年 Sang Seok 结合两步法旋涂成膜将效率提高到 22.1%,2018 年 Jun Hong Noh 等通过一种无溶剂固相反应的方法将效率提升到 24.35%,2022 年蔚山先进能源技术研究开发中心和洛桑联邦理工学院将胶体 QD-SnO2 牢固地连接到 c-TiO2 表面,形成了连续、薄和共形的 SnO2 层,基于双层电子传输层将效
28、率提升到了 25.7%。而晶硅电池效率在 1989 年达到 22.8%后,之后近四十年没有很大的突破。从 2009 年的 3.8%提升至目前的 25.7%,钙钛矿电池效率提升速度远高于晶硅电池,其核心原因是钙钛矿电池材料的可设计性强。光伏应用中的钙钛矿材料是人工设计的晶体材料,选择灵活,可以通过人工设计不断寻找性能更好、成本更低的材料,不断改进设计从而提升电池性能。而晶硅材料只能提纯、结构不能改变。因此,钙钛矿太阳能电池因此,钙钛矿太阳能电池 行业深度研究|电力设备 西部证券西部证券 2023 年年 10 月月 30 日日 8|请务必仔细阅读报告尾部的投资评级说明和声明 与晶硅电池的竞争,是成
29、千上万种钙钛矿材料和一种晶硅材料的竞争。与晶硅电池的竞争,是成千上万种钙钛矿材料和一种晶硅材料的竞争。图 6:钙钛矿电池转化效率提升速度快 资料来源:NERL,西部证券研发中心 表 3:钙钛矿太阳能电池实验室转换效率发展历程 时间时间 研发团队研发团队 电池类型电池类型 转换效率转换效率 2009 日本科学家 Miyasaka 单结钙钛矿太阳能电池 3.80%2011 韩国成均馆大学 Nam-Gyu Park 课题组 单结钙钛矿太阳能电池 6.50%2012 牛津大学 Henry SnaithHE 和 Mike Lee 课题组 单结钙钛矿太阳能电池 10.00%2012 牛津大学 Henry
30、Snaith 单结钙钛矿太阳能电池 15.40%2015 韩国化学技术研究所以及成均馆大学 单结钙钛矿太阳能电池 17.90%2016 瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)单结钙钛矿太阳能电池 19.60%2017 韩国蔚山国立科技研究所 单结钙钛矿太阳能电池 22.10%2018 中国科学院半导体研究所研究员游经碧课题组 单结钙钛矿太阳能电池 23.70%2018 牛津光伏(Oxford PV)硅/钙钛矿叠层太阳能电池 27.30%2018 牛津光伏(Oxford PV)硅/钙钛矿叠层太阳能电池 28.00%2019.4 韩国化学技术研究所(KRICT)单结钙钛矿太阳能电池 24.20%2019
31、.8 韩国化学技术研究所、麻省理工 单结钙钛矿太阳能电池 25.20%2020.1 美国能源部国家可再生能源实验室 全钙钛矿叠层电池 23.10%2020.1 亥姆霍兹中心(HZB)硅/钙钛矿叠层太阳能电池 29.15%2020.9 香港城市大学、华盛顿大学 单结钙钛矿太阳能电池 25.50%2020.12 牛津光伏(Oxford PV)硅/钙钛矿叠层太阳能电池 29.52%2021.1 韩国蔚山国家科学技术研究所(UNIST)单结钙钛矿太阳能电池 25.50%2021.11 亥姆霍兹中心(HZB)硅/钙钛矿叠层太阳能电池 29.80%2022.2 加拿大多伦多大学 Edward H.Sarg
32、ent 教授 全钙钛矿叠层电池 26.40%2022.6 南京大学谭海仁教授课题组 全钙位矿叠层电池 28.00%2022.6 普林斯顿大学研究人员 大面积钙钛矿叠层电池 21.70%2022.7 洛桑联邦理工学院(EPFL)和瑞士电子与微技术中心(CSEM)硅/钙钛矿叠层太阳能电池 31.30%2022.8 中国科学院半导体所 单结钙钛矿太阳能电池 25.60%2022.9 美国国家可再生能源实验室朱凯团队及其合作团队托莱多大学鄢炎发团队 反式钙钛矿太阳能电池 25.37%2023.1 浙江大学杨德仁院士团队余学功教授研究组 宽带隙钙(1.67 eV)钛矿太阳能电池 22.28%2023.3
33、 中国科学院半导体研究所 单结钙钛矿太阳能电池 26.00%2023.3 江苏大学陈承&程明 氧化镍钙钛矿太阳能电池反式器件 24.00%行业深度研究|电力设备 西部证券西部证券 2023 年年 10 月月 30 日日 9|请务必仔细阅读报告尾部的投资评级说明和声明 时间时间 研发团队研发团队 电池类型电池类型 转换效率转换效率 2023.3 北卡黄劲松团队 锡铅混合钙钛矿太阳能电池 23.70%2023.4 KAUST 光伏实验室 钙钛矿/硅串联太阳能电池 33.20%2023.5 中国科 2 院半导体研究所 单结钙钛矿太阳能电池 26.10%2023.5 KAUST 光伏实验室 钙钛矿/硅
34、叠层太阳电池 33.70%2023.6 南京大学&仁烁光电 钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能电池(认证效率)29.10%资料来源:3060,光伏大数据前沿,PV-Tech,钙钛矿太阳能电池等公众号,西部证券研发中心 钙钛矿可以与 HJT、TOPCon 等晶硅电池组成叠层电池。硅的带隙为 1.12 eV,典型的甲胺铅碘()钙钛矿带隙为 1.55 eV,当用部分取代 调节钙钛矿吸收层的带隙至 1.7eV 时,预期可以获得 35%的效率,极限效率可达 60%。目前钙钛矿/晶硅叠层电池实验室效率达到了 29.8%。TOPCon 与钙钛矿叠层是另一种钙钛矿/硅叠层电池路线。目前国际上基于隧穿氧化硅钝化解除(TO
35、PCon)底电池的钙钛矿/晶体硅叠层太阳电池的最高效率是 28.2%,该器件采用了与产业化相兼容的黑硅纳米绒面和 TOPCon 结构的设计。不同材料的钙钛矿也可组成叠层电池。通过调整卤素占比可以获得不同组分钙钛矿材料,对应钙钛矿材料的带隙和能级分布也各不相同,还可实现带隙连续调控,这决定了钙钛矿可以广泛应用在发光、光伏、光探等各个领域。钙钛矿/钙钛矿叠层电池的效率比钙钛矿/晶硅叠层电池稍低,但也有经认证的产品达到 60%的极限效率。目前钙钛矿/钙钛矿叠层电池实验室效率达到了 28%。表 4:不同类型钙钛矿电池最新转换效率 电池类型电池类型 转换效率转换效率 研发团队研发团队 时间时间 正式电池
36、 25.70%韩国蔚山国家科学技术研究所(UNIST)2021.12 反式电池 25.37%朱凯、托莱多大学鄢炎发团队 2022.9 钙钛矿-晶硅叠层电池 32.50%德国柏林亥姆霍兹研究中心(HZB)2022.12 钙钛矿-钙钛矿叠层电池 28%南京大学谭海仁团队 2021.12 钙钛矿-CIGS 叠层电池 24.20%德国柏林亥姆霍兹研究中心(HZB)2020 柔性电池 23.35%香港城市大学朱宗龙团队&中科大杨上峰团队 2022.11 资料来源:NREL,日本电气安全环境研究所,福建省计量科学研究院,西部证券研发中心 相比晶硅电池,钙钛矿电池除效率优势外,还更轻薄,能透光,柔性好,短波
37、长范围内相比晶硅电池,钙钛矿电池除效率优势外,还更轻薄,能透光,柔性好,短波长范围内吸吸光能力强。光能力强。钙钛矿和其它类型太阳能电池集成以后可以捕捉和转换更宽光谱范围的太阳光。通过叠层的钙钛矿,太阳能光谱被分成连续的若干部分,波长最短的光被最外边的宽带隙材料电池吸收利用,波长较长的光能透射进去让较窄能带隙材料电池吸收利用,最大限度将光能转化为电能,从而提升电池转换效率。行业深度研究|电力设备 西部证券西部证券 2023 年年 10 月月 30 日日 10|请务必仔细阅读报告尾部的投资评级说明和声明 图 7:多结叠层电池可以吸收更多波长的光 资料来源:魏静等钙钛矿太阳能电池:光伏领域的新希望,
