钙钛矿行业研究：重视材料体系演进中的投资机会

　　光伏电池从第一代以晶硅为主，第二代以薄膜电池为主，典型代表为铜铟镓硒（CIGS）、碲化镉（CdTe）电池，第三代为以钙钛 矿为代表的新型太阳能电池。钙钛矿作为经典的材料体系，具有悠久的历史。1839年，在俄罗斯乌拉尔山脉，德国矿物学家 GustavRose发现了矿物质钛酸钙CaTiO3，后将结构式为ABX3形式且具有与CaTiO3相似晶体结构的材料统称为钙钛矿。自然界中， 钙钛矿材料分布广泛，种类多样且丰富，一般为立方体或者八面体形状且具有光泽。

　　钙钛矿太阳能电池的工作原理：光照条件下，钙钛矿材料吸收光子，电子从价带跃迁到导带，随后以极快的速度注入到电子传输 层ETL，对应空穴被传输至空穴传输层HTL；然后电子和空穴被电极收集，接上负载后，电池便可对外做功，具体来看主要分为 以下5个过程：

　　1、光子吸收过程：受到太阳光辐射时，电池的光吸收层材料吸收光子产生 受库仑力作用束缚的电子-空穴对，即激子； 2、激子扩散过程：激子产生后不会停留在原处，会在整个晶体内运动。激 子的扩散长度足够长，激子在运动过程发生复合的几率较小，大概率可以扩 散到界面处； 3、激子解离过程：钙钛矿材料的激子结合能小，在钙钛矿光吸收层与传输 层的界面处，激子在内建电场的作用下容易发生解离，进而成为自由载流子； 4、载流子传输过程：激子解离后形成的自由载流子，其中自由电子通过电 子传输层向阴极传输，自由空穴通过空穴传输层向阳极传输； 5、电荷收集过程：自由电子通过电子传输层后被阴极层收集，自由空穴通 过空穴传输层后被阳极层收集，两极形成电势差，电池与外加负载构成闭合 回路，回路中形成电流。

　　钙钛矿电池结构：钙钛矿太阳能电池是层状结构， 主要包括金属对电极、空穴传输层、钙钛矿吸收层、电子传输层和透明导电玻璃， 常见的钙钛矿电池结构有正式结构（也称n-i-p型）结构和反式结构（也称p-i-n型）两种，两种结构的区别是传输层位置相反，传输方 向不同。 考虑到材料的可选性和大规模量产的可行性，目前主流是用反式平面结构。

　　BIPV：钙钛矿电池具有轻薄、透光性强、颜色可调的特点，适用于BIPV；BIPV市场空间 广阔，有望成为钙钛矿首选应用市场。 地面电站：钙钛矿与晶硅叠层电池有望率先实现突破。 车载光伏：钙钛矿电池具有轻薄、透光性强、颜色可调、柔性化的特点，在车载光伏领 域应用空间较大。目前已有部分车企进入钙钛矿领域。 室内光伏：理论预测表明，光学带隙1.6eV的PSCs在荧光灯或白光LED照明下可实现高达 50%的光电转换效率。

　　理论光电转换效率高。钙钛矿太阳能电池（PSCs）单结理论最高转 化效率可达31%，高于晶硅电池的29.4%。当前量产效率接近15%， 向18%迈进。长期来看，叠层将进一步打开效率天花板，其中钙钛 矿三节叠层电池转换效率最高可突破40%。 钙钛矿电池转换效率提升迅速。单晶硅及多晶硅电池转换效率提升 走过漫长的路程，而钙钛矿效率在近10年来显著提升，发展迅猛。

　　从综合成本看，钙钛矿总成本约为5-6毛/W，是晶硅极限成本的50%。材料占比少：钙钛矿在其组件成本中仅占5%，而晶硅电池片在其组件中占比达到61.2%。硅片的厚度通常为100-180μm，纯度要求 高；钙钛矿电池原材料储量丰富，可由人工合成，且原料用量少，厚度大概是0.3μm。能耗低：晶硅纯度需要达到99.9999%（6-7个9），且需要反复提纯，消耗大量资源。钙钛矿纯度要求95%，远低于晶硅电池，晶硅 单瓦能耗1.52KWh，钙钛矿单瓦能耗仅为0.12KWh，只有晶硅的1/10。

　　钙钛矿工艺流程简单，产业链显著缩短。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。 而钙钛矿太阳能电池的生产流程简单，仅需要一条300百米长的全自动生产线，就能实现从原材料光伏玻璃的磨边清洗，到化合物 半导体薄膜的制备，再到最后光伏组件成品封装测试的完整生产流程。根据协鑫纳米披露，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钙钛矿组件，产业链显著缩短，价值高度集中。产线投资成本低。光伏企业投资1GW产能晶硅电池，需要建四个工厂，硅料、硅片、电池和组件，合计投资金额超过9亿元；投资 1GW产能钙钛矿电池仅需1个工厂，投资金额仅约5亿元，其投资强度仅为晶硅的一半。

