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#调研纪要#钙钛矿光伏设备行业深度报告:钙钛矿技术频现积极信号,如何长远布局 β和α

栏目:调研纪要 作者:ZML 时间:2022-08-25 10:21:50

推荐逻辑1.钙钛矿行业处于0->1的成长初期,未来两年产能实现低基数翻番。由于钙钛矿的提效空间最高、能吸收弱光发电、制备工序简单、轻薄/可柔性、易于合成等优势,在高效性能获得实验室证实的背景下,已获得腾讯创投、宁德时代 (524.00, -32.89, -5.91%)、长城汽车 (11.540, -0.120, -1.03%) (33.43, -0.92, -2.68%)、碧桂园 (2.480, -0.100, -3.88%)等资本对产线项目的投资。

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推荐逻辑
    1.
  • 钙钛矿行业处于0->1的成长初期,未来两年产能实现低基数翻番。由于钙钛矿的提效空间最高、能吸收弱光发电、制备工序简单、轻薄/可柔性、易于合成等优势,在高效性能获得实验室证实的背景下,已获得腾讯创投、宁德时代 (524.00, -32.89, -5.91%)长城汽车 (11.540, -0.120, -1.03%) (33.43, -0.92, -2.68%)碧桂园 (2.480, -0.100, -3.88%)等资本对产线项目的投资。同时,2022年行业新增产能开工近1GW,现有规划超27GW,处于从概念提出到中试线落地的成长初期,与N型晶硅电池的“萌芽期”有一定的相似之处。我们据现有钙钛矿产线规划测算,2023、2024年的产能增速将达近80%、256%,实现低基数的高增长弹性,产业整体产能将于2024年落地近2GW,具备电池技术迭代的革命性意义。

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  • 短期:BIPV等场景成为行业催化剂,分布式应用为聚焦市场。钙钛矿电池具备轻薄美观、可柔性等实用性特点,目前已规划GW级产线的产品主要应用在BIPV(极电光能、鑫磊鑫)和工商业分布式电站(纤纳光电),而对比晶硅电池主要聚焦在集中式电站。鉴于“十四五规划”推动分布式光伏,且BIPV在分布式光伏的占比将逐渐提升,钙钛矿短期内有望率先应用于BIPV。而在“光伏+”的分布式应用方面,(1)韩国现代汽车集团与UNIST合作开发钙钛矿太阳能 (8.66, -0.51, -5.56%)电池板车顶,(2)有研究聚焦钙钛矿太阳能移动电源,(3)大正微纳的柔性钙钛矿组件运往中国智能手机&平板电脑商进行测试等,将为钙钛矿组件带来广阔的潜在应用空间。

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  • 长期:集中式应用与晶硅电池协同发展,钙钛矿+HJT叠层技术为主要研发方向。据智慧芽数据库约180篇钙钛矿叠层电池专利中,70%是钙钛矿-晶硅叠层相关,针对便于工业化生产的研发为主,而其中又有约1/3的专利为异质结+钙钛矿叠层相关。同时,通威、隆基、晶科、华晟等晶硅电池厂商均有钙钛矿-晶硅叠层电池的专利或中试线等布局。

    1.
  • 设备端意义:钙钛矿技术可延续现有光伏设备商的商业寿命。钙钛矿组件生产涉及多个功能层的制备和封装,而相关设备主要包括涂布机、PVD(磁控溅射类、蒸镀类、RPD)、激光设备、封装设备(层压机等)。部分国产设备商已具备提供定制化设备的能力,且各环节均有国产设备的出机验证或投入中试量产,其中PVD和激光环节不乏有成熟光伏设备商布局。鉴于目前处于钙钛矿技术创新期,工艺路线尚未定型,后续技术定向有望推动相关厂商的设备订单,迎接下一轮光伏设备行业景气。

    1.
  • 设备空间:期待未来3-5年的百亿元钙钛矿设备市场。我们依照产能规划落地、分布式光伏占比、下游应用短期受益于BIPV/BAPV+长期受益于太阳能车等分布式应用的3种逻辑进行测算,2025-2027年有望迎来百亿元钙钛矿设备市场。

投资建议:把握行业0->1的成长弹性,关注平台型设备商
钙钛矿行业处于创新萌芽期,电池实验室效率显著提升的同时,商业化探路也表现积极。在钙钛矿光伏电池产能有初步规划,并逐步投产试验线的产业环境下,Demo线选用国产设备有望在后期产业化阶段受益。建议关注平台型设备商及细分环节专业设备商。如:捷佳伟创 (152.00, -5.17, -3.29%)西子洁能 (23.52, -1.64, -6.52%)京山轻机 (25.10, -1.16, -4.42%)杰普特 (62.97, -5.33, -7.80%)大族激光 (31.77, -2.00, -5.92%)帝尔激光 (236.91, -6.10, -2.51%)迈为股份 (515.88, -26.97, -4.97%) 等。
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  • 西子洁能:主营余热锅炉受益于“双碳”长期赛道,自研熔盐储能装备符合中高温储热大规模化趋势,全方位布局“光伏发电、氢能、风电”等新能源+储能新成长曲线。参股10%的众能光电为钙钛矿准MW级整线设备领军企业,众能光电亦为“钙钛矿光伏技术创新联盟”创始单位之一。

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  • 捷佳伟创:主营PERC+TOPCon设备受益于电池片产能扩张高景气,自研TOPCon的三合一PE-Poly设备获领先客户认可接近订单放量阶段,同时布局HJT+XBC+钙钛矿技术,形成光伏电池片装备+半导体装备的平台型布局,公司在研钙钛矿整线设备+RPD已送机,迎接光伏设备行业新成长曲线,亦为“钙钛矿光伏技术创新联盟”创始单位之一。

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  • 京山轻机:主营光伏组件设备实现高速增长,瓦楞包装装备亦稳定增长。旗下晟成光伏积极布局电池片装备业务,TOPCon的PECVD&PVD二合一设备交付验证,HJT的清洗制绒设备通过验证。钙钛矿方面,其蒸镀PVD已应用于多个客户端,也拥有ITO玻璃清洗设备、PVD等产品,并与领先大学团队共同开发ALD镀膜技术,与头部协鑫光电共同开发钙钛矿叠层电池,为业内较早有多元化钙钛矿设备产品销售的企业。

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  • 杰普特:主营半导体+消费电子领域的激光设备,为领先MOPA激光器供应商,激光光源领域国内前三企业,积极下沉锂电和光伏激光器应用,具备大正微纳柔性钙钛矿组件量产线的配套经验,设备需求能见度较高。

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  • 大族激光:主营PCB、光伏、LED封装领域的激光设备,为全球激光设备市占率前三,自主研发的钙钛矿激光刻划设备已实现量产销售,大尺寸整线激光刻划设备已在钙钛矿头部企业交付,亦为“钙钛矿光伏技术创新联盟”创始单位之一。