38、西部证券研发中心 近年来钙钛矿产业化效率呈现逐步上升趋势近年来钙钛矿产业化效率呈现逐步上升趋势。2019 年协鑫光电实现 1241.162 面积15.31%的效率,同年纤纳光电 3002尺寸的钙钛矿组件实现 14.3%的效率,华能集团2019 年实现 1002组件 18%的效率,2021 年实现 35002面积电池 15.5%的效率。2022 年极电光能 3002大尺寸组件实现 18.2%的效率,同年协鑫光电尺寸为 1m*2m的组件下线,在工艺和产能稳定后,预计量产组件效率将超 18%。目前产业化效率距离钙钛矿单结电池理论极限效率目前产业化效率距离钙钛矿单结电池理论极限效率(超超 30%)还有
39、较大提升空间还有较大提升空间,产业端、研发端针对钙钛矿电池的研发投入逐年增加,随着钙钛矿可设计性晶体配方以及工艺逐步优化,产业化效率将稳步提升。根据 CPIA 预测,玻璃基中试组件最高转换效率(9002)2023 年 19.3%、2025 年 20%、2030 年 22%。2.2 钙钛矿原材料易得且制造产业链明显缩短钙钛矿原材料易得且制造产业链明显缩短 生产过程:钙钛矿电池生产过程较晶硅电池更加经济,产业链明显缩短,原材料到组件生产过程:钙钛矿电池生产过程较晶硅电池更加经济,产业链明显缩短,原材料到组件仅需仅需 45 分钟。分钟。钙钛矿电池组件制备可由单一工厂完成,而晶硅电池生产中,硅料、硅片
40、、电池片和组件四个环节须在不同工厂加工完成,钙钛矿较之生产过程更加集中、经济。协鑫纳米披露,钙钛矿太阳能电池的生产流程简单,可在 45 分钟内将玻璃、胶膜、靶材、化工原料在单一工厂内加工成为组件,产业链显著缩短,价值高度集中。根据纤纳光电、协鑫纳米、牛津光伏等三家公司公布的数据,以达到 1GW 产能需要的投资金额来对比,晶硅电池在四个不同工厂内分别加工硅料、硅片、电池、组件,此过程需要至少耗时 3 天,晶硅的硅料、硅片、电池、组件全部加起来,需要大约 11.6 亿元的投资规模,而钙钛矿实现 1 GW 产能需要的投资金额约为 5 亿元左右,是晶硅的 1/2 左右,比起投资更高的第二代 GaAs
41、薄膜太阳能电池,成本更是只有 1/10。行业深度研究|电力设备 西部证券西部证券 2023 年年 10 月月 30 日日 11|请务必仔细阅读报告尾部的投资评级说明和声明 图 8:钙钛矿太阳能电池产业链显著缩短 资料来源:头豹研究院2022 年中国钙钛矿电池行业概览,西部证券研发中心 产能投资:钙钛矿电池产能投资明显低于晶硅电池。产能投资:钙钛矿电池产能投资明显低于晶硅电池。据协鑫光电披露,1GW 产能下,钙钛矿投资仅需 5 亿元,晶硅需 11.6 亿元;100MW 中试线单 W 成本低于 1 元;扩产后,1GW 产线单 W 成本下降至 0.7 元,随着产能规模增大,成本不断下降。而目前在晶硅
42、产业链全一体化的情况下,单瓦成本预计仍在 1 元左右。制备成本:钙钛矿制备条件温和,有效降低成本。制备成本:钙钛矿制备条件温和,有效降低成本。电池核心材料复合钙钛矿材料可通过温和条件制备,如涂布法、气相沉积法以及混合工艺等,工艺简单、制造成本低、能耗低、环境友好。原料:原料:PSCs 原材料纯度要求低且十分易得,用量亦低于晶硅类。原材料纯度要求低且十分易得,用量亦低于晶硅类。钙钛矿太阳能电池的原材料均为基础化工材料,不含稀有元素。晶硅类太阳能电池对硅料纯度要求需达 99.9999%,而钙钛矿材料对杂质不敏感,纯度在 90%左右的钙钛矿材料即可制成转换效率在 20%以上的太阳能电池,95%纯度的
43、钙钛矿即可满足生产使用需求,原材料更加易得。晶硅类太阳能电池的生产每年约需要 50 万吨硅料,而若全部替换为钙钛矿太阳能电池,大约只需要 1000 吨钙钛矿原料,因此 PSCs 不存在原材料瓶颈。硅料价格的持续上涨使得下游电池和组件厂商利润承压均出现一定程度的下滑。而PSCs 制作过程无需硅料,制作金属卤化物钙钛矿所需原材料储量丰富,价格低廉,且前驱液的配制不涉及任何复杂工艺,对纯度要求不高,后续组件对加工环境要求也不高,组件生产过程不需要晶硅电池的千度左右的加工温度,在生产过程中的能耗比较低,多数环节也不需要真空环境。目前,钙钛矿组件成本结构占比最多的是电极材料,达 37%,钙钛矿自身材料成
44、本占比仅为 5%,钙钛矿组件未来仍有较大的降本空间。行业深度研究|电力设备 西部证券西部证券 2023 年年 10 月月 30 日日 12|请务必仔细阅读报告尾部的投资评级说明和声明 图 9:钙钛矿太阳能电池单位原材料投入显著低于晶硅类 资料来源:索比光伏网,西部证券研发中心 PSCs 可低温溶液制备,单瓦能耗仅为晶硅的可低温溶液制备,单瓦能耗仅为晶硅的 1/10。钙钛矿太阳能电池只需通过简单 的旋涂、喷涂、刮涂等溶液工艺实现成膜,整个生产过程温度不超过 150,较晶硅材料 制备所需的最高工艺温度 1700极大降低了生产能耗。制造 1 瓦单晶组件的能耗大约为 1.52KWh,而每瓦钙钛矿组件的
45、生产能耗仅为 0.12KWh,单瓦能耗仅占晶硅的 1/10。图 10:钙钛矿太阳能电池可低温溶液制备 图 11:钙钛矿太阳能电池组件单瓦能耗仅为晶硅的 1/10 资料来源:马晨晨“大扩张”下的无锡光伏产业:何以“追光”,西部证券研发中心 资料来源:北极星太阳能光伏网,索比光伏网,西部证券研发中心 PSCs 组件单组件单 W 成本约成本约 0.5 元,仅为晶硅极限成本的元,仅为晶硅极限成本的 50%。在钙钛矿单片组件成本结构中,钙钛矿占比约 5%,玻璃及其他封装材料占比 32%,电极材料占比 37%,理论总成本约为 0.5-0.6 元,仅为晶硅极限成本的 50%。40060
46、0800016001800晶硅钙钛矿最高工艺温度()1.520.1200.20.40.60.811.21.41.6晶硅钙钛矿单瓦能耗(KWh)行业深度研究|电力设备 西部证券西部证券 2023 年年 10 月月 30 日日 13|请务必仔细阅读报告尾部的投资评级说明和声明 图 12:晶硅组件的制造成本结构 图 13:钙钛矿组建的制造成本结构 资料来源:美能光伏,西部证券研发中心 资料来源:智研咨询,西部证券研发中心 2.3 稳定性、大面积制备与环境污染为目前主要挑战稳定性、大面积制备与环境污染为目前主要挑战 稳定性差是制约钙钛矿电池产业化的重要因素。稳定性差是制约钙钛矿电
47、池产业化的重要因素。以传统的甲胺铅碘为例,钙钛矿电池制备过程中,333材料在存在如下反应:正向反应为合成,逆向反应为分解反应,333潮湿空气中极不稳定,易水解退色,分解后的甲胺易挥发,而光照条件更会加快分解进程,导致电池效率快速退化。图 14:钙钛矿在水氧条件下腐蚀前后紫外吸收测试显示其效率快速下降 资料来源:CNKI_高效率钙钛矿型太阳能电池的化学稳定性及其研究进展_郭旭东,西部证券研发中心 目前钙钛矿太阳能电池的 T80 寿命(效率下降到初始值的 80%)约 4000 小时,距当前主流光伏技术的 25 年寿命相差甚远。从原因来看,钙钛矿太阳能电池不稳定的原因可以分为吸湿性、热不稳定性、离子
48、迁移等内在因素,和紫外线、光照等外在因素。钙钛矿电池多采用氧化钛做致密层或纳米多孔载体层,这种结构导致其稳定性对紫外光照较为敏感。61.20%8.40%5.20%9.00%7.10%2.60%2.60%3.90%电池片EVA背板铝边框玻璃焊带接线盒其他5%3%9%14%37%32%钙钛矿人工成本固定资产折旧能源动力电极材料玻璃及其他封装材料 行业深度研究|电力设备 西部证券西部证券 2023 年年 10 月月 30 日日 14|请务必仔细阅读报告尾部的投资评级说明和声明 图 15:紫外光照下 2和氧气相互作用机理示意图 资料来源:CNKI_高效率钙钛矿型太阳能电池的化学稳定性及其研究进展_郭旭
49、东,西部证券研发中心 由于钙钛矿材料的可设计性,研发人员提出了各种应对方案解决稳定性问题。针对热稳定性和化学稳定性,发展了全无机钙钛矿材料;针对水和高湿度不稳定性,引进了长链有机分子,发展了二维钙钛矿材料等;常用的锂盐掺杂的 Spiro 空穴传输层的稳定性比钙钛矿层还要低,因此提出了采用高稳定的无机材料替代有机功能层材料的解决方案;为应对扩散和离子迁移,提出了发展表面阻挡层、封装、“零维”钙钛矿材料等方案。表 5:钙钛矿太阳能电池稳定性的进展 时间时间 工作环境工作环境 连续工作时长连续工作时长(小时小时)衰减情况衰减情况 备注备注 2016 年 标准光源 12000 无衰减 巴掌大小的钙钛矿
