钙钛矿电池——光伏的下一代想象力

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文 | 天风天睿投资

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1. 钙钛矿太阳能电池（简称“钙钛矿电池”）与晶硅电池相比具有更高的效率和更低的成本，这是其受到光伏行业热捧的主要原因。由于钙钛矿电池仍处于商业化落地的初步阶段，目前的行业焦点为量产效率指标，待实现GW级量产后则将进入成本竞争时期。
2. 投资者可重点关注影响钙钛矿电池实现大规模量产的技术难题，即长期稳定性与大面积制备。只有通过技术进一步提高其稳定性并使用更精密的工艺和设备扩大制备面积，钙钛矿电池才能够真正走入产能大爆发阶段。除电池技术外，还需重视钙钛矿电池生产设备，包括狭缝涂布设备在内的镀膜设备有较大发展空间。
3. 钙钛矿电池潜在应用市场空间广阔，除光伏电站外，在光伏建筑一体化（BIPV）这一细分赛道中，钙钛矿电池因其轻薄、柔性和可定制的特性，能够发挥区别于晶硅电池的独特优势。

光伏行业仍存有较大发展空间

光伏行业是我国长期重点发展的战略新兴产业，并已达到国际领先水平。我国光伏行业受欧洲市场需求拉动起步，十几年来实现了从无到有、从有到强的跨越式发展。

根据国际可再生能源署（IRENA，International Renewable Energy Agency）数据，全球新增装机量从2008年的6.27GW增长到2022年约230GW，14年间增长了超36倍。根据PV Magazine（全球领先的太阳能和储能产业杂志）的数据，截至2022年3月底，光伏行业正式进入太瓦级“T”时代；据IRENA预测，全球2030年光伏累计装机量可达到2840GW，相较2022年的942GW，光伏行业仍存两倍以上增长空间。

全球光伏市场的潜在需求将持续推动中国光伏产业蓬勃发展。近年来，我国光伏新增装机量长期居于全球首位。根据中国光伏行业协会及中商产业研究院的数据，2022年我国光伏新增装机规模达87.41GW，同比增长60.3%，预计2023年将达105GW。

图1 2019-2023年中国光伏新增装机总量  数据来源：中国光伏行业协会、中商产业研究院，天风天睿制图

纵观光伏行业技术迭代的历史，降本增效是行业持续发展的核心。从技术角度来看，当下主流PERC电池量产效率已突破24％，而其理论极限效率仅为24.5％，未来效率提升空间有限，且提升难度较大。随着主流技术PERC电池效率逐步接近天花板，在光伏企业追求更高转换效率的需求驱动下，N型电池HJT、TOPCon、IBC技术发展正如火如荼。 

图2 不同技术类型的光伏电池原理  资料来源：江苏微导纳米科技股份有限公司招股说明书（注册稿），天风天睿制图

在我国双碳目标指引和双碳政策推动下，钙钛矿电池作为光伏领域潜在的下一代新势力，以远高于晶硅的理论转换效率与相对较低的成本等优势逐渐吸引大量资本涌入，赢得众多市场期待。

本文秉持价值投资视角，探讨在资本助力下加速钙钛矿电池产业化的技术路径，以及在当下钙钛矿电池企业如雨后春笋般出现之际，选择高成长性企业需要重点关注的指标。

钙钛矿满足光伏行业降本增效的发展要求

光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。其中p-n结是太阳能电池的核心——钙钛矿层吸收光子产生电子空穴对，通过p-n结形成内建电场，产生电动势。太阳光入射到钙钛矿太阳能电池后，空穴和电子被注入到空穴传输层和电子传输层中，分别被对电极和透明电极收集，最终经外电路形成电流，完成发电循环。[1]

图3 钙钛矿太阳能电池的构造与运行示意图  图源：材料界面研究中心《【趣味科普】第二十三期：钙钛矿太阳能电池–高效率低成本，上天入地可弯可直》

钙钛矿电池是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体（ABX3）作为吸光材料的太阳能电池，属于第三代太阳能电池。 

图4 钙钛矿（ABX3）晶体结构  图源：天风证券研究报告《叠层钙钛矿电池：单结为矛，叠层为盾，下一代电池片技术或开始逐渐演绎！》

[注]钙钛矿（ABX3）结构：A位为大半径的阳离子，一般由有机无机杂化构成，常见构成为甲氨或甲醚有机分子；B位离子为小半径的阳离子，常用由铅组成；X位为卤素阴离子。ABX通过化学配位键进行连接，组成八面体结构。

钙钛矿电池在光伏领域极具发展潜力的主要原因有二，一是它具有显著的光电转换效率，二是其原材料价格低且制备工艺简单,可有效降低度电成本。

• 一方面，从效率提升来看

钙钛矿电池凭借材料天然属性的优势，能够有效避免硅基太阳能电池中载流子复合率高、寿命短等问题，从而实现较高的光电转换效率。

钙钛矿属于直接带隙半导体，具有较长的载流子扩散长度、激子结合能小等特点，有较高的吸收系数。同时，由于钙钛矿材料的禁带宽度连续可控，能够进一步调整电池吸收光子的能量范围。