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  • 帝尔激光:主营光伏激光设备,为PERC激光设备龙头,与隆基深度合作,技术可应用于钙钛矿光伏电池。已交付TOPCon 和 IBC 工艺的激光转印设备量产整线样机,此外还覆盖HJT工艺的激光转印,所开发的LIA激光修复设备获得欧洲HJT客户的量产型订单,TOPCon领域拥有激光硼掺杂/激光开膜/特殊浆料开槽等相关技术储备,激光开槽设备在IBC技术路线实现量产。

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  • 迈为股份:主营光伏HJT整线设备和丝印设备,业务还涉及显示、半导体行业,其中为京东 (59.440, 2.240, 3.92%)方供应国内首台OLED弯折激光切割设备、半导体晶圆激光开槽设备获得长电科技 (25.43, -1.02, -3.86%)等头部厂商订单。而钙钛矿方面,为客户定制的单结钙钛矿电池激光设备已交付使用,同时在研钙钛矿设备。

钙钛矿:吸引力?提效空间最高,应用场景丰富,成长初期
钙钛矿行业处于0->1的成长初期:2022上半年以来,国内频出钙钛矿产业的积极信号,宁德、腾讯等汽车及互联网行业的头部机构入股钙钛矿项目,钙钛矿-晶硅叠层效率也突破了31%,证实其叠层效率远超晶硅电池的优势。在TOPCon、HJT、XBC等电池技术争相扩大产能的产业环境下,多个钙钛矿的大尺寸中试线项目落地,见证其从2009年提出概念,到13年后厂商跃跃欲试的快速发展阶段,同时2022/7纤纳光电出货全球首款钙钛矿商用组件,也标志着钙钛矿组件商业化探路的开端。
特点一:转换效率领先优势获实验室证实,钙钛矿吸光层为提效的核心
钙钛矿型材料特点1:易于合成,稳定的钙钛矿相决定电池稳定性。钙钛矿型材料为与矿物钙钛氧化物ABX3化学结构类似的离子晶体的统称,易于实验室合成,可避免材料的稀缺性涨价。据X阴离子划分,ABO3无机氧化物钙钛矿在可见光下的光电效应较差;而主流的ABX3为卤化物钙钛矿,其中A为有机阳离子(如甲胺、甲脒等)或无机阳离子(如铯);B为二价金属阳离子(如铅或锗);X为卤素阴离子。根据八面体笼的旋转形态,分为立方、四方、正交等钙钛矿相,而稳定的钙钛矿相对于电池稳定性至关重要,立方相为理想形态。同时可改变不同的A位阳离子,通过离子半径算出的容忍因子α,如APbI3钙钛矿的α在0.8-1时,形成稳定的钙钛矿相,提升稳定性、转换效率
钙钛矿型材料的特点2:光电特性优秀,带隙可调决定吸收更宽的光谱。由于钙钛矿的成分选择具有灵活性,A、B和X位离子可以被多种元素取代,提供了较宽的带隙可调性。根据Schockely-Queisser极限曲线,单结太阳能电池光吸收材料的最佳带隙为1.4 eV。钙钛矿作为直接带隙材料(例如CH3NH3PbI3,带隙1.5 eV),在可见光全波段范围内具备全光谱吸收能力,且Nano Energy (3.760, -0.220, -5.53%)提到钙钛矿材料在 300–800 nm 波长范围的可见光谱上,具有约 1×105cm−1量级的高吸收系数,比传统单晶硅大一个数量级,因此100 纳米厚的钙钛矿薄膜,就可以吸收硅薄膜微米厚度才能吸收的光。
钙钛矿组件由多个功能层堆叠而成,吸光层是提效的核心。晶硅电池和钙钛矿组件的本质工作原理都是通过空穴和电子的扩散形成内电场,不同点在于:
A.       晶硅电池是直接形成P-N结:P-N结的势垒电容与P型/N型半导体的掺杂浓度和温度有关,且势垒厚度较薄,容易发生雪崩击穿,从而承受的反向电压有限,且感光灵敏度较小;
B.       钙钛矿组件是P-i-N结:P-i-N结因为有i层-本征半导体(即钙钛矿层)的存在,势垒厚度很大,能承受很大的反向电压,且能吸收大量的光子并转换为载流子。同时,i层选用的钙钛矿材料充分吸收不同波长的太阳光,对蓝/绿光的吸收强于晶硅电池,其高结晶度极大减小载流子复合。
钙钛矿单结组件的研发效率已接近26%,平均每年至少提升0.5%,极限为31%。自2009年提出技术至今,钙钛矿单结电池的实验室效率从3.8%提升到25.8%,13年间平均每年提升1.69%,而2018-2022年则平均每年提升0.5%。相比PERC、TOPCon、IBC等技术在90年代已经实现20%以上的实验室最高转换效率,钙钛矿发展速度极快。据德国ISHF实验室数据,PERC电池理想条件下最高效率为24.5%,单面TOPCon工艺的理论效率在24.9%-27%之间,双面TOPCon工艺达28.7%,HJT工艺的理论最高转换效率是27.5%,晶硅电池理论极限效率为29.43%,而作为薄膜电池的钙钛矿光伏组件的单结理论效率为31%,远超晶硅电池,是未来钙钛矿-晶硅叠层电池转换效率达到50%以上的重要推力。
特点二:一体化工厂降低生产成本,钙钛矿材料具备成本优势
相比晶硅电池,钙钛矿工序大大缩短,单GW产能投资额更低。根据协鑫光电的数据,晶硅电池的制备,从硅料到组件至少经过4道工序,单位制程需要3天以上,同时还需要大量人力、运输成本等;而钙钛矿组件在单一工厂完成生产,原材料经过加工后直接成组件,没有传统的“电池片”工序,大大缩短制程耗时,单位制程耗时仅需约45分钟。从单GW产能投资额来看,与晶硅电池相比,硅料+硅片+PERC电池+组件合计需要约10亿元投资,而目前的钙钛矿10MW中试线投资额为0.7-0.8亿元,达到量产成熟度之后,单GW产能仅需5亿元投资额,约晶硅电池单GW产能投资额的1/2。
从度电成本来看,比晶硅电池更多渠道促进降本。钙钛矿光伏组件的度电成本,取决于初始投资条件(制造成本、组件效率和设备摊销费用)和发电量(寿命衰减、双面发电、温度和遮挡)。
降本途径分析1-初始投资条件:
    1.
  • 料耗显著降低,避免材料稀缺性涨价:根据协鑫光电的数据,钙钛矿材料占单片组件成本的比重仅为5%,其余主要为电极材料和玻璃等封装材料的成本。钙钛矿的吸光能力远超晶硅,钙钛矿层厚度仅需0.3微米,而晶硅组件中的硅片通常180微米厚,因此少量钙钛矿材料即可满足制备。同时,TCO玻璃的制备工艺较成熟,易于按需扩大产能。

    1.
  • 纯度要求低,单瓦能耗不及晶硅组件能耗的1/10:根据协鑫光电的数据,太阳能级的硅料,纯度需要达到99.9999%甚至99.99999%,最高工艺温度达到1700°C,组件制造能耗为1.52kWh/Wp。而对于钙钛矿,只需要95%的纯度即可满足使用需求,最高工艺温度仅为150°C,组件制造能耗为0.12kWh/Wp,不及晶硅组件能耗的1/10。