50、组件 2019 年 70 1800 衰减低于 5%没有任何晶硅能做到 2020 年 85,85%RH 2000 无衰减-2020 年 晶硅 IEC61215 9000 无衰减 没有任何晶硅能做到 资料来源:能源严究院,西部证券研发中心 目前目前 PSCs 大面积模块的效率仍远低于小面积,是制约产业化的另一难题。大面积模块的效率仍远低于小面积,是制约产业化的另一难题。小面积电池与大面积模块之间存在显著的效率差距的原因主要有:(1)溶液处理法下大面积薄膜的覆盖率、均匀性、平整度控制难度更高;(2)尺寸增大时,钙钛矿层的缺陷也增加,对光诱导载流子的提取和传输产生负面影响;(3)透明电极的电阻随面积增
51、大而近似线性增加,使电池的串联电阻增加,性能下降。高质量均匀大面积薄膜的制备方法有待突破。高质量均匀大面积薄膜的制备方法有待突破。溶液旋涂法是实验室制备 PSCs 的常用方法,虽然操作简单、成膜速度快、重复性好,但无法满足钙钛矿太阳能电池大规模工业化生产所需要的大面积、低成本等制造要求。目前常用制备大面积钙钛矿生产工艺主要有刮涂法、狭缝涂布法、喷涂印刷、气相辅助沉积技术法等。目前大面积钙钛矿太阳能电池的光电转换效率与旋涂法相比仍存在差距。行业深度研究|电力设备 西部证券西部证券 2023 年年 10 月月 30 日日 15|请务必仔细阅读报告尾部的投资评级说明和声明 图 16:各种涂层技术制备
52、的 PSCs 在随面积增大效率均有所降低 资料来源:ADVANCED SCIENCE NEWS,北深研究,西部证券研发中心 含铅钙钛矿存在环境污染风险,也是产业化待解决的问题。含铅钙钛矿存在环境污染风险,也是产业化待解决的问题。在典型的有机金属卤化物钙钛矿电池中含有铅元素,而铅元素一旦泄露会产生严重的环境污染问题,因此铅元素在国际许多国家和地区都被列为禁止使用的材料,与此同时,含铅钙钛矿电池的回收也是重要的研究课题。研究者们在努力向无铅化钙钛矿探索,但相应会带来电池转换效率的降低。但但较晶硅行业用铅量来说,钙钛矿太阳能电池用铅量实际更低。较晶硅行业用铅量来说,钙钛矿太阳能电池用铅量实际更低。虽
53、然硅片不含铅,但晶硅电池的焊带是铜箔涂铅的。每一个标准尺寸的晶硅组件中大概有 18 克左右的铅,而同样尺寸的钙钛矿组件含铅量不超过 2 克,仅为晶硅的 1/10。根据 RoHS 标准,晶硅组件中的铅含量不能超过 0.1%,而钙钛矿组件中的铅含量不足 0.01%,相对于晶硅电池更加环保。图 17:晶硅太阳能电池的焊带中铅含量较高,光伏焊带示意图 资料来源:索比光伏网,协鑫光电调研,西部证券研发中心 行业深度研究|电力设备 西部证券西部证券 2023 年年 10 月月 30 日日 16|请务必仔细阅读报告尾部的投资评级说明和声明 三、量产化步骤基本确定,技术路线多重多样三、量产化步骤基本确定,技术
54、路线多重多样 3.1量产化钙钛矿制备步骤基本确定量产化钙钛矿制备步骤基本确定 随着钙钛矿逐步进入量产化,尽管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,但目前单结钙钛矿制备流程基本确定,其中激光切割步骤和结晶步骤为核心步骤,激光切割设备方面目前主流厂商均可以覆盖,而结晶环节来看,由于其原理是各家企业的核心竞争力所在,基本采用定制零部件,厂商自行组装的步骤,例如如何结晶甲醚使其保持稳定,甲胺的掺杂比例等。图 18:钙钛矿电池组件生产流 资料来源:协鑫光电调研,西部证券研发中心 3.2 钙钛矿薄膜制备方法多样,狭缝涂布为目前主流钙钛矿薄膜制备方法多样,狭缝涂布为目前主流 各个膜层
55、的制作对于钙钛矿效率起到决定性作用。各个膜层的制作对于钙钛矿效率起到决定性作用。在钙钛矿电池中,不管是传输层还是钙钛矿层都是薄膜制备,因此工艺选择对其形成膜层的性质起到关键作用,例如良好的钙钛矿层显示出结晶颗粒大,层间晶界较少的状态。干法与湿法工艺多种多样,各有优劣势。干法与湿法工艺多种多样,各有优劣势。由于目前理论上钙钛矿各层材料均有多重选择,因此其基本都可以使用干法或是湿法工艺进行制作,而在近年逐步商业化的过程中,不仅成型后材料的稳定性与均匀性需要纳入考虑,经济性也成为重要的考量因素。从目前产业的实践来看,干法可以获得质量更优的钙钛矿层,而湿法工艺经济性更强。表 6:钙钛矿层主流制备方法对
56、比(按原理分类)制备过程制备过程 优势优势 劣势劣势 一步溶液沉积法 先把 PbX2(X为 I、Cl、Br)与 CH3NH3X(X为 I、Cl)之间按一定的比例混合溶解在高沸点的非极性溶剂中组成前驱体的混合溶液,常用的溶剂为,N-二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)、丁内酯(GBL)。然后将混合溶液直接旋涂在载有 TiO2 基片上之后对薄膜进行退火处理。简单便捷,可以低温处理,有利于产业化的发展。钙钛矿形貌对反溶剂滴加时机和吹气条件敏感,制备的钙钛矿薄膜形貌变化较大,性能难以控制,重复性差,晶粒尺寸小,覆盖率低。两步溶液沉积法 将 PbI2 溶液旋涂在 TiO2 上,然后经过短暂的低
57、温煎膜形成 PbI2 薄膜,之后把 PbI2 薄膜浸泡在 CH3NH3I 溶液中,并对薄膜退火处理。能较好控制钙钛矿薄膜的形貌,重复性好,器件的迟滞效应较小;增加钙钛矿薄膜的结晶度,生成致密的高质量晶体。成膜质量控制相对更难,容易受工作环境影响,同时对基底要求较高,只能在平整的玻璃上制备,不能在硅片的绒面上制备 气相辅助溶液法 在 TiO2 膜的基片上旋涂 1 层 PbI2,然后在氮气的氛围下对 CH3NH3I 粉末进行 150加热,产生的蒸汽与 PbI2 反应,之后对基片退火处理形成完整钙钛矿薄膜。此法制备的薄膜覆盖率高、晶体质量高。靠近基片的部分 PbI2 不能完全反应,增加的串联电阻影响
58、器件的性能。双源蒸镀法 分别把 CH3NH3I 与 PbI2 放入不同蒸发源中,控制两种材料的蒸发速率,在致密的 TiO2 薄膜上部分反应形成钙钛此法制备的薄膜平整均匀,表面无针孔,晶体致密均匀,尺寸接近毫在高级别的低真空状态下成膜,制作方法较复杂,对设备的精密程度要求 行业深度研究|电力设备 西部证券西部证券 2023 年年 10 月月 30 日日 17|请务必仔细阅读报告尾部的投资评级说明和声明 制备过程制备过程 优势优势 劣势劣势 资料来源:西部证券研发中心矿薄膜,然后在氮气氛围进行热处理,完全转化为钙钛矿晶体。资料来源:西部证券研发中心米级。较高。资料来源:利博科技 libra,亚太光
59、伏,西部证券研发中心 图 19:钙钛矿薄膜制备工艺 资料来源:CNKI_一步溶液法制备有机金属卤化物钙钛矿薄膜的研究进展_张林星,西部证券研发中心 表 7:钙钛矿大面积制备方法对比(按设备分类)制备方法制备方法 优点优点 缺点缺点 刮刀涂布法 易于大面积制备,无需复杂设备 溶液利用率低,敞开环境相爱溶液均一性差 狭缝涂布法 易于大面积制备,成产效率较高 对设备精确度要求较高 丝网印刷法 易于大面积制备。涂覆过程简单 溶液利用率低,对丝网精度要求较高 喷涂法 易于大面积制备,喷涂过程简单 溶液利用率低,可重复性较差 软膜法 可大面积制备,无需溶液 材料利用率低,生产效率低 气相沉积法 薄膜质量较
60、高,可精准调控 生产效率低,成本高 资料来源:钙钛矿太阳能电池稳定性研究进展及模组产业化趋势,西部证券研发中心 湿法工艺中多采用两步溶液沉积法,狭缝涂布为主流。湿法工艺中多采用两步溶液沉积法,狭缝涂布为主流。其中湿法工艺(溶液法)主要包括一步溶液沉积法和两步溶液沉积法,干法工艺则包括气相辅助溶液法,双源蒸镀法等。湿法工艺中的两步溶液沉积法相对经济性更高,而干法工艺质量相对更好,但设备价格较为昂贵,同时材料利用率低。而从设备工艺分类角度来看,目前主要采用狭缝涂布方法,其基本原理为涂布胶液由存储器通过供给管路压送到喷嘴处,并使胶液由喷嘴处喷出,从而转移到涂布的基材上。其优势在于 1)可以通过控制系