从效率提升的历史来看，钙钛矿电池经历了飞速的发展，转换效率从最初的3.8％，跃升至如今实验室单结转换效率26.1%，仅用10年时间就走完晶硅电池半个世纪发展之路；并且，单结钙钛矿电池的理论转换效率可达33%，亦远超晶硅电池的理论极限29.4%。另外，钙钛矿电池与HJT、TOPCon等晶硅电池有良好的匹配度，能够实现吸收光谱互补，可制造理论效率高达43%的叠层电池。

• 另一方面，从成本降低来看

钙钛矿电池的工艺与传统晶硅电池相比更为简单，叠加原材料、设备和制备相对较低的成本优势，可以有效降低度电成本。

相比高昂的硅料价格，钙钛矿价格低廉。虽然硅料价格有所下降，钙钛矿依旧有相当大的成本优势。钙钛矿组件投资成本较晶硅更低，GW级产线达产后成本可降至0.5-0.6元/W。按照当前1GW产能对应3000吨硅料来测算，假设硅料价格降至80元/千克，那么1GW产能晶硅电池对应的生产成本约为2.4亿元，合计总成本约9亿元；对比来看，钙钛矿电池GW级量产后成本仅为3-5亿元，显著的成本优势与极高的性价比将驱动钙钛矿电池的商业化进一步加速落地。

图5 钙钛矿电池与晶硅电池的成本测算  资料来源：协鑫光电公开信息，天风天睿制图

降本、增效是推动我国光伏行业持续迭代升级的两个核心因素，在现有太阳能电池技术中，钙钛矿电池天然兼具效率提升和成本降低的优势。钙钛矿电池的技术仍在不断完善中，企业生产效率的提升是当前市场关注的焦点。预计在未来2-3年实现大规模量产后，钙钛矿电池的核心议题将转变为进一步扩大其成本降低所产生的优势。

钙钛矿电池商业化落地面临两大技术难点

目前，钙钛矿电池的量产进度处于发展初期，进一步推动产业化落地将面临两大主要技术难点——长期稳定性与大面积制备。这两个核心要素也是投资者筛选如雨后春笋般萌生的新型钙钛矿企业时的重要指标。

• 长期稳定性

太阳能电池的稳定性问题表现在，在长期光照加热条件下电池结构极易被破坏，因而导致电池短命。晶硅电池的寿命一般在25年左右，钙钛矿型太阳能电池在初期仅能维持几分钟，经过快速发展，目前头部企业可实现在双85条件下（环境设定为温度85℃、湿度85%的条件下，对试验体进行老化测试），工作性能保持3000小时不衰减。

钙钛矿电池的稳定性问题可以通过以下三个技术路线来解决：

1：钙钛矿层材料替换、组合

钙钛矿具有可调节的优势，可以通过调控不同元素的掺杂比例，获得不同带隙的钙钛矿材料，从而实现更高的转换效率。目前行业普遍使用的是A位离子采用FA（甲脒），B位离子采用Pb(铅）以及卤素位采用I（碘盐）的组合。该种组合实现了当前钙钛矿电池的最高效率，也是目前最具商业化前景的组合。

2：改变钙钛矿器件结构

将钙钛矿器件结构从3D转为2D结构。这种解决方式在最近几年的实验室测试中有不俗表现。美国普林斯顿大学开发出了第一个具有商业可行性的2D钙钛矿太阳能电池，该团队预计其设备可在超过行业标准的情况下运行约30年，如果可以实现量产，则钙钛矿电池的稳定性问题有望得到根本性解决。[2]

近期，中国科学院宁波材料所通过新型二维钙钛矿材料设计的手段，大幅度提高了钙钛矿光伏器件的效率和稳定性，组件经历1000次循环弯折实验后仍可保持原有能量转化效率的85%以上。

3：组件内部各层之间做阻隔

钙钛矿电池稳定性的主要问题在于组件内部每个膜层之间的相互作用。目前大部分组件使用的背电极材料为金属，金属材料一旦扩散到钙钛矿层，就会和钙钛矿发生反应，从而导致组件失效。针对这一问题有两个解决方案，一是在功能层之间做阻隔，二是使用金属氧化物，提高导电性。

• 大面积制备

从实验室走向产业化的大面积制备问题主要表现在，量产过程中，如果电池片面积太小，其拼接就会导致效率损耗较大、良率低从而限制效率提升。该问题的主要解决办法集中在提升工艺水平上。

目前得到的高光电转换率数据大多来自实验室数据，而实验室所使用的是面积为1平方厘米左右的电池片，想要进一步提升钙钛矿电池组件的面积，就需要在钙钛矿层工艺角度下功夫。

以当前的工艺水平，狭缝涂布工艺的效率是最高的。钙钛矿膜层大小取决于涂布刀头的宽度，因此涂布技术的完善在很大程度上提升了大面积量产的可能性。并且，狭缝涂布设备市场相对其他涂布市场较为成熟，制备出的钙钛矿太阳能电池效率较高。其他技术如刮刀涂布法、喷墨打印法，均存在一些难以克服的缺陷，如均一性或良率较差等问题。因此，同其他技术相比，狭缝涂布可谓是最有前途的工艺之一。

