钙钛矿2023年行业分析报告

钙钛矿:降本潜力较大，产业化雏形已现

本期内容提要:

2023 年 5 月 31 日

武浩 电新行业首席分析师 执业编号:S1500520090001 联系电话:010-83326711 邮箱:wuhao@cindasc.com

黄楷 电新行业分析师 执业编号:S1500522080001 邮箱:huangkai@cindasc.com

[Table_Summary 钙钛矿电池具有高理论转换效率和材料、制造成本低廉的优势。钙钛矿本

指化学式为 CaTiO3 的矿物质以及拥有 CaTiO3 结构的金属氧化物，现指 结构式为 ABX3 形式且具有与 CaTiO3 相似晶体结构的材料。钙钛矿单结 电池理论极限效率为 31%，且仅用十余年时间就将实验室转换效率从 3.8%提升至 25.8%，加入叠层技术后理论极限转换效率将进一步提升至 45%。另一方面晶硅组件全产业链的投资成本约为 9.6 亿元/GW，而钙钛 矿组件的产能投资约为 5 亿元/GW，仅为晶硅组件的一半左右，高理论转 换效率与低廉成本潜力使钙钛矿电池有望成为光伏产业化技术进步的新方 向。

钙钛矿电池产业化进程如火如荼，领先企业已获大量资本青睐。“十四 五”开局之年 2021 年，开展钙钛矿等先进高效电池技术应用就已经写在 了可再生能源规划中，在后续政策中也不断提及，持续促进产业发展进 步。领先企业如协鑫光电、极电光能、纤纳光电等已获数轮亿元以上投 资，领头机构包括腾讯创投、IDG、淡马锡投资等知名资本机构。行业内 多支百兆瓦级产线预计将于今年落地，明年有望迎来多个 GW 级产线投 产。

钙钛矿组件用一站式生产流程，需全新的工艺流程和产线设备。不同于晶 硅技术路线的硅料-硅片-电池-组件的较长产业链制造流程，钙钛矿电池从 最基础的原材料到最终组件出厂全生产过程均在组件厂完成，精简的生产 过程可以使钙钛矿组件生产时间大幅减少，头部企业的钙钛矿产品从原料 进入到组件成型的全过程时间约在 45 分钟，而从传统晶硅电池从硅料到组 件约需 3 天以上时间。钙钛矿生产所需设备主要分为镀膜设备、涂布设 备、激光设备与封装设备。目前钙钛矿设备发展较快，各工艺环节均有国 内公司布局，且领先企业已经拥有整线设备的生产能力。

投资建议:钙钛矿产业化有望快速从 0 向 1 迈进，建议关注相关领先公 司:协鑫光电(未上市)、极电光能(未上市)、纤纳光电(未上市)、 捷佳伟创、京山轻机、大族激光等。

风险提示:钙钛矿电池效率进步不及预期;光伏需求不及预期;钙钛矿产 品稳定性不及预期。

核心要点:

钙钛矿电池具有高理论转换效率和较大降本潜力空间，有望成为光伏产业又一重大技术变 革方向，目前正处在从实验室迈入产业化阶段的关键发展时期，相关钙钛矿电池领先企业 及关键设备供应商有望迎来快速发展期。钙钛矿电池行业发展仅有 10 余年时间，近几年实 验室转换效率快速提升、量产工艺不断成熟，产业出现了多条百兆瓦级产线规划，领先企 业获取融资较顺畅，多条 GW 级产线有望在明年落地;并且在材料成本、制造成本上钙钛 矿较晶硅有较大降本潜力优势，头部企业的钙钛矿组件从最基础的原材料开始到最终组件 出厂全生产全过程时间只需 45 分钟左右。钙钛矿产业化有望快速从 0 向 1 迈进，建议关注 相关领先钙钛矿组件、设备企业的投资机会。

一、钙钛矿电池材料成本低廉，生产流程较短

1.1 钙钛矿材料体系、电池结构概述

钙钛矿本指化学式为 CaTiO3 的矿物质以及拥有 CaTiO3 结构的金属氧化物，现指结构式 为 ABX3 形式且具有与 CaTiO3 相似晶体结构的材料。1839 年，俄罗斯地质学家 L.Perovskite 在乌拉尔山脉发现了钙钛矿这种矿石，而后就以他的名字来命名这种矿物。1 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。

钙钛矿一般采用 ABX3 八面体结构 。 光伏用的钙钛矿材料中，A 位一般选择择甲胺 (CH3NH3+，MA+)、甲脒(NH2-HC=NH2+，FA+)和 铯(Cs+)等一价阳离子;B 位 一般选择铅(Pb2+)、锡(Sn2+)等二价阳离子，X 位可选择碘(I-)、氯(Cl-)和溴 (Br-)等卤素阴离子。