61、统进行狭缝宽度、移动速度和输液速度的调整,达到更精细化控制的目的。2)溶液密封在储液罐中,溶液利用率高。3)减少操作人员的影响。行业深度研究|电力设备 西部证券西部证券 2023 年年 10 月月 30 日日 18|请务必仔细阅读报告尾部的投资评级说明和声明 图 20:狭缝涂布技术原理 资料来源:德沪涂膜公众号,西部证券研发中心 蒸镀膜层可控性较高,蒸镀膜层可控性较高,2T 叠层需要蒸镀配合。叠层需要蒸镀配合。物理气相沉积法主要分为真空蒸发镀膜、真空溅射镀膜、真空离子镀膜。在钙钛矿层制备中,主流使用方法为蒸发镀膜,简称蒸镀法。从价格来看,假设考虑相同产能,由于涂布设备采用湿法镀膜速度更快,因此
62、会比使用蒸镀设备的干法更为便宜。但目前产业界开始考虑蒸镀设备的主要原因有两点:1)蒸镀法可以比较精确的控制膜厚,膜层致密性、均匀性也较好,适合大面积制作钙钛矿层。2)干法对基底兼容性高,可以做绒面,这一点适合直接在晶硅表面制作的 2T 结构钙钛矿/晶硅叠层。3.3电子传输层适合电子传输层适合RPD,空穴传输层适合,空穴传输层适合PVD 根据膜层使用的材料,制备透明导电薄膜、空穴传输层、电子传输层、电极可使用PVD&RPD 镀膜设备。部分企业钙钛矿电池包含阳极缓冲层、阴极缓冲层设计亦可使用镀膜设备。PVD&RPD 设备技术相对成熟,在设备技术相对成熟,在 HJT 已有应用已有应用。PVD 设备:
63、采用直流磁控溅射的方式,氩气离子在电场与磁场引导下达到靶材上,将靶材原子分子溅射到衬底以制备透明氧化物导电薄膜,可以采用自上朝下或自下朝上的沉积结构。设备价格便宜,镀膜膜厚均匀易控制,工艺稳定可控,重复性较好,靶材寿命较长,适合连续生产,但离子轰击可能对其他膜层造成损伤。RPD 设备:使用等离子体经磁场偏转后轰击到靶材上,等离子束将靶材原子分子轰击出来,升华后沉积到样品上形成透明导电薄膜。RPD 工艺具有低离子体轰击损伤、低沉积温度、高解离率、具有大面积沉积和高镀膜速率。目前 RPD 设备售价相对较高。行业深度研究|电力设备 西部证券西部证券 2023 年年 10 月月 30 日日 19|请务
64、必仔细阅读报告尾部的投资评级说明和声明 图 21:PVD 三种路线原理图 资料来源:钙钛光电公众号,西部证券研发中心 主流企业目前尝试的是用原料靶材真空镀膜的方式制备,包括协鑫光电、极电光能、众能光电等企业均选用这一工艺路线。RPD 对薄膜损伤较小,因此被更多用于钙钛矿膜层直接上方膜层的沉积制备(即平面反式结构中的电子传输层,或平面正式结构中的空穴传输层),以降低传输层制备对已沉积完成的钙钛矿膜层的损伤。但目前也存在另外的解决方案,例如 ALD、蒸镀、湿法涂布等。其中 ALD 作为新兴的沉积技术,可以解决蒸镀中的晶格缺陷和成分均匀性问题,实现原子级的精确度和无孔隙薄膜,同样存在产业化潜力。图
65、22:ALD 原理示意图 资料来源:钙钛光电公众号,西部证券研发中心 行业深度研究|电力设备 西部证券西部证券 2023 年年 10 月月 30 日日 20|请务必仔细阅读报告尾部的投资评级说明和声明 3.4 电极层主要使用电极层主要使用TCO玻璃,玻璃,FTO经济性更强经济性更强 TCO 玻璃目前主要采用玻璃目前主要采用 PVD 制备,制备,FTO 经济性更强。经济性更强。钙钛矿的透明导电基底作为其他材料的载体,光线由此射入,将收集到的光电子传送至外电路。目前一般采用氧化铟锡导电玻璃(ITO),而未来有可能替换方案为氟掺杂的氧化锡导电玻璃(FTO)或是掺杂铝的氧化锌(AZO)。从经济性与导电
66、性对比来看,尽管 FTO 的导电性相对较差,但其 FTO 的经济性更强,更有希望实现量产化,AZO 材料价格相对 ITO 同样价格较低,导电性也较 FTO 更强,但目前其大规模镀膜制备仍存在问题。目前 ITO 玻璃主要采用PVD 的方法制备。底电极目前产业化完备,基本可直接购买使用,但相对光伏玻璃成本较高。底电极目前产业化完备,基本可直接购买使用,但相对光伏玻璃成本较高。由于 HJT 电池等已有技术需求 TCO 玻璃,目前底电极材料中的 TCO 玻璃已经具有完备的产业化基础,钙钛矿企业基本可以直接购买使用,但相对晶硅电池使用的普通光伏玻璃而言其价格昂贵,以目前的 26 元/平方米的价格而言,T
67、CO 玻璃的价格在 50 元/平方米以上。后续仍需继续降本,例如 HJT 中的三叠层降铟方案等。顶电极基本采用顶电极基本采用 TCO 材料,目前产业化主要使用材料,目前产业化主要使用 PVD 或是蒸镀。或是蒸镀。实验室中为了追求效率常会使用金或是银等方案进行顶电极的制备,不具备大规模量产化的基础,因此目前产业中多采用 PVD 或是蒸镀的方法将 TCO 制作成顶电极。3.5 钙钛矿电池需四次激光刻蚀,起分片效果钙钛矿电池需四次激光刻蚀,起分片效果 激光工艺涉及到整个钙钛矿薄膜电池的制备流程,起分片效果。加工精度高、适用薄膜材料的激光是实现电路连接的关键,是整个钙钛矿电池制备的必备环节。钙钛矿电池
68、需要分别进行 3 次平行激光刻蚀(P1-P3),并完成 P4 的清边,整体价值量约 1020%。在 P1-P3 的刻蚀环节,激光实现切割效果,使材料表面快速被加热到汽化并形成槽线,从而可以形成阻断电流导通的单独模块,起分片效果,以实现增大电压和串联电池的目标。高质量薄膜的加工是钙钛矿电池的重要特性,激光工艺关系到薄膜的损伤缺陷以及被切面的平整光滑程度,这类因素会共同影响电池的效率和寿命。因此,精密激光设备在钙钛矿薄膜电池中具有很高的重要性。P1 激光刻蚀:在透明导电电极 TCO 沉积后,和电荷传输层沉积前,进行激光刻蚀,以形成彼此独立的条形导电电极;P2 激光刻蚀:在第二电荷传输层沉积后,底电
69、极沉积之前,进行激光刻蚀,去除 HTL/钙钛矿层/ETL,留下 TCO 层,形成一个空缝。进行底电极层沉积时金属会填满这个空缝,从而将一个电池的底电极与下一个电池的透明顶电极相连;P3 激光刻蚀:去除相邻电池的底电极/HTL(空穴层)/钙钛矿层/ETL(电子层),留下TCO 层,从而实现分离效果;P4 清边:去除薄膜的边缘区域,利用激光划线划分出区域后进行清除。行业深度研究|电力设备 西部证券西部证券 2023 年年 10 月月 30 日日 21|请务必仔细阅读报告尾部的投资评级说明和声明 图 23:钙钛矿电池中的激光刻蚀 资料来源:光远股份公众号,西部证券研发中心 3.6 封装对稳定性至关重
70、要,通常采用封装对稳定性至关重要,通常采用POE材料材料 为了避免外部环境因素和分解泄漏等导致钙钛矿结构或其它功能层被破坏,封装是一种为了避免外部环境因素和分解泄漏等导致钙钛矿结构或其它功能层被破坏,封装是一种最有效的解决方法。最有效的解决方法。常见的封装方式大致可分为两类:一种是完全覆盖封装,通常在模块顶部制备封装层;另一种是边缘封装,在模块周围放置密封剂。对于完全覆盖封装,既可以使用聚合物作为封装材料,也可以采用原子沉积法制备隔绝水氧的薄膜,其优势在于保护效果更好,但是对钙钛矿层以及其它功能层影响较大,并且由于其直接接触钙钛矿功能层,所以对其透光率有较高要求。边缘封装优势在于可以减少对接触
71、层的影响,降低封装材料与钙钛矿发生副反应的可能性,同时对材料透光率的要求较低,但封装效果会相应降低。为了进一步增加阻水效果,可以在边缘封装过程中加入干燥剂。封装设备可以与晶硅行业共用。图 24:钙钛矿电池的两种封装方式 资料来源:钙钛矿光伏电池封装材料于工艺研究进展,西部证券研发中心 行业深度研究|电力设备 西部证券西部证券 2023 年年 10 月月 30 日日 22|请务必仔细阅读报告尾部的投资评级说明和声明 钙钛矿太阳能电池封装材料和工艺需要满足以下要求:(1)化学惰性,在封装过程中可以和钙钛矿器件直接接触,且不会对钙钛矿材料、传输层材料或者器件结构造成破坏;(2)材料具有长久的阻水阻氧