图6 钙钛矿层大面积制备各工艺对比  图源：《大面积钙钛矿薄膜制备技术的研究进展》[3]

除电池技术外，钙钛矿设备也是倍受关注的高潜力细分赛道。在狭缝涂布设备领域，已有国内企业走在发展前列，技术指标与全球同类企业产品相当。2022年，某头部设备供应企业100MW产线大尺寸电子级狭缝涂布设备市场的占有率已经达到70%以上。

钙钛矿的现有产能尚不足以支撑市场需求，产业内的头部企业仍处于GW级产线调试和探索阶段，尚未达到量产要求。我国部分代表性钙钛矿电池研发生产企业（以A、B、C、D代称）产业化进程如下：

A：已建设出全球首条百兆瓦级产线，GW级产线建设中。钙钛矿小组件获得21.8%稳态效率认证，其中α组件已顺利通过IEC61215、IEC61730稳定性全体系认证，预计可用25年。其生产的钙钛矿组件已初步应用在电站和BIPV场景，是目前行业内发展较快的企业。

B：主攻大尺寸（1mx2m）商用钙钛矿电池组件，100MW量产线已于2022年年底建成，组件效率已达16%，预计在2023年达到18%。150WM产线正在建设中，拟于2024年开工建设GW级产线。

C：809.8cm²大尺寸钙钛矿光伏组件转换效率已达19.9%。150MW钙钛矿光伏生产线于2022年底正式投产运行，该产线主要生产钙钛矿BIPV产品和钙钛矿标准光伏组件产品，达产后年产值预计可达3亿元。计划建设1GW钙钛矿光伏生产线及100吨钙钛矿量子点生产线，以上生产线拟于2024年三季度投产。

D：计划于2023年第三季度完成150MW产线建设，于2023年年内实现1.2mx0.6m尺寸投产，2024年规划进入GW级产线建设阶段。

目前，钙钛矿产业内的多数企业正在积极融资，以推动其产线的建设落地。在投资机构的助力下，钙钛矿GW级产线建成或将耗时至少2-3年，头部企业自2025年起有望进入产量高速增长阶段。

钙钛矿在光伏建筑一体化中应用前景广阔

在Rethink Energy（专注于能源产业的国际研究机构） 2021年发布的报告中显示，受产能限制，2025年钙钛矿电池的市场份额将缓慢上升至7%。凭借其高效率、低成本的优势，到2030年钙钛矿电池装机量或将达到116.9GW，超过当年光伏新增装机量市场份额的29%。

在关键技术问题取得突破后，钙钛矿电池凭借其高转化率和低成本优势，以及其轻薄、透光性强、柔性好和安全稳定性高的特性，除光伏电站外，未来有望适用于光伏建筑一体化（即BIPV，Building Integrated Photovoltaic）、电子消费产品、传感器等多种应用场景。钙钛矿及其叠层太阳能电池有可能替代和补充晶硅产品，获得可观的市场份额。

据天风证券研究报告《钙钛矿电池2:电池及设备市场空间几何? 》预测，2026年，BIPV将使用钙钛矿电池约15GW，对应市场规模约409亿元。在当前阶段，钙钛矿电池应用在BIPV光伏幕墙更具市场竞争力，具体应用场景以建筑物墙体、车顶、公共场馆屋顶为主，头部钙钛矿电池企业已蓄势待发。

随着晶硅电池不断接近其效率天花板，全球市场对于新材料、新技术的需求也在不断提高，叠加全球绿色经济不断发展成熟的趋势，价优、高效且易于生产的新型光伏电池——钙钛矿太阳能电池逐渐走向市场，彰显了巨大的技术创新潜力。在科学家和创业者们解决长期稳定性和大面积制备两大技术问题后，钙钛矿电池将迎来更广阔的应用空间。

当然，钙钛矿电池发展如火如荼的同时，也面临着在组件稳定性不佳、材料配方尚不成熟、制备工艺路线未定等方面的质疑。对此，我们认为——

真正的技术创新要求投资者秉持开放的态度和专业的判断，积极拥抱未来的可能性。

期待钙钛矿电池产业中的创新型企业能够继续深耕、蓬勃发展，早日探索出成熟的技术路径，揭开新能源领域的新篇章。

本文引用：

• [1]高玉平, 王瑞, 刘永胜. 基于芳香族配体的二维钙钛矿太阳能电池研究进展[J]. 发光学报, 2023, 44(3): 449. 
• [2]赵晓明等. 全无机、界面稳定的钙钛矿太阳能电池加速老化[J]. Science, 2022, 377(6603): 307-310.
• [3]杨志春, 吴狄, 剡晓波, 蒋昭毅, 刘宗豪, 陈炜. 大面积钙钛矿薄膜制备技术的研究进展[J]. 材料导报, 2021, 35(1): 1046-1057.

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