　　钙钛矿转换效率持续突破。十多年来经过不断的改进变革，钙钛矿转换效率从最初的3.8%提升到25.7%，其他各种结构的钙钛矿电 池效率也在不断打破纪录。

　　钙钛矿材料稳定性、大幅面制备及高效率是钙钛矿商业化的主要瓶颈，学术界和产业界正在针对性的解决。 光伏始终是降本为导向，因此钙钛矿的发展方向也将沿着安全稳定地提效降本去突破。

　　协鑫光电正计划启动100MW的钙钛矿电池产线，从公布的工艺 流程图看，整个工艺需要9步，钙钛矿组件产线主要设备分为四 部分：PVD设备、涂布设备、激光设备及封装设备。其生产工艺 包括制备空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层、电极及激光划线 等部分。

　　目前还没有钙钛矿GW级产线设备招标，所以参考协鑫100MW产线的设备投资额进行测算，整条产线亿元，纯设备不含厂房装修。 我们假设镀膜设备占比70%，涂布设备占比10%，4台激光设备一共占比10%，封装及自动化、检测设备占比10%，测算得到：截至2026 年钙钛矿设备空间共164.3-189.3亿元，2026年钙钛矿设备市场空间预计103.75-128.75亿元。

　　钙钛矿光吸收层：位于中心位置，吸收能量高于其带隙的光子并在该层生成载流子对。目前最常见的钙钛矿层材料为甲胺碘化铅（MAPbI3）和甲脒碘化铅 （FAPbI3） 。在早期研究阶段，传统器件薄膜制备的一步旋涂法最早应用，而后在此基础上开发出一步反溶剂法。同时还有两步旋涂法（相互扩散法）制备钙钛矿薄膜。但 他们制备出的钙钛矿薄膜往往是小面积的。

　　电子传输层：通常为TiO2、SnO2、Al2O3等金属氧化物和一些有机物材料。可以用PVD（蒸镀、磁控溅射、离子镀）或涂布方法制备。在反式结构中，用RPD沉积电子 传输层以减少PVD高能量对钙钛矿层的损伤。 空穴传输层：目前最常用的空穴传输层材料主要可分为以Spiro-OMeTAD、PTAA、PDPPDBTE等为代表的有机类材料，和以NiO、CuI、CuSCN、CuO、Cu2O等为代表 的无机类材料。也可以用PVD（蒸镀、磁控溅射、离子镀）或涂布方法制备。 透明电极层：通常是N型氧化物半导体氧化铟锡（简称为ITO）或者掺杂F的SnO2（简称为FTO）。TCO玻璃基板可以直接采购，或在玻璃基底上采用PVD制备透明导 电层，较为成熟。 背电极层：通常是Au、Ag、Al等导电金属，一般通过热蒸镀法或磁控溅射法制备得到。

　　钝化或连接层：ALD 。用于封装用的氧化铝致密层；如金属电极替换成ITO，ITO使用溅射工艺，那么在电子传输层和ITO之间需要插入一层致密的氧化锡，这一层用ALD做合适。（单结钙钛矿） 晶硅和钙钛矿连接位置需要一层ITO，这一层ITO用ALD做，上方会有一层氧化锡溅射。（钙钛矿-晶硅叠层）

　　激光工艺涉及到整个钙钛矿薄膜电池的制备流程，功能重要度较高。激光设 备精度提升可以有效减小死区面积。根据极电光能专利： P1:通过对底电极层进行P1激光刻蚀，并标记P2刻蚀和P3刻蚀定位点； P2:形成第一载流子传输层、钙钛矿光响应层和第二载流子传输层并基于P2刻 蚀定位点进行P2激光刻蚀； P3:形成顶电极层并基于P3刻蚀定位点进行P3激光刻蚀，得到具有串联结构的 钙钛矿电池组件。 P1激光刻蚀、P2激光刻蚀和P3激光刻蚀中分别独立地利用分光系统对激光光 源发射出的激光进行分光处理，以得到多条相互平行且垂直于待刻蚀层的子 光束，同时可结合聚焦刻蚀工艺利用多条子光束形成同一刻蚀线或多条间隔 布置的刻蚀线微米的级别，加工精度的要求更高，以达到精确控 制P1、P2和P3线的线宽，降低钙钛矿电池的死区面积，提高光电转换效率， 简化刻蚀工艺，提高生产效率的效果。