72、和阻紫外的特性;(3)由于钙钛矿材料和电荷传输材料的低耐热性,封装过程需要在低温下(通常小于 150)进行;(4)成本低、易于加工、绿色环保。钙钛矿通常用 POE 而非 EVA 封装。由于钙钛矿材料比较敏感,因此钙钛矿电池在封装的要求相比晶硅电池更高,一般采用 POE 胶膜而不能采用 EVA 胶膜,主要原因有两点:一是 EVA 胶膜的水汽透过率较高,晶硅可以接受的水汽透过率钙钛矿不能接受;二是EVA 胶膜降解分解会产生醋酸,对钙钛矿材料造成腐蚀,降低电池性能。3.7 叠层电池最具有产业化潜力,二端四端各有千秋叠层电池最具有产业化潜力,二端四端各有千秋 叠层电池通过将宽带隙电池与窄带隙电池串联,
73、能更加合理地利用全光谱范围内的光子,减少能量损失,是突破单结电池效率极限的重要方法。硅电池带隙为 1.1 eV,非常适合作叠层电池底电池,钙钛矿具有诸多优点,是制造顶电池的最佳候选材料。两端钙钛矿/晶硅叠层电池有钙钛矿/HJT 叠层和钙钛矿/TOPCon 叠层电池两类。目前钙钛矿/晶硅叠层电池实验室效率达 29.8%,是目前叠层电池的主流。叠层电池结构分为:叠层电池结构分为:两端钙钛矿/晶硅叠层电池;三端钙钛矿/晶硅叠层电池;四端钙钛矿/晶硅叠层电池。两端叠层电池:在 2015 年由 MIT 大学 Mailoa 课题组首次成功制备,并获得了 13.7%的 PCE。随着硅电池本身工艺的变革,更高
74、性能的 PERC、TOPCon 和 HJT 电池的出现,其中由于 HJT 表层结构为 TCO 薄膜,与二端工艺适配性最佳。三端叠层电池:受限于低带隙电池过小的 Voc,难以实现较高的性能,发展较为缓慢;四端叠层电池:其可分立的设计上下两个组件,通过机械叠层组合在一起。该工艺对于底电池没有要求,与各个技术路线均可结合。四端工艺相对两端工艺更加简单,并且避免了电流匹配对性能的限制,因此更有可能实现高 PCE、低成本的叠层电池。理论最高 PCE 为 46%,略高于两端叠层电池 45.7%的 PCE。行业深度研究|电力设备 西部证券西部证券 2023 年年 10 月月 30 日日 23|请务必仔细阅读
75、报告尾部的投资评级说明和声明 图 25:钙钛矿/硅叠层电池各种结构图 资料来源:CNKI_ 高性能钙钛矿太阳能电池及钙钛矿/硅四端叠层电池研究_庞商政,西部证券研发中心 图 26:集成一体化钙钛矿/晶硅叠层电池示意图 图 27:机械堆叠钙钛矿/晶硅叠层电池示意图 资料来源:CNKI_钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的制备及其性能研究_李春静,西部证券研发中心 资料来源:CNKI_钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的制备及其性能研究_李春静,西部证券研发中心 钙钛矿的带隙可调节赋予其制作叠层电池的特性,叠层后效率提升较大。钙钛矿的带隙可调节赋予其制作叠层电池的特性,叠层后效率提升较大。钙钛矿叠层结构可以增加光
76、伏电池的光谱响应范围,提升光电转换效率,理论效率可达 43%,量产效率可达 35%。目前产业化方向主要集中于硅基钙钛矿叠层和全钙钛矿叠层。全钙钛矿叠层降本潜力较大,稳定性是主要障碍。全钙钛矿叠层降本潜力较大,稳定性是主要障碍。理想的全钙钛矿叠层电池由 1.7-1.9eV的宽带隙顶电池、互联层和 1.1-1.3eV 的窄带隙底电池堆叠而成,理论效率可以达到39%,开发高性能隧穿结和高效率窄带隙子电池是核心。全钙钛矿叠层电池无需晶硅材料,随着量产技术成熟可以实现有效降本。但窄带隙底电池化学稳定性较差,在保持高短路电流密度时无法同时实现高开路电压和高填充因子,限制了全钙钛矿叠层电池效率。行业深度研究
77、|电力设备 西部证券西部证券 2023 年年 10 月月 30 日日 24|请务必仔细阅读报告尾部的投资评级说明和声明 图 28:全钙钛矿叠层的中间连接层结构 图 29:正/反向硅基异质结钙钛矿叠层电池结构 资料来源:钙钛矿太阳能电池的功能层优化研究,西部证券研发中心 资料来源:高效晶硅异质结电池及其与钙钛矿叠层电池研究,西部证券研发中心 目前看,钙钛矿与晶硅叠层是钙钛矿实现量产化路径的最优解,目前技术条件下二端和目前看,钙钛矿与晶硅叠层是钙钛矿实现量产化路径的最优解,目前技术条件下二端和四端叠层各有优劣。四端叠层各有优劣。对于单结电池,其量产转换效率上限有限,目前认为其效率上限约处于 21%
78、左右,再向上提升与晶硅电池一样需要增加修饰层结构,但增加修饰层后制备难度与良率水平等问题又会再次出现,因此与目前效率普遍超过 25%的 N 型晶硅电池比较不具备性价比,但对于叠层晶硅钙钛矿叠层电池而言,其转换效率将会轻松突破目前的组件效率,达到 26%以上,尽管其成本有所增加,但在考虑其对于 BOS 成本的摊薄之后仍具有很强的性价比。双结钙钛矿叠层电池按照连接方式不同分为两端和四端叠层。双结钙钛矿叠层电池按照连接方式不同分为两端和四端叠层。四端叠层电池由机械堆叠并联而成,两块子电池仅在光学上有联系,电路相互独立。两端叠层由在硅电池上直接沉积钙钛矿电池制成,通过复合层或隧道结将两个子电池串联,需
79、兼具电流匹配和光学设计。图 30:叠层钙钛矿电池的结构类型 资料来源:全钙钛矿叠层太阳能电池的制备和优化,西部证券研发中心 行业深度研究|电力设备 西部证券西部证券 2023 年年 10 月月 30 日日 25|请务必仔细阅读报告尾部的投资评级说明和声明 四、钙钛矿电池产业化进展已经开始,四、钙钛矿电池产业化进展已经开始,25年有望实现年有望实现GW级量产级量产 4.1 学术界与产业界均有较大进展,钙钛矿产业化已经拉开序幕学术界与产业界均有较大进展,钙钛矿产业化已经拉开序幕 学术方面,钙钛矿太阳能电池专利申请量学术方面,钙钛矿太阳能电池专利申请量高速高速增长,增长,68%来自中国。来自中国。截
80、至 2019 年 12 月,中国的钙钛矿太阳能电池专利申请总量高达 2282 个,属于第一集团,远远高于专利申请总量在 200-300 件之间的日本、韩国和美国。图 31:2009-2020 年 PSCs 专利申请量提升迅速 图 32:钙钛矿太阳能电池的大部分专利申请都来自中国 资料来源:高技术通讯,西部证券研发中心 资料来源:高技术通讯,西部证券研发中心 产业化已经拉开序幕,当前处于设备工艺验证阶段。产业化已经拉开序幕,当前处于设备工艺验证阶段。钙钛矿太阳能电池的组件生产流程:沉积透明导电层(TCO)、沉积电子传输层(ETL)、沉积钙钛矿层、沉积空穴传输层(HTL)、背电池制备、组件封装,较
81、晶硅类太阳能电池制备大幅简化。020040060080092000000中国韩国欧洲英国加拿大巴西 行业深度研究|电力设备 西部证券西部证券 2023 年年 10 月月 30 日日 26|请务必仔细阅读报告尾部的投资评级说明和声明 图 33:钙钛矿太阳能电池制备过程较晶硅类大幅简化 资料来源:捷佳伟创、迈为股份、京山轻机、帝尔激光等公司财务报告、德沪涂布公众号,西部证券研发中心 PSCs 生产过程与晶硅唯一相同的环节是封装。生产过程与晶硅唯一相同的环节是封装。钙钛矿组件的生产过程中,除了钙钛矿层之外,所有缓
82、冲层和电极都可由 PVD 工艺制作完成,与 HJT 有一定的相似性,但与面板行业相似性更明显。涂布是 PSCs 独有环节,主要用于钙钛矿层的印刷。图 34:钙钛矿太阳能电池生产的主要设备为钙钛矿印刷设备及真空镀膜设备 资料来源:利博科技 libra,亚太光伏,西部证券研发中心 4.2 钙钛矿企业处在钙钛矿企业处在0-1过程,过程,目前百家争鸣目前百家争鸣 产业方面,钙钛矿设备订单先行,厂商交付顺利。产业方面,钙钛矿设备订单先行,厂商交付顺利。PSCs 主要设备厂商迈为股份、晟成光伏、捷佳伟创、杰普特、德沪涂膜均已收获设备订单,部分厂商已经顺利交付量产。行业深度研究|电力设备 西部证券西部证券