    1.
  • 产业链生态更容易维护,有望通过扩产降本:钙钛矿组件由于产业链缩短等先天优势,产品降本潜力极大,协鑫中试线的钙钛矿组件单位制造成本为0.94元/W,且据协鑫光电,当产能扩大到1GW以上时,制造成本将进一步下降到0.7元/W,系统成本降低到2.5元/W以内。对比晶硅组件含税价格处于 2 元/W水平,且各环节的利润受到极大挤压,预计晶硅电池降本速度将放缓。

    1.
  • 度电成本随组件效率提高而下降:参考CPIA数据,传统太阳能电池的光电转化效率每提升1%,对应度电成本下降5%-7%,而钙钛矿组件作为新型薄膜电池,有望遵循类似规律。

    1.
  • 国产设备日渐成熟,设备摊销费用有望降低:设备摊销费用取决于所选用工艺设备的价值量和设备产能,目前钙钛矿核心膜层所使用的设备是RPD和涂布设备,涂布设备的技术难度可控,RPD的专利被日本方限制,预计未来随钙钛矿组件产能扩张,通过国产替代降低设备价值量,同时其余设备均有相对成熟的厂商储备。

降本途径分析2-发电量:
    1.
  • 钙钛矿组件理论寿命可达30年,控制衰减率能做到更低的度电成本:据杨文侃《钙钛矿系列光伏组件的度电成本分析》测算,寿命25年的钙钛矿组件若线性衰减小于0.6%,度电成本低于晶硅组件。2022年6月《science》报道,普林斯顿大学团队开发出可运行约30年商业性的钙钛矿组件,高出行业默认光伏组件的25年寿命。同时2021年纤纳光电自主研发的钙钛矿量产组件,就已通过基于IEC61215标准的稳定性加严测试,且表示保持30年稳定性的钙钛矿组件,即使转换效率和PERC相当,也能降低度电成本至0.2元。因此,随着钙钛矿组件做到更长寿命、更低衰减率,度电成本将逐步低于晶硅组件。

    1.
  • 钙钛矿温度系数绝对值比晶硅低2个数量级,不易受温度影响:从温度系数量化来看,晶硅组件约为-0.3,即温度每上升1度,功率会下降0.3%,例如在实际应用场景,出厂效率20%,当温度升到75度,效率大约就只剩16-17%。而钙钛矿的温度系数为-0.001,非常接近于0,因此它效率几乎不受温度影响,实际发电效率显著高于晶硅。

    1.
  • 由于电路结构不同,钙钛矿组件比晶硅组件受遮挡的负面影响小,发电量平均高5%:晶硅组件一般由60或72片独立电池片串联形成,当受到局部遮挡或损坏时,会出现热斑效应。而钙钛矿组件属于薄膜电池,通过工艺在整个面板上实现电路结构,电路之间互相连接,在受到同样遮挡时发电量影响比晶硅小很多,根据杨文侃《钙钛矿系列光伏组件的度电成本分析》测算,遮挡条件下钙钛矿组件比晶硅发电量高4.05%-6.05%,度电成本降低0.018-0.034元/kWh。

特点三:轻薄且适应柔性基底,下游应用场景丰富
钙钛矿组件适应多元化的刚性/柔性基底。尽管晶硅电池可通过柔性材料封装制成柔性组件,但晶硅电池片容易断裂,对封装技术和封装材料性能要求非常高,因此薄膜电池更适合应用到柔性组件上。而由于CIGS等薄膜电池的制备温度较高,平板柔性电池通常使用的PET或PEN基底承受温度一般不超150℃,叠加柔性组件的卷对卷印刷工艺与钙钛矿制备兼容,因此钙钛矿组件更具备柔性应用空间。鉴于钙钛矿组件更轻薄、设计更友好的特点,厂家可按客需定制模块的形状、颜色和尺寸,并安装在屋顶、车顶、玻璃幕墙等任何空闲区域,叠加模块颜色可调,完美解决光伏在建材应用的美学问题。钙钛矿材料的柔性、轻薄、颜色可调、高电压等特性使其具备广泛应用各场景的潜力。
特点四:钙钛矿多结叠层效率可达晶硅电池的2倍,叠层技术取决于界面复合层
钙钛矿-晶硅叠层电池研发效率已突破31.3%。钙钛矿带隙宽度可调,可制备高效叠层电池,相比于单个PN结的钙钛矿太阳能组件,多结的PSCs光谱吸收效果更好、效率更高,但成本也更高。钙钛矿可制备2结、3结及以上的叠层电池,钙钛矿2结叠层电池理论转换效率达35%,而3结叠层效率可达45%以上,如果掺杂新型材料,最高甚至能达50%,约为目前晶硅材料的2倍。
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  • 2结叠层电池有钙钛矿-钙钛矿、钙钛矿-晶硅叠层电池两种。钙钛矿-晶硅叠层电池即将钙钛矿组件与硅电池按能隙从大到小的顺序从外向里叠合起来,让短波长的光被最外侧的宽带隙钙钛矿太阳能组件吸收,波长较长的光能够透射进去让窄带隙的硅太阳能电池吸收,可最大限度地将光能变成电能,目前获得了最广泛的研究,最新效率已突破31.3%。

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  • 全钙钛矿(钙钛矿-钙钛矿)叠层具备潜力,一体式叠层为主流结构。根据结构不同,叠层钙钛矿组件分为一体式结构和分离式结构,依据输出端子数量的不同,又可分为两端子和四端子结构。四端子结构能实现较高的实验室效率,但四端子叠层电池中的光学耦合叠层需要使用光学分光镜,成本过于高昂,而机械堆叠式需要三层透明电极,会降低电池转换效率。相比之下,一体式钙钛矿叠层结构简单,设备和工艺相对成熟,适合产业化。南京大学谭海仁团队实现了小面积全钙钛矿叠层电池28%的实验室效率,成立仁烁光能并开启全钙钛矿叠层电池的产业化。

高效率叠层的满足条件:材料晶格匹配、禁带宽度组合合理、顶底子电池电流匹配等。叠层电池用能带宽度与太阳光谱匹配最佳的材料做成电池,按从大到小的能隙顺序叠合起来,短波长的光被外侧的宽带隙材料电池吸收,长波长的光被里侧的窄带隙材料电池吸收,提高太阳光利用范围,从而提高转换效率。由于四端子结构成本高昂,以两端子钙钛矿叠层电池为例,
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  • 晶格匹配:即晶面间距相近或相等,使上下层电池晶格凝固时完全对接;

    1.
  • 禁带宽度组合:决定能吸收多少范围太阳光;

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  • 电流匹配是核心问题:钙钛矿-晶硅电池由于界面需要制绒,如果钙钛矿直接与绒面接触会严重分流,影响开压和填充因子,因此界面复合层是关键。即使是全钙钛矿叠层电池,也需要制备中间层实现载流子的高效隧穿复合,提高器件的填充因子,最终实现高转换效率。