钙钛矿光伏电池的发电原理是光生伏特效应。其物理过程为:钙钛矿吸光层吸收光子之后， 入射光将电子从价带跃迁到导带，形成电子-空穴对，然后电子-空穴对在吸光层内部迅速分 开，接着电子通过电子传输层输送到阳极，空穴通过空穴传输层输送到阴极,随着电子和空 穴不断在阳极和阴极的堆积,两级之间产生了光生电动势2。若此时装置与外部电路相连，便 有光电流输出。

常见的单结钙钛矿电池由透明电极、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层与金属电极 构成。单结钙钛矿电池根据电荷传输层的形貌结构，可分为介孔结构和平面结构两种类型， 介孔能够扩大 TCO 与钙钛矿的接触面积，有利于电荷提取，提升高转换效率，但制造介孔 需要 450 °C以上的高温加工，且会由于紫外光引起的表面吸附氧的解吸而导致电池不稳定。 若根据电荷传输层类型分类，平面钙钛矿太阳能电池结构又可以分为正式结构(n-i-p)和倒置 结构(p-i-n)两种类型，其中 n 代表电子传输层(ETL)，i 代表钙钛矿吸光层，p 代表空穴 传输层(HTL)。下图展示了各种不同类型的钙钛矿电池结构示意图。

电子传输层(ETL):电子传输层用于接收由钙钛矿层传输的电子，并将其传输到电极 中，同时防止空穴的传输。电子传输层必须满足与钙钛矿层良好接触，使得电子在传 输过程中的潜在势垒降低，并且在完成电子传输的同时阻止空穴向阴极传输，这对提 高电池的光电转换效率具有重要作用。ETL 必须满足与钙钛矿层能带匹配，目前 ETL 常用的材料有两大类:1)金属氧化物:通常包括 TiO2、SnO2、ZnO 以及一些掺杂的 氧化物，主要用于 n -i-p 结构。2)有机材料:通常是富勒烯及其衍生物例如 PCBM 和 C60 等,主要用于 p - i - n 结构。

 空穴传输层(HTL): 用于接收由钙钛矿层传输的空穴，并将其传输到电极中，同时

防止电子的传输。HTL 需要与钙钛矿层有良好的异质结接触界面，减少空穴传输过程 中的潜在势垒，完成空穴传输的同时阻止电子向阳极移动，对提高太阳能电池的光电 转换效率具有重要作用。一般常用材料包括有机小分子、有机聚合物以及无机材料。 用在 p-i-n 结构中的 HTL 主要是有机聚合物 PTAA、PEDOT:PSS;用在 n-i-p 结构中的 HTL 主要是有机小分子和无机物材料:Spiro-OMeTAD、NiO、CuSCN、CuO、CuI、 P3HT 等1。

 钙钛矿吸光层:电池的核心层。用于吸收光能生成电子-空穴对，一般采用 ABX3 八面 体结构。

 透明电极:透明电极一般选用商业化的 ITO 或者 FTO 氧化物导电玻璃。其在可见光波 段的透光率高达 80-90%、导电能力强、功函数合适，这些优异的特性使得透明电极在 在保证透过率的同时还拥有出色的电荷横纵向传输能力，有利于电荷收集。

 金属电极:选择导电性良好的金属或具有金属性质的导电物，如金、银、铜、碳等， 通过热蒸发沉积的方式制成。

1.2 钙钛矿电池实验室效率进步迅速

2009 年, 日本人 Kojima 等人首次将有机、无机杂化的钙钛矿材料应用到量子点敏化太阳 电池中。制备出了第一块钙钛矿太阳电池，并实现了 3.8% 的效率。但是这种钙钛矿材料在 液态电解质中很容易溶解，该电池仅仅存在了几分钟。随后，Park 等人在 2011 年将 MAPbI3 纳米晶粒改为 2—3 nm, 效率提高到 6.5%。但是由于仍然采用液态电解质, 仅仅经 过 10 分钟后电池效率就衰减了 80%。2

为解决钙钛矿太阳电池的稳定性问题, 2012 年 Kim 等人将一种固态的空穴传输材料(spiro- OMeTAD)引入到钙钛矿太阳电池中, 制备出第一块全固态钙钛矿太阳电池, 电池效率达到 9.7%，即使未经封装, 电池在经过 500 h 后, 效率衰减依旧很小。通过对钙钛矿组分以及制 备方法的优化和改进、传输层的改良与修饰、钙钛矿与传输层之间界面的钝化，使