83、2023 年年 10 月月 30 日日 27|请务必仔细阅读报告尾部的投资评级说明和声明 生产领域重要玩家融资过亿生产领域重要玩家融资过亿元元,中试线逐步建设。,中试线逐步建设。根据 CPIA,截止 2023 年 2 月底,国内已有协鑫光电、纤纳光电和极电光能等 3 条百兆瓦以上产能钙钛矿产线投产。其中,协鑫光电和纤纳光电的产线产能分别为 100MW,极电光能的产线产能为 150MW。此外,还有多家钙钛矿公司的实验室小试线已经建成或正在建设。表 8:部分钙钛矿企业进展 时间时间 企业进展企业进展 2022 年 2 月 占地约 250 亩,装机容量 12 兆瓦,纤纳新能源计划总投资 6000 万
84、元左右的全球首个钙钛矿光伏地面电站开工建设。2022 年 4 月 极电光能与大冶市人民政府、智能科技在湖北大冶举行“大冶新能源项目签约暨长冶新能源揭牌仪式”。大冶新能源项目装机规模达 2.8GW,总投资金额约 120 亿元。极电光能将为该项目提供更绿色、更高效、更低成本的钙钛矿光伏组件产品。2022 年 5 月 仁烁光能预计下半年启动 150MW 钙钛矿光伏组件量产线建设,目标尺寸 1.2*0.6m,效率达 20%以上。2022 年 7 月 全球钙钛矿光伏产业化领军企业纤纳光电在浙江衢州正式宣布全球首批钙钛矿商用组件的发货,数量共 5000 片,用于省内工商业分布式钙钛矿电站。2022 年 8
85、 月 长城集团与江苏锡山经济技术开发区签约战略合作,宣布极电光能全球总部及钙钛矿创业产业基地项目计划建设全球首条 GW 级钙钛矿光伏组件及 BIPV 产品生产线,预计年产值达 25 亿元。2023 年 2 月 仁烁光能全球首条全钙钛矿叠层光伏组件研发线正式投产,组件尺寸为 30*40cm2,10MW 研发中试线已全线跑通。公司 150MW钙钛矿太阳能电池量产线正在建设,预计 2023 年第四季度投产,若调试结果符合预期,仁烁光能将进行 GW 级的产能规划。2023 年 2 月 无限光电自主研发的 100.53mm2 钙钛矿太阳能电池最高光电转换效率达到 24.67%。2023 年 7 月 大正
86、微纳全球首个百兆瓦柔性钙钛矿组件生产基地正式落地厦门海沧。资料来源:各公司官网,西部证券研发中心 单结钙钛矿电池参与者众多,单结钙钛矿电池参与者众多,2021 年以来产业化进展加速。年以来产业化进展加速。2021 年以前,协鑫、纤纳已有小规模中试线建成,协鑫纳米最先于 2017 年建成 10MW 中试线,批量生产 45cm*65cm 钙钛矿组件产品,纤纳光电于 2018 年 投产 20MW 中试基地,2021 年以来产业化进展加速,众多参与者开始投建或建成中试、量产线。2021 年,协鑫光电建成年,协鑫光电建成 100MW 级量产线,大正微纳柔性中试线建成,万度光能、华能级量产线,大正微纳柔性
87、中试线建成,万度光能、华能清能院、极电光能投建不同量级产线。清能院、极电光能投建不同量级产线。万度光能投建 200MW 级可印刷介观钙钛矿太阳能电池大试线;华能清能院大面积模组中试实验线投产,3 月首片下线;大正微纳建成 10MW 柔性钙钛矿中试线;年中协鑫光电建成首条 100MW 级 1m*2m 量产线;10 月极电光能 pre-A 轮融资投建 150MW 试制线,预计 2022 年 9 月首片下线。按照协鑫光电计划,我们预计 2025 年其 GW 级产线有望落地。表 9:钙钛矿电池组件 100MW 生产线设备 设备设备 应用环节应用环节 生产厂商生产厂商 PVD(物理气相沉积)设备 阳极缓
88、冲层,阴极缓冲层,背电极 捷佳伟创、迈为股份、京山轻机、钧石能源、理想万里晖等 涂布设备 钙钛矿涂布 上海德沪、捷佳伟创、众能光电等 激光设备 激光 P1 激光 P2 激光 P3 激光P4 帝尔激光、大族激光、德龙激光、海目星、杰普特、迈为股份等 封装设备 组件封装 奥特维、金辰股份、弗斯迈、百佳年代等 资料来源:协鑫光电调研,各公司官网,西部证券研发中心 2022 年,纤纳光电建成年,纤纳光电建成 100MW 级量产线,无限光能、大正微纳、金昌鑫磊鑫半导体等级量产线,无限光能、大正微纳、金昌鑫磊鑫半导体等企业产线投建。企业产线投建。年初纤纳光电建成 100MW 的钙钛矿产线并实现规模化量产;
89、6 月无限光能宣布完成数千万元天使轮融资,预计三季度完成试验线建设;金昌鑫磊鑫半导体投建 1GW 钙钛矿薄膜光伏组件生产基地项目。行业深度研究|电力设备 西部证券西部证券 2023 年年 10 月月 30 日日 28|请务必仔细阅读报告尾部的投资评级说明和声明 表 10:单结钙钛矿太阳能电池产业化进展 时间时间 公司名称公司名称 相关进展相关进展 2023 年 1 月 28 日 协鑫光电 新型钙钛矿组件 BIPV 光伏玻璃通过 3C 认证 2023 年 1 月 6 日 纤纳光电 组件通过全球首个 IEC61215 和 IEC61730 稳定性全体系认证 2022 年 12 月 8 日 极电光能
90、 全球已投产且产能最大的 150MW 钙钛矿光伏生产线正式投产运行,同时具备 BIPV 产品和标准组件的生产能力 2022 年 10 月 11 日 极电光能 756cm 大尺寸钙钛矿光伏组件转换效率达到 18.2%2022 年 6 月 7 日 协鑫光电 1m2m 钙钛矿组件顺利通过冰雹测试,大面积组件在恶劣气象下的耐受能力得到有效验证 2021 年 10 月 27 日 协鑫光电 建成全球首条 100MW 大面积钙钛矿光伏组件中试线 2021 年 8 月 6 日 大正微纳 首套柔性钙钛矿膜切设备投入使用,即将进入柔性钙钛矿薄膜太阳能电池小规模量产 资料来源:艾邦智造、艾邦光伏网、国际太阳能光伏网
91、等、西部证券研发中心 目前,钙钛矿/晶硅叠层电池处于研发中试阶段,参与公司较少。杭萧钢构正在筹划100MW 中试生产线,2022 年 910 月与供应商完成采购合同签订,原定争取于 2023 年2 月前完成产线的全部铺设,预计于 2023 年 5 月前实现量产转换效率达到 28%,在2023 年的上半年逐渐实现达产,产线兼容 166 和 182 尺寸硅片,度电成本 3 毛,成本下降空间大。4.3 钙钛矿制备设备有望受益钙钛矿制备设备有望受益 钙钛矿/HJT 叠层电池所需设备主要有 RPD,PVD,ALD 等。表 11:钙钛矿/HJT 叠层电池所需设备 工艺工艺 材料材料 设备设备 TCO 80
92、01000nm ICO,IWO,ITO RPD ITO,IZO PVD 缓冲层 1520nm 2 RPD/ALD 电子传输层 1nm/15nm LiF or MgF/C60,PCBM Evaporation Slot-Die coating 钙钛矿 500nm Evaporation Slot-Die coating 电洞传输层 1520nm NiO,CuO PVD Spiro-TTB Coating 穿隧层 1520nm ICO,ITO RPD/PVD p nc-SiOx/n nc-SiOx CVD 资料来源:捷佳伟创,西部证券研发中心 产线设备类型主要为镀膜设备、涂布设备、激光设备、封装设
93、备,其中镀膜设备价值量产线设备类型主要为镀膜设备、涂布设备、激光设备、封装设备,其中镀膜设备价值量 过半,激光设备确定性需求强,封装设备与晶硅电池相比差别不大。(过半,激光设备确定性需求强,封装设备与晶硅电池相比差别不大。(一)镀膜设备主要涉及 PVD 及 RPD 设备,其中 RPD 设备比传统的 PVD 设备优势在于可以减少对钙钛矿电池的轰击损害,有利于提高转换效率和良率。相应的设备企业有捷佳伟创、迈为股份、京山轻机、众能光电等,其中捷佳伟创于 2022 年 7 月获钙钛矿电池量产 RPD 镀膜设备订单,该 RPD 设备具备较高技术壁垒;蒸镀设备主要涉及京山轻机等,2021 年 5 月京山轻
94、机子公司晟成光伏与协鑫光电开展叠层技术战略合作,晟成光伏钙钛矿团簇型多腔式蒸镀设备已实现量产并应用于多个客户端。(二)涂布设备主要用于制作钙钛矿吸光层,主要企业德沪涂膜(未上市)、众能光电等,德沪涂膜为协鑫光电 100MW 产线供应大尺寸狭缝涂布设备,狭缝涂布可在玻璃、塑料等基片上沉积液体化合物,精确控制液体流量和移动相对速度,制备所需技术指标的薄膜。众能光电目前已对外销售刮涂/涂布一体机。(三)目前各种技术路线均需要激光设备,激光设备主要应用工序为激光划线,把大的面板进行切割,形成子电池,再将电池用串联或者并联的方式连接。目前供应钙钛矿 行业深度研究|电力设备 西部证券西部证券 2023 年