面临挑战:大面积组件的制备难度、稳定性不足、降低材料的毒性
相比晶硅电池,钙钛矿组件缺陷实际影响程度有限,同时为实现产业化,学术界和产业界针对缺陷不断研究改良方法,已有一定成果:
    1.
  • 大面积制备的难度:发展狭缝涂布等多种制备新工艺。实验室制备的高转换效率组件,基本是在1cm2的极小面积薄膜上实现,大多使用旋涂法,但该工艺的转速很高,难以沉积大面积、连续的钙钛矿薄膜。取而代之的是狭缝涂布法,还有软膜覆盖沉积法(SCD)、板压法、气固反应法、刮涂法等能放大尺寸的工艺。解决此问题关键点在于工艺改良。2022年4月,极电光能在300cm2的大尺寸钙钛矿光伏组件上,创造了该尺寸面积下18.2%光电转换效率的新世界 (6.97, -0.02, -0.29%)纪录。2022年7月,微纳科技成为全球首家量产40*60cm柔性钙钛矿组件厂商,承诺效率达到21%;同时,纤纳光电实现出货5000片1245×635×6.4mm钙钛矿组件供省内工商业分布式钙钛矿电站使用,证实大面积钙钛矿组件问题逐渐得到改善。

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  • 不稳定性:尝试兼容更多种材料,封装为核心改良环节,稳定性已逐步增强。为改善钙钛矿组件的不稳定性,业界聚焦于封装技术和材料结构的替换。钙钛矿材料对水汽极度敏感,易产生不可逆转的降解,因此室温环境下组件效率会随时间增长而衰减。但钙钛矿可容忍1%级别的杂质,对缺陷杂质容忍度远高于晶硅,可选用更多类型材料增强稳定性。同时,2020年昆山协鑫光电围绕封装进行实验,发现封装不佳的组件很快就衰减,但良好封装的组件,在双85(85℃、85%RH (292.770, -0.020, -0.01%))条件下,2000个小时内没有任何衰减

    1.
  • 含毒性:无铅化为钙钛矿材料研究的重要方向。由于含铅钙钛矿更适合低温制备,光电效应较好,因此钙钛矿组件大多含具备毒性的铅,会对外部环境造成污染。实际上晶硅组件的焊带通常含铜箔涂铅,每一块标准尺寸的晶硅组件里约含18克铅,而同样尺寸的钙钛矿组件含铅量不超2克,因此钙钛矿组件的含铅量只有晶硅的1/10。同时,钙钛矿材料的优点之一是可以对材料成分进行设计,有利于采用低毒的元素替代铅,目前大量研究工作采用来自该族的Ge、Sn以及来自周期表中的 Bi和Sb等环境友好元素来替代铅。

钙钛矿:技术突破对国产设备商的意义?延长产品生命周期
组件结构由多个功能层铺设而成,多种制备工艺并存
钙钛矿组件主要有3类结构框架,反式平面结构适合产业化。常见的3类“三明治”结构为介孔结构和平面结构(分为正式平面、反式平面,区别:钙钛矿底层材料对钙钛矿内的电子或空穴的提取能力不同,P型半导体主要传递空穴,N型半导体主要传递电子)。
    1.
  1. 正式(n-i-p)平面结构(效率更高):转换效率比反式结构高,具有较高的Voc和Jsc值,但空穴传输层在核心的钙钛矿层上面,在选材的温度耐受性和性能平衡上还不能很好的匹配,且迟滞效应比反式结构明显(迟滞效应降低电池测试的准确性和电池性能);

    2.
  1. 正式(n-i-p)介孔结构(优化版本,使钙钛矿层更稳定):与正式平面结构类似,介孔层的掺杂能改善钙钛矿层和电子传输层的接触,提升电子的提取能力,但介孔层需要450°C高温烧结,不能和柔性衬底结合,不适宜投入量产。

    3.
  1. 反式(p-i-n)平面结构(主流结构):比正式结构的工艺更简便价廉、低温成膜、更适合与传统光伏电池结合叠层器件等,同时因为反式 (p-i-n) 结构中,空穴层选材的扩散长度/系数比电子层的短/低,更有利于电荷的平衡抽取,从而抑制迟滞效应。由于适合叠层结构延伸及产业化、工艺成本低,为目前的主流结构。但面临转换效率较低、电子传输层用材昂贵和热稳定性差等限制。

3层薄膜的制备较关键,涂布机、PVD、RPD、激光设备为核心设备。以反式平面结构为例,根据多家头部厂商的专利,涂布机、PVD、RPD、激光设备为核心产业化设备:
    1.
  • TCO 玻璃:从玻璃厂商直接采购,也可以在玻璃衬底上PVD溅射透明导电层,技术较成熟。

    1.
  • 空穴传输层(核心层一):一般用溅射PVD,亦可用蒸镀PVD,最新研究尝试涂布机,技术难点在于工艺参数调整。

    1.
  • 钙钛矿层(最核心层二):主流选用狭缝涂布工艺,技术难度最高,技术核心在于大面积制备的解决方案、成膜均匀性。

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  • 电子传输层(核心层三):主流用RPD设备;另一种是先用 RPD或ALD制备一个很薄的阻隔层,再用溅射PVD做传输层;正研究尝试涂布机制备,技术难点在于材料适配和保护下方钙钛矿层。

    1.
  • 背电极:用蒸镀PVD设备,已具备较成熟的技术应用。

    1.
  • 激光刻蚀:共四道激光,主要用于P1、P2、P3层激光划线,使整个钙钛矿面板形成一道道的子电池,且子电池互相串联;P4层激光用于清边处理,技术难度可控。

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  • 封装:较关键的环节,封装方案处于创新阶段,包括薄膜封装、物理封装等。

以协鑫纳米的发明专利《一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法》为例,涉及正式介孔结构,使用匀胶机(实验室级别)、PVD(磁控溅射、蒸镀),钙钛矿层选用涂布机,与反式结构的制备方案类似。
钙钛矿层:大面积制备难度较高,狭缝涂布工艺为主流
钙钛矿层的制备分4种反应原理和2大类工艺。作为钙钛矿组件的核心层,钙钛矿层及上下电荷收集层界面的制备至关重要,薄膜厚度、大面积均匀性、成膜速度控制为重要技术指标。目前钙钛矿层的制备从反应原理上分为4种,即一步溶液法、两步溶液法、双源气相蒸发法、气相辅助溶液法。
狭缝涂布为钙钛矿层的主流大面积制备工艺。从工艺角度划分,适应大面积沉积钙钛矿薄膜的有湿法涂布、印刷等2大类工艺,其中狭缝涂布工艺具备制程可控性较强、材料利用率高等特点,成为目前钙钛矿层的主流制备工艺;而丝网印刷工艺适用于全印刷型钙钛矿组件的制备。
第一类-湿法涂布工艺:根据涂布头分为狭缝涂布工艺、刮刀涂布工艺等。
    1.
  • 狭缝涂布(主流选择):非接触式涂布技术,在玻璃/金属/聚合物等基材上将特制油墨沉积形成超薄均匀涂层,涂层厚度取决于施加到基材上的油墨量除以涂布面积,硬件核心在于狭缝涂布头的耐腐蚀性、狭缝精度及油墨流动控制。特点是印刷速度快、成膜均匀、材料利用率高、运行成本低、适用油墨的粘度广等。除了光学薄膜外,也用在锂电池隔膜、液晶面板等精密涂布。