95、年 10 月月 30 日日 29|请务必仔细阅读报告尾部的投资评级说明和声明 激光设备的公司包括大族激光、迈为股份、德龙激光、杰普特、帝尔激光、众能光电等。图 35:钙钛矿电池生产用 PVD 设备 图 36:钙钛矿电池生产用涂布设备 资料来源:协鑫光电调研,西部证券研发中心 资料来源:协鑫光电调研,西部证券研发中心 行业深度研究|电力设备 西部证券西部证券 2023 年年 10 月月 30 日日 30|请务必仔细阅读报告尾部的投资评级说明和声明 五、相关标的及投资建议五、相关标的及投资建议 5.1 协鑫科技协鑫科技 公司目前控股协鑫光电,昆山协鑫光电材料有限公司成立于 2019 年底,公司专注
96、于钙钛矿太阳能组件的研发、生产,为市场提供 1 m 2 m 尺寸的太阳能组件,已建成业界先进的 100 MW 钙钛矿太阳能电池生产线。公司的技术团队,以瑞士 EPFL 博士范斌为带头人,是国内最早从事钙钛矿组件生产线开发的团队之一。目前团队拥有一百五十余名员工,其中研发人员八十余名,一半以上拥有博士硕士学历,部分为海外归国人才,具有较强的研发能力。研发团队拥有钙钛矿太阳能电池的核心技术,目前有 61 项专利获得授权,其中发明专利 17 项,实用新型专利 44 项,另有 45 项发明专利、12 项实用新型专利在审,专利涵盖原料制备、关键设备设计、关键工艺等重要方面。同时团队在 ChemSusCh
97、em、ACS Appl.Mater.&Interfaces、J.Mater.Chem.A 等 SCI 期刊上发表研究论文十余篇。公司作为目前最大尺寸钙钛矿电池记录的保持者,投建的全球首条 100MW 量产线已于2021 年在昆山完成厂房和主要硬件建设,目前已稳定运行近 2 年时间,该产线生产的尺寸为 12m 的全球最大尺寸钙钛矿组件,效率已突破 16%,在大尺寸组件的量产与转化效率上领跑行业。母公司苏州协鑫纳米科技有限公司于 2017 年在苏州建成一条 10 MW 级 45 cm 65 cm钙钛矿光伏组件中试产线,通过采用自主研发的大面积钙钛矿 Slot-die 涂布方法,辅以大面积钙钛矿溶液
98、结晶成膜技术和先进的内联集成技术,可批量生产具有商用化价值的45 cm 65 cm 产品,目前该产品的效率已超过 15%,在同类产品中处于很高的水平。5.2 京山轻机京山轻机 京山轻机 1957 年成立,1998 年于深交所上市。京山轻机是一家以高端装备为核心业务的集团公司,业务遍及全球,公司的产品和服务主要应用于光伏、瓦楞包装等多个行业和领域,公司致力于成为全球领先的智能制造整体解决方案服务商。在光伏装备领域,公司产品覆盖了组件和电池片等环节,为客户提供光伏单机设备和整线解决方案。公司是业内较早完成钙钛矿设备开发且有实际产品销售的企业,公司在钙钛矿设备领域的产品较为成熟,有 MW 级别的出货
99、以及具备 GW 级别的出货能力,旨在成为钙钛矿电池组件领域交钥匙解决方案供应商,目前已前瞻布局 PVD 等多个核心镀膜设备技术路线。同时公司具备钙钛矿/叠层电池实验线和组件自动封装线的技术。表 12:京山轻机钙钛矿及叠层电池组件主要产品 类型类型 整线设备整线设备 规格规格 GW 级钙钛矿量产装备 核心工艺设备包括:玻璃清洗设备、背玻清洗设备,空穴层 PVD 镀膜设备,透明导电层 PVD 镀膜设备,超声波滚压焊接机,丁基胶涂覆机,汇流带贴敷机,封装整线设备等。生 产 线 满 足 长(20002300mm)宽(10001200mm)的钙钛矿电池生产需求,可根据钙钛矿电池规格调整。MW 级钙钛矿高
100、效电池制造整体解决方案 整线工艺设备包含:玻璃清洗机、立式 PVD(NiO/ITO/Cu 等)、激光划线(P1/P4)、激光划线(P2/P3)、手套箱配液区、涂布干燥结晶一体机(双工站涂布机 PVK/ETL)、空间原子层沉积(SnO2)、半自动层压机、PL/EL/IV 测试机等。整线配备 MES 系统智能管理。生产线满足长(4001200mm)宽(300600mm)的钙钛矿电池生产需求,可根据钙钛矿电池规格调整。钙钛矿/叠层电池实验线 整线工艺设备包含:超声波清洗机、等离子体处理设备、三腔 PVD(NiO/ITO/Cu等)、激光划线(P1P4)、手套箱配液区、涂布干燥结晶一体机(双工站涂布机
101、PVK/ETL)、团簇多功能蒸镀机(PVK/ETL)、半自动丝网印刷机、半自动层压机、PL/EL/IV 测试机等。生产线满足长(25210mm)宽(25210mm)的钙钛矿及叠层电池生产需求,可根据钙钛矿电池规格调整。钙钛矿组件自动封装线 整线工艺设备包含:上玻璃机、超声波汇流条焊接机、贴导电胶带机、美容纸贴敷机、丁基胶涂敷机、胶膜裁切铺设机、双玻合片机、堆栈机、层压机、接线盒焊接生 产 线 满 足 长(20002300mm)宽(9001200mm)的组件生产需求,可根据组 行业深度研究|电力设备 西部证券西部证券 2023 年年 10 月月 30 日日 31|请务必仔细阅读报告尾部的投资评级
102、说明和声明 类型类型 整线设备整线设备 规格规格 机、固化线、自动化传输设备、测试区(包含 IV、EL、绝缘耐压测试设备)、分档机等。件规格调整。资料来源:京山轻机半年度报告,西部证券研发中心 5.3 曼恩斯特曼恩斯特 曼恩斯特 2014 年成立,2023 年于创业板上市。曼恩斯特是一家专注于高精密狭缝式涂布技术工艺设计与研发,向客户提供涂布技术整体解决方案的国家级专精特新“小巨人”企业和高新技术企业。公司产品涵盖涂布技术应用核心部件和智能装备,核心部件主要包括高精密狭缝式涂布模头、涂布模头增值与改造等产品,智能装备主要包括涂布浆料输送系统、智能涂布装备等产品。涂布是钙钛矿电池制造核心的工艺环
103、节,目前国内钙钛矿膜层制备的主流方案为狭缝涂布。公司作为国内涂布模头领域龙头厂商,基于狭缝式涂布技术优势,在钙钛矿领域主要提供用于制备钙钛矿层、传输层及修饰钝化层的涂布模头及狭缝式涂布机等产品,已形成相应订单,正加速推进规模化量产进程。公司狭缝式涂布机最大基板尺寸可以达到 23001200mm,目前已有销售订单的尺寸为 1200600mm。图 37:曼恩斯特核心产品涂布模头、智能涂布设备等 图 38:曼恩斯特泛半导体业务涂布技术解决方案 资料来源:曼恩斯特官网,西部证券研发中心 资料来源:曼恩斯特官网,西部证券研发中心 5.4 帝尔激光帝尔激光 帝尔激光于 2008 年成立,2019 年于创业
104、板上市。帝尔激光为 PERC 激光设备龙头厂商,市占率超 80%(根据公司官网披露),同时向 TOPCon、HJT、XBC、钙钛矿电池激光设备以及激光转印设备拓展布局。公司产品已覆盖下游公司产品已覆盖下游 PERC、XBC、TOPCon、HJT 以及钙钛矿电池以及钙钛矿电池 5 大领域。大领域。(1)PERC:覆盖 SE 激光掺杂设备、激光消融设备(市占率超 80%)。(2)XBC:激光开槽设备(已取得近 40GW 订单);(3)TOPCon:激光硼扩设备(23 年累计签单超 450GW)、LIF 激光诱导烧结设备(完成工艺验证、可提效 0.2%)。(4)HJT:LIA 激光修复设备(取得客户
105、量产订单)。(5)激光转印:)激光转印:可运用于 PERC、TOPCon、HJT、XBC 电池,首台设备已于 22 年 9月交付。(6)钙钛矿电池:)钙钛矿电池:P1、P2、P3、P4 激光刻蚀设备(已取得头部钙钛矿厂商订单),公司的激光设备在钙钛矿太阳能电池 TCO 层、氧化物层、电极层的生产制程中均有应用,已有小批量订单并已完成交付。行业深度研究|电力设备 西部证券西部证券 2023 年年 10 月月 30 日日 32|请务必仔细阅读报告尾部的投资评级说明和声明 表 13:帝尔激光主要产品覆盖 PERC、XBC、TOPCon、HJT、钙钛矿以及激光转印设备 产品名称产品名称 产品用途产品用