    1.
  • 刮刀涂布:与过量的油墨接触,通过调整刮刀与基底的距离来调整厚度,同时也与油墨的浓度、基底移动速度相关。特点是能兼容流动性弱的油墨,提高浓度、减小干燥负荷,涂布速度较快。同时涂布面较平整,不随原表面的凹凸而起伏。

第二类-印刷工艺:分为喷墨印刷法、喷涂法、丝网印刷法、凸板印刷法、凹版印刷法等。
    1.
  • 丝网印刷(全印刷型钙钛矿组件的量产工艺):特点是生产成本极低(资本支出和运行成本)、高吞吐量。同时是制造微米级厚度介孔支架的有效方法,但介孔层结构需要400摄氏度高温制备,面临容易破坏钙钛矿层的挑战。据Swansea大学研究发现,可以通过丝网印刷将钙钛矿组件印在建筑物钢顶上,而国内的万度光能将投建全丝网印刷工艺生产的200MW介观钙钛矿组件产线。

    1.
  • 喷墨印刷:与器件无接触的印刷技术,和打印机原理类似,打印机头和油墨相连,压力脉冲控制油墨的吞吐量。特点是材料利用率较高,能够精准灵活控制打印形状、厚度等,技术的关键挑战在于油墨高吞吐量的时候能否保持印刷的精度,以及能否找到兼容的动态粘度、密度和表面张力的油墨。由于印刷速度受限于喷嘴数量,喷墨印刷的速度较其他沉积薄膜工艺慢。

    1.
  • 喷涂:同样为非接触型印刷技术,通过改变油墨的成分、浓度、喷嘴角度、移动速度等,达到控制钙钛矿薄膜厚度及高吞吐量操作的目的。特点是材料损耗较低,能够高吞吐量处理,但挑战在于晶体生长厚度的变化、溶液去湿以及由表面张力驱动的薄膜覆盖不均等。

    1.
  • 凸版印刷、凹版印刷:在钙钛矿组件研发中使用较少。

狭缝涂布工艺从平板显示、锂电池极片领域沿用至钙钛矿,技术应用经验丰富。(1) 平板显示面板也由不同功能薄膜组成,其中柔性OLED的结构和钙钛矿组件最为接近,核心PI导电膜使用狭缝涂布工艺制备,此外液晶面板的光学膜也使用狭缝涂布工艺制备,平板显示面板领域已有大面积使用狭缝涂布工艺的经验;(2) 锂电池的极片涂布是卷对卷工艺,将浆料快速均匀地涂覆在正负极集流体,因为事关锂电池的容量、安全性等,因此对涂层的膜厚、均匀性、尺寸精度等要求均非常严格。因此,业界对狭缝涂布工艺在技术原理的掌握和应用经验上已较为成熟,更多在精度、设备控制、浆料配方上追求精益求精,能够在钙钛矿膜层上沿用。
大面积钙钛矿层的制备难点在于,没能达到实验室级别的均匀度。实验室通常采取旋涂法,利用旋转的离心力将膜厚制备均匀,形成高效率的小面积钙钛矿组件,但旋涂法的浆料使用率较低,大尺寸的生产成本较高,且不适宜产业化。目前换用高精度控制的狭缝涂布工艺,无法将膜层做到实验室里的均匀效果,而且尺寸放大后容易形成凹凸不平的表面、内部含气泡等,因此大面积钙钛矿组件的难度更多在于工艺而非设备,量产效率与实验室效果还有较大距离,也是业界积极突破的方向。
钙钛矿企业主要选择狭缝涂布工艺路线。我们对国内部分领先钙钛矿企业的公开专利进行统计,在钙钛矿层制备工艺的选择上,主要是狭缝涂布和蒸镀PVD,而协鑫光电、纤纳光电等在刮涂、喷涂上也有尝试布局,此外CVD、丝网印刷工艺属于少数选择方向。
高精度的狭缝涂布机依赖进口,国产设备商以德沪涂膜为首。钙钛矿用狭缝涂布机以进口日韩设备为主,进口商主要有美国nTact、日本东丽工程、韩国三兴机械等,而国产设备商中主要以德沪涂膜SPS为首,其开发的全球首套用于大面积钙钛矿太阳能面板制造的涂膜设备通过验收,技术实力位居全球头部。而众能光电亦有涂布/刮涂一体机。
上下传输层 & 背电极 &  TCO玻璃: PVD工艺贯穿全制程
蒸镀、溅射镀、RPD都属于PVD工艺。PVD(Physical Vapor Deposition)为物理气相沉积技术,在真空环境下将气化成分子/离子的材料源,通过低压气体/等离子体在衬底表面沉积成特定功能薄膜。根据工艺制程的不同,主要分为真空蒸发镀、真空溅射镀、真空离子镀。其中:
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  • 蒸发镀:蒸发器加热使靶材蒸发汽化成粒子,随后将该粒子直接射向衬底并完成沉积

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  • 溅射镀:通过高电压将靶材转化成等离子状态,利用高能量粒子撞击靶材后,被撞击出来的靶中分子或原子撞上衬底完成沉积

    1.
  • 离子镀:利用高压气体放电将靶材蒸发后离子化,利用离子轰击衬底表面完成沉积。根据日本住友介绍,RPD(Reactive Plasma Deposition)也是离子镀的方法之一。

PVD在钙钛矿电池制备中属首选工艺。我们根据对主流钙钛矿厂商在空穴传输层、电子传输层、背面对电极层、TCO玻璃等领域的专利布局进行统计,各层对应主流工艺路线如下:
    1.
  • 空穴传输层: PVD-溅射镀、PVD-RPD、涂布-刮刀涂布机

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  • 电子传输层:PVD-蒸镀、PVD-RPD、PVD-溅射镀、印刷-丝网印刷机

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  • 对电极层:PVD-蒸镀、PVD-溅射镀

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  • TCO玻璃:PVD-溅射镀、CVD

国产PVD设备商率先受益。尽管产业实验室、科研院所前期主要使用进口设备进行研发,而根据已公开信息,目前国内部分含钙钛矿用PVD的设备商已进入出货验证或完成验证阶段,如(1)捷佳伟创向某领先钙钛矿厂商出货了“立式反应式等离子体镀膜设备”(RPD),并于22/07再次中标量产型RPD订单;(2)京山轻机旗下晟成光伏的团簇型多腔式蒸镀设备已量产,并成功应用于多个客户端;(3)众能光电截至21年底的钙钛矿PVD设备出货量达30台套;(4)湖南红太阳的首台钙钛矿电池用PVD及ALD镀膜设备发货,成功中标龙头客户钙钛矿电池项目。(5)合肥欣奕华的蒸镀事业部有对真空蒸发法制备钙钛矿电池薄膜的研究。其中,不乏有已在HJT布局有PVD的捷佳伟创、湖南红太阳等,随着钙钛矿产线的逐步落地,国产设备商有望持续受益。
P1-P4层:主要使用激光刻蚀设备,国产激光设备商跃跃欲试
P1-P3用激光划刻,P4用激光清边。钙钛矿用激光设备主要使用纳秒/皮秒/飞秒脉宽等波段的绿光激光或红外光纤光源进行刻蚀划线,被切割处很快被加热至汽化温度蒸发形成线槽,目的是阻断电流导通,形成多个单独的电池模块,串联电 (6.730, 0.000, 0.00%)池,增大电压。激光刻蚀激光的工艺精度、对薄膜材料的损伤、缺陷控制、刻划断面的粗糙度均对电池效率、寿命具有重大影响。
    1.
  • P1层:采用纳秒级别的激光进行刻蚀,刻蚀FTO层,需保证激光刻蚀线宽、激光刻蚀线间距精确度,不伤及玻璃衬底。

    1.
  • P2层:采用皮秒或飞秒级别的激光刻蚀,刻蚀ITO或钙钛矿层,需保证激光刻蚀线宽、激光刻蚀线间距精确度,不伤及PI层的FTO。同时,鉴于钙钛矿容易在外界影响下降解,精度更为严格,对激光光源的单脉冲能量、脉宽、频率有不同的要求。

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  • P3层采用皮秒或飞秒级别的激光刻蚀,刻蚀对电极层,需保证激光刻蚀干净、激光刻蚀线宽、激光刻蚀线间距精确度,不伤及P2层。

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  • P4层:去除薄膜边缘区域,利用激光划线划分出无效区域后,对无效区域采用大功率、大光斑、低频红外激光进行清除。而在大面积组件的清边时,先对扫描小单元进行清边,然后对下一个小单元清边,多单元拼接清边。

国产激光设备商早已布局,竞争较活跃。国产激光设备商在钙钛矿领域早有技术布局,如(1)众能光电截至21年底已出货钙钛矿激光划线刻蚀设备50台套;(2)大族激光表示其钙钛矿激光刻划设备在2015年已实现量产销售,并和相关客户一直保持合作关系;(3)杰普特与大正微纳科技共同研发出柔性钙钛矿激光膜切设备,通过验收并正式投入生产使用。而传统光伏设备商也积极布局钙钛矿用激光设备,如(4)迈为股份2021年为客户定制的单结大面积钙钛矿电池激光设备已交付,钙钛矿设备仍处于研发阶段;(5)帝尔激光公告将交付用于钙钛矿电池的激光设备,应用于TCO 层、钙钛矿层、电极层。国内钙钛矿激光设备的参与者较多,已有众能光电、杰普特等步入商业化阶段的国产设备商。
封装:决定钙钛矿电池的稳定性和寿命
主要有2代封装技术。钙钛矿电池的各功能膜层材料,对暴露大气中的水蒸气、氧气、紫外光、压力等比较敏感,钙钛矿材料很快分解,同时组成钙钛矿晶体的有机小分子会从晶体逃逸,引发钙钛矿晶体的分解,使用寿命比设计值要低得多,因此封装工艺能够将钙钛矿组件与大气环境隔离,防止被杂质污染和腐蚀,是提升钙钛矿组件使用寿命的关键环节。据长光所Light中心介绍,目前主要有2代封装工艺:
    1.
  • 一代:通过蒸发金属喷射器和焊接金属带,将电流从电池传导到外部,并将金属带的边缘密封,器件位于封闭空腔中心。