106、途 产品图片产品图片 PERC 激光消融设备 该设备利用激光消融技术在电池钝化层进行图形化刻蚀,可实现PERC 高效太阳能电池的高效率和高品质生产,是太阳能电池生产线由传统电池技术向 PERC 技术升级产业化的重要的核心设备。该设备集成了 MES 接口功能,太阳能电池生产企业可将其整合进入太阳能电池自动化生产线。SE 激光掺杂设备 该设备利用激光将电池片表面磷源作选择性掺杂,形成重掺杂区以降低电阻,结合前道工序的轻掺杂发射结和后道工序的电镀或丝网印刷工艺形成栅极以达到提高电池效率的目的。LIA 激光修复设备 该工艺通过超高功率光照射电池片,产生大量光生载流子来改变体内氢的价态,快速实现硼氧结构
107、由高活性的复合体转变为低活性的再生态,以达到降低光致衰减目的。激光扩硼设备 通过激光在电池的背电极接触点扩硼,改变接触点电流特性,进一步提升转换效率 XBC 激光开槽设备 激光开槽技术可应用于 IBC 背面钝化层开膜上,实现背面 PN 钝化膜层的精准消融,另外,N 和 P 的接触孔区需要与各自的扩散区对准,否则会造成电池漏电失效,因此可以通过激光开槽的方法来将接触区的钝化膜去除,形成接触区。激光开槽技术替代传统 IBC 电池采用光刻的技术路线,可以简化工艺流程,大幅度降低生产成本。钙钛矿 P1、P2、P3、P4 激光刻蚀设备 钙钛矿电池的结构可分为 FTO 导电玻璃、TiO2 致密层、TiO2
108、 介孔层、钙钛矿层、HTM层和金属电极。一般理解为 P1、P2、P3。一般P1 是 FTO 导电玻璃,P2 是 ITO 或者钙钛矿层,P3 是镀金或者镀银,有的项目组采用碳粉材料。激光刻蚀在钙钛矿电池中的应用是用激光刻划 P1、P2 和 P3,阻断导电,从而形成单个模块。激光转印设备 相比于传统的丝网印刷,激光转印主要的优势在于:(1)激光转印的栅线可实现超细线宽(18 微米以下),可节省浆料达 30%;(2)激光转印为非接触式印刷,可以避免传统丝网印刷存在的隐裂、破片、污染、划伤等问题,从而能够显著降低电池的破损率,提高生产的良率,且更适用于未来薄片化、大尺寸硅片生产。资料来源:帝尔激光官网
109、、微信公众号,西部证券研发中心 行业深度研究|电力设备 西部证券西部证券 2023 年年 10 月月 30 日日 33|请务必仔细阅读报告尾部的投资评级说明和声明 六、风险提示六、风险提示 1、技术发展不及预期:当前钙钛矿技术仍存在突破难点,如大面积制备,稳定性与环境污染等工艺难点,其中稳定性问题由于钙钛矿发展年限较短,仍需较长时间验证,存在稳定性不及预期的风险,导致无法大规模量产。2、数据测算和预测假设存在主观性:报告中存在部分推测数据,存在与事实数据产生偏差的风险。3、成本下降速度不及预期风险:光伏作为以成本为第一竞争要素的行业,当降本速度不及预期时,量产化进度也会不及预期。4、技术路线不
110、定风险:报告中推荐的技术路径仅基于当前设备的情况下推断,存在新的技术路径替代的风险。5、光伏行业需求不及预期风险:光伏行业作为周期行业,需求呈现上下波动的规律,例如未来可能存在消纳能力,海外政策等因素影响整体装机需求,进而使得行业量产化进度低于预期。行业深度研究|电力设备 西部证券西部证券 2023 年年 10 月月 30 日日 34|请务必仔细阅读报告尾部的投资评级说明和声明 西部证券西部证券投资评级说明投资评级说明 超配:超配:行业预期未来 6-12 个月内的涨幅超过市场基准指数 10%以上 行业评级行业评级 中配:中配:行业预期未来 6-12 个月内的波动幅度介于市场基准指数-10%到
111、10%之间 低配:低配:行业预期未来 6-12 个月内的跌幅超过市场基准指数 10%以上 买入:买入:公司未来 6-12 个月的投资收益率领先市场基准指数 20%以上 公司评级公司评级 增持:增持:公司未来 6-12 个月的投资收益率领先市场基准指数 5%到 20%之间 中性:中性:公司未来 6-12 个月的投资收益率与市场基准指数变动幅度相差-5%到 5%卖出:卖出:公司未来 6-12 个月的投资收益率落后市场基准指数大于 5%报告中所涉及的投资评级采用相对评级体系,基于报告发布日后 6-12 个月内公司股价(或行业指数)相对同期当地市场基准指数的市场表现预期。其中,A 股市场以沪深 300
112、 指数为基准;香港市场以恒生指数为基准;美国市场以标普 500 指数为基准。分析师声明分析师声明 本人具有中国证券业协会授予的证券投资咨询执业资格并注册为证券分析师,以勤勉的职业态度、专业审慎的研究方法,使用合法合规的信息,独立、客观地出具本报告。本报告清晰准确地反映了本人的研究观点。本人不曾因,不因,也将不会因本报告中的具体推荐意见或观点而直接或间接收到任何形式的补偿。联系地址联系地址 联系地址:联系地址:上海市浦东新区耀体路 276 号 12 层 北京市西城区丰盛胡同 28 号太平洋保险大厦 513 室 深圳市福田区深南大道 6008 号深圳特区报业大厦 10C 联系电话:联系电话:021
113、-38584209 免责声明免责声明 本报告由西部证券股份有限公司(已具备中国证监会批复的证券投资咨询业务资格)制作。本报告仅供西部证券股份有限公司(以下简称“本公司”)机构客户使用。本报告在未经本公司公开披露或者同意披露前,系本公司机密材料,如非收件人(或收到的电子邮件含错误信息),请立即通知发件人,及时删除该邮件及所附报告并予以保密。发送本报告的电子邮件可能含有保密信息、版权专有信息或私人信息,未经授权者请勿针对邮件内容进行任何更改或以任何方式传播、复制、转发或以其他任何形式使用,发件人保留与该邮件相关的一切权利。同时本公司无法保证互联网传送本报告的及时、安全、无遗漏、无错误或无病毒,敬请
114、谅解。本报告基于已公开的信息编制,但本公司对该等信息的真实性、准确性及完整性不作任何保证。本报告所载的意见、评估及预测仅为本报告出具日的观点和判断,该等意见、评估及预测在出具日外无需通知即可随时更改。在不同时期,本公司可能会发出与本报告所载意见、评估及预测不一致的研究报告。同时,本报告所指的证券或投资标的的价格、价值及投资收入可能会波动。本公司不保证本报告所含信息保持在最新状态。对于本公司其他专业人士(包括但不限于销售人员、交易人员)根据不同假设、研究方法、即时动态信息及市场表现,发表的与本报告不一致的分析评论或交易观点,本公司没有义务向本报告所有接收者进行更新。本公司对本报告所含信息可在不发
115、出通知的情形下做出修改,投资者应当自行关注相应的更新或修改。本公司力求报告内容客观、公正,但本报告所载的观点、结论和建议仅供投资者参考之用,并非作为购买或出售证券或其他投资标的的邀请或保证。客户不应以本报告取代其独立判断或根据本报告做出决策。该等观点、建议并未考虑到获取本报告人员的具体投资目的、财务状况以及特定需求,在任何时候均不构成对客户私人投资建议。投资者应当充分考虑自身特定状况,并完整理解和使用本报告内容,不应视本报告为做出投资决策的唯一因素,必要时应就法律、商业、财务、税收等方面咨询专业财务顾问的意见。本公司以往相关研究报告预测与分析的准确,不预示与担保本报告及本公司今后相关研究报告的
116、表现。对依据或者使用本报告及本公司其他相关研究报告所造成的一切后果,本公司及作者不承担任何法律责任。在法律许可的情况下,本公司可能与本报告中提及公司正在建立或争取建立业务关系或服务关系。因此,投资者应当考虑到本公司及/或其相关人员可能存在影响本报告观点客观性的潜在利益冲突。对于本报告可能附带的其它网站地址或超级链接,本公司不对其内容负责,链接内容不构成本报告的任何部分,仅为方便客户查阅所用,浏览这些网站可能产生的费用和风险由使用者自行承担。本公司关于本报告的提示(包括但不限于本公司工作人员通过电话、短信、邮件、微信、微博、博客、QQ、视频网站、百度官方贴吧、论坛、BBS)仅为研究观点的简要沟通
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