    1.
  • 二代:利用透明ITO电极将钙钛矿与金属电极分离,确保电极与钙钛矿组件之间有间隙,而直接利用ITO电极进行封装,对钙钛矿组件的密封效果更佳。

钙钛矿电池封装涉及PVD、CVD、层压机等设备。据协鑫光电公开的某类实用新型专利显示,其钙钛矿电池的封装工艺包括两个封装层工序,(1)第一封装层由致密的金属化合物组成,包括阻挡氧气、钙钛矿电池挥发的有机小分子等的水气阻隔层,均匀覆盖在钙钛矿太阳能电池表面,厚度在纳米级;第一封装层可采用CVD、PVD、ALD中任意一种方式(2)第二封装层采用热熔胶膜,包括EVA膜或POE膜,厚度为微米或毫米级;第二封装层可采用成熟的晶硅组件封装方式,但封装核心在于热熔胶膜的适用温度,由于市场上的EVA膜配方更多适用于晶硅光伏组件,使用温度在130-150 °C,对于钙钛矿材料而言温度过高,容易挥发的有机小分子在真空和加热的双重作用下更容易脱离晶体结构,降低钙钛矿层的活性,而降低温度又会弱化封装效果。(3)背板与第二封装层相连;采用层压机
晶硅光伏组件封装设备商有望受益。根据已公开信息,(1)弗斯迈与钙钛矿电池组件龙头工厂达成合作,其主要经营覆膜设备、贴胶带机等;而鉴于协鑫光电表示第二封装层可采用成熟的晶硅电池封装工艺,已成熟/领先的晶硅光伏组件装备商有望受益。
国产设备商蓄势待发,静待技术进步推动产线规划落地国产设备商具备提供定制化钙钛矿设备的能力,竞争格局未定型。从不同膜层所需设备来看,(1)激光设备为通用性最高的设备,其他电池技术路线的激光设备较容易复用到钙钛矿电池上,便于国产激光设备商布局。(2)PVD有较多设备商布局,竞争多样化,其中金属电极层的蒸镀设备技术难度可控,有布局真空技术的厂商也较容易进入;RPD的技术难度与PVD相当,但受限于日本住友的专利垄断且成本较高,目前仅捷佳伟创拥有技术专利授权。在建立中试线初期,为保证钙钛矿产成品与设计性能/稳定性一致的情况下,(3)涂布机更多使用nTact和东丽工程等进口设备,国内已有上海德沪涂膜等领军企业。(4)封装环节国内已有弗斯迈等合作企业,晶硅光伏组件领域的成熟封装设备商也有望受益。
钙钛矿:产业化潜质?以史为鉴,期待未来的3-5年
复盘历史,光伏市场需求由政策驱动向市场驱动转型,实现外驱向内驱发展
(1).   政策驱动期:国内PERC产能、光伏装机量高速发展。在PERC发展初期,国外主导核心技术和产能,而国内光伏产业的发展,主要受欧美市场需求驱动。2012年,在欧债危机和“双反”调查的影响下,全球光伏产业陷入低谷,同年,国家“863”专项启动,对PERC电池效率、量产规模等作出指示,标志国内PERC正式进入产业化阶段。2013-2014年,为应对光伏产业发展初期的高成本,国家推出多项补贴政策扶持企业,吸引大批新兴玩家布局,光伏需求回暖。 2015年,在 “光伏领跑者计划”刺激下,积极推动技术转型,财政支持先进技术研发,PERC产能全球领先。2016-2017年,“十三五”规划刺激下,抢装潮迅速推高需求节奏,同时产能超预期扩张,供需关系偏向过剩,同期HJT、TOPCon、钙钛矿等开始出现中试线。PERC发展初期多受政策驱动,国内厂商主要引进国外成熟先进技术和设备,主要是产业规模化趋势,而产能扩张后周期中,叠加电池技术进步,促进新旧产能替换、新技术的萌芽。
(2).   市场驱动期:补贴退潮,“平价上网”造就光伏产业第二增长曲线。2018年,“531”新政明确光伏产业“平价上网”,政策扶持收紧、补贴退坡,光伏企业加速技术革新,加速落后产能和技术出局,光伏产业由规模化向高质量、高效益发展,“降本增效”兴起,技术呈多元化“萌芽期”。2019-2020年,平价上网临近,光伏技术多点突破,其中HJT产能出现大规模规划并有更多中试产线开工。随着硅料、辅材、设备等技术迭代,PERC电池成本优势显现,进入爆发式发展阶段。2021年至今,PERC持续扩张,N型技术效率提升凸显性价比,N型路线投产开始白热化,加速进入商业化,TOPCon投建积极,HJT逐步发力,钙钛矿技术突破并出现小规模投产探路。在碳中和、节能减排的全球共识下,光伏需求迅速攀升,产业受资本市场关注度攀升。
借鉴PERC、异质结电池量产进程,钙钛矿处于商业化前瞻阶段
参考PERC电池发展历程,钙钛矿电池处于“试产期”。 PERC电池发展至今有3个重要时间节点:2012年,晶澳科技 (67.40, -2.08, -2.99%)首先进行PERC电池小批量试产,效率达到20.3%;2015年,PERC电池量产平均效率超BSF电池技术瓶颈,头部企业实现批量化稳定生产,产能首次达到世界首位,次年正式开启产业化量产;2017年,PERC电池进入爆发期,成为国内最主流的光伏电池技术,高利润驱动产能高速扩张,至2019年市场份额达到国内第一,核心设备脱离对国外技术的依赖,实现国产替代。而目前,钙钛矿太阳能电池企业仍处布局、投产中试线和产能规划阶段,参考PERC电池头部企业晶澳科技,自试产至规模化量产大约需要3年时间。叠加PERC电池核心设备实现国产替代时间,实现规模量产大约还需要5年时间,但钙钛矿设备相较PERC时代的国产自主可控程度更高,时间有望缩至3-5年。对标3年前异质结电池进程,钙钛矿电池或等待3年进入量产。异质结电池起步略早于钙钛矿电池,国内厂商中,晋能科技首先于2017年布局并投产100MW异质结中试线,次年,中智电力、钧石能源、国家电投等企业跟进布局。随着先发企业的试产成功,2019-2020年,通威股份 (58.43, -0.62, -1.05%)爱康科技 (4.14, 0.09, 2.22%)等20余家企业宣布总计超52GW产能规划,部分企业启动GW级异质结产线。 2021年,异质结电池已建产能超5GW,量产平均效率超24%。截止目前,异质结电池产能规划规模已超190GW,降本路径清晰,有望进入下一发展阶段。从产能进程角度来看,钙钛矿太阳能电池目前仍处于试产筹备阶段。2020-2021年,协鑫光电、纤纳光电等头部企业已投产百兆瓦级钙钛矿中试线,2022年,宁德时代、仁烁光能等跟进启动中试线。目前钙钛矿参与企业少、规模小,与2018-2019年的异质结电池产业化进展较相似,至今间隔约3年实现规模量产,因此对标异质结电池的发展历史,叠加海内外光伏装机需求持续旺盛,或留给新技术更多的验证窗口,进入规模量产阶段仍可期待3年时间。
国内钙钛矿的技术储备丰富,产学研联动,逐步开启商业化探路
薄膜电池里面为什么看好钙钛矿?经济性高于其他薄膜电池,学术/产业界推动钙钛矿电池研究。以CIGS薄膜电池为例,2015年凯盛科技 (11.18, -0.84, -6.99%)在蚌埠投资100亿元建设1.5GW量产线,2017年杭州锦江集团斥资12亿元建设150MW量产线,均远高于纤纳光电对钙钛矿电池约11亿/GW的单位投资,同样砷化镓、碲化镉等薄膜电池成本也显著高于钙钛矿电池。钙钛矿的经济性优势,极大推动产业和科研院所布局,根据智慧芽专利数据库对 “钙钛矿+太阳能/光伏”的有效或审查中专利的检索,国内领先企业为纤纳光电,拥有100+个相关专利,协鑫、隆基、天合、通威等头部企业也纷纷抢占研发先机。领先科研院所为中科院体系内各研究所,专利个数高达240个,苏州大学、电子科技大学等院校在钙钛矿电池的实验室研究也走在前列。
钙钛矿-晶硅叠层电池为主要研发方向,HJT+钙钛矿叠层产业化前景可期。在智慧芽数据库约180篇钙钛矿叠层电池专利中,70%是钙钛矿叠晶硅电池,以研究不同结构、材料、制备方法提升电池效率、稳定性,便于工业化生产为主。而其中又有约1/3的专利为异质结钙钛矿叠层,其余部分由未限定晶硅电池类型和少量的PERC+TOPCon构成。HJT电池对短波段的光吸收较差,与钙钛矿叠层效率会有更大提升,且有天然的复合层,结构上更适合叠层电池。HJT+钙钛矿叠层产业化进度最快的为华晟新能源,已完成HJT+钙钛矿叠层中试线并实现M6大面积钙钛矿叠层制备,协鑫光电以及隆基、通威、爱旭、阿特斯等头部企业各自有相关专利布局,纤纳光电曾在2021年底与三峡科研院联合开发PERC+钙钛矿四端子叠层组件,效率达26.63%,但在HJT叠层上还未公布相关动作。
钙钛矿产业开启商业化探路,规划产能合计超27GW。尽管瑞士洛桑联邦理工学院EPFL、牛津光伏、日本松下集团等海外机构的研发成果领先,但国内钙钛矿的技术转化速度领先,且技术储备和资本等因素都具备的情况下,钙钛矿产业化可以迅速实现从0到1的飞跃。协鑫光电、纤纳光电和极电光能等头部厂商已接近或开启商业化探路阶段。
    1.
  • 协鑫光电:最早聚焦于钙钛矿的团队,腾讯创投和宁德时代参股,实现45*65cm尺寸17%的实验室效率,拥有43项授权和审查中的发明专利及35项实用新型专利, 100MW量产线22年投产。

    1.
  • 纤纳光电:与协鑫光电有着类似的发展路径,产业化进度最快,在2022年7月实现alpha组件量产并出货给地面光伏电站使用,实现了全球首款钙钛矿组件商业化应用,开启商业化探路。

    1.
  • 极电光能:背靠长城控股集团,预计年内完成150MW试制线,进度追平协鑫光电。

钙钛矿:需求预期?设备先行,展望百亿元设备市场
测算一、按照现有钙钛矿组件产能规划落地节奏进行测算: 2027年或合计达百亿元设备市场。
按照协鑫光电、纤纳光电、极电光能等11家公告有确切产能规划的厂商进行落地节奏测算,同时按照纤纳光电、极电光能、鑫磊半导等产线的平均单GW投资额为对标参照,估算单GW的钙钛矿设备投资额在8亿元左右,2022-2027年有望合计新增落地产能达到16GW,对应109亿元的钙钛矿设备市场。
测算二、按照钙钛矿组件占据分布式光伏市场份额的逻辑测算:2029年或合计达百亿元设备市场
光伏装机增量能见度较高,新技术或赢取验证窗口。据国家能源局数据显示,2022上半年国内的光伏新增装机30.88GW,同比+137.4%;光伏产品出口总额约259亿美元,同比+113%。同时受益于欧美、印度、巴西等海外市场的光伏需求持续上调,海内外装机给予国内光伏厂商较大的增量窗口,同时有望向新技术提供验证窗口。中期来看,“双碳”政策背景下,据国内各省/市/区的“十四五”能源规划目标,到2025年的光伏新增装机量达475GW以上(分布式+集中式 等)。在“十四五”庞大的光伏装机规划下,钙钛矿的产线投建有望获得产品验证机会,并取得一定份额。钙钛矿组件已送往工商业分布式钙钛矿电站、手机/平板电脑等分布式应用场景。(1)据钙钛矿光伏领军企业纤纳光电首批α组件的发货仪式,其首次发货的5000片将用于省内工商业分布式钙钛矿电站。(2)而大正微纳的柔性钙钛矿组件已获得国内一线手机厂的测试订单,且与国家能源集团签订试点项目并和镇江谏壁电厂签订合作协议。钙钛矿在分布式“光伏+”应用方面获得下游应用端的验证,符合钙钛矿组件的特定场景驱动需求。
假设分布式光伏的市场占比在55%以上。据国家能源局,2022年1-6月国内光伏新增30.88GW,其中分布式占比63%。相比2021全年的分布式光伏占比53%提升10个百分点,随着全国疫情防控逐步改善,下游集中式光伏装机节奏或步向正常化甚至加速,而分布式光伏频获政策支持推动,预估分布式光伏占比在55%以上的常态化水平。同时预计2030年钙钛矿组件能占据分布式市场的10%。
测算三:按下游“光伏+”分布式应用市场空间测算,2025年将迎来120+亿元钙钛矿设备市场
(1)钙钛矿组件优先聚焦BIPV和BAPV市场。需求端方面,钙钛矿组件的颜色可调、可柔性,适用在BIPV上;据2022年7月住建部发布《关于城乡建设领域碳达峰实施方案的通知》,到2025年新建公共机构建筑、新建厂房屋顶光伏覆盖率力争达到50%,BAPV将成为巨大的蓝海市场。供应端方面,纤纳光电已出货5000片钙钛矿组件用于工商业分布式光伏,极电光能计划建设全球首条GW级钙钛矿组件及BIPV产品生产线,BIPV工程相关公司杭萧钢构 (5.71, -0.34, -5.62%)计划2022年底投产异质结/钙钛矿叠层电池中试线。未来BIPV和BAPV市场的爆发是钙钛矿电池需求端的重要驱动因素。
(2)新能源车顶将是钙钛矿电池应用新方向,车企入局市场空间广。轻薄柔性的钙钛矿电池安装在汽车顶,利用太阳能为汽车电池补充电量。钙钛矿头部厂商极电光能即为长城控股投资设立;2022年6月韩国现代汽车集团与UNIST的研究团队共同开发新型钙钛矿太阳能电池,现代还曾推出搭载硅太阳能电池板的车顶,但在载重量和效率没有改善的情况下,其应用进展缓慢,相比之下钙钛矿更轻薄,需要攻克的是效率和寿命问题;宁德时代为许多新能源汽车的锂电池供应商,2022年5月参与协鑫光电B轮融资,且正在搭建自己的钙钛矿中试线。据中国汽车工业协会,2021年我国新能源 (6.44, 0.59, 10.09%)汽车销量352.1万辆,同比增长157.6%,这个万亿市场未来仍有倍数级增长空间,若能证明钙钛矿电池用于汽车顶的实用性,将会大大催化钙钛矿产业化加速。
假设:
    1.
  1. 房屋竣工面积每年保持稳定,增长率在-2%-2%之间;

    2.
  1. 房屋分为住宅和工商业及其他建筑,假设二者比例保持为2021年的66%和34%。(光伏可应用部分分为住宅屋顶、工商业及其他建筑屋顶、工商业及其他建筑外墙;)

    3.
  1. 假设屋顶面积 = 竣工面积/建筑层数,设定住宅平均层数为6,工商业及其他建筑平均层数为2;

    4.
  1. 假设建筑外墙 + 窗户的面积 = 工商业及其他建筑竣工面积 * 40%

    5.
  1. 按照住建部等对于光伏屋顶的激励政策,假设住宅屋顶光伏建筑覆盖率从1%逐渐增长到2030年的50%,工商业及其他建筑屋顶光伏建筑覆盖率从5%逐渐增长到2030年的80%,工商业及其他建筑外墙光伏建筑覆盖率从1%逐渐增长到2030年的10%;

    6.
  1. 设定每平米装机规模约200W;

    7.
  1. 2022-2030全球新能源汽车增长率从50%逐渐下降到15%;

    8.
  1. 2022-2030光伏车顶覆盖率从0.1%增长到20%;

    9.
  1. 平均每辆新能源汽车车顶可装机面积为1平米200W;

    10.
  1. 目前钙钛矿产线投资额约10亿元/GW,假设设备投资占比80%,随着量产成熟下降至5亿元。

风险提示
行业竞争格局加剧。钙钛矿产业处于创新萌芽期,工艺、材料、设备尚未定型,每个环节有多个厂商进行竞争,均围绕“降本增效”持续改进工艺、技术升级,行业竞争格局或因工艺/ 技术突破而迅速重构,需密切关注光伏技术迭代驱动的经营情况变动。同时下游光伏需求高企,吸引更多的新入局者,亦带来更多的验证窗口。
设备验证进展不及预期。当前国产钙钛矿设备商出机以产线验证阶段为主,仍与进口设备的性能有一定距离,而验证进度与下游产线的建设进度密切相关,若设备验证不及预期,将对公司业务布局及前期投入的回报周期产生重大影响。
国际地缘政治摩擦导致组件出口波动。全球政治局势动荡,尽管目前欧盟、亚太、巴西等地区的光 伏装机意愿高涨,而中国作为组件出口大国,容易遭受国际地缘政治摩擦使得出口量下滑,进而影响下游组件商的产能利用率、扩产进度放缓,抑制光伏设备端需求。
原材料价格上涨抑制设备商的盈利能力。在全球高通 (141.310, 0.590, 0.42%)胀、供应链不稳定的经济环境下,原材料价格高企并在产业链内持续往下游传导,容易造成下游成本过高、生产意愿不足等。光伏设备作为光伏产业链的中游领域,成本上涨、下游生产意愿不足均影响设备商的经营情况及盈利能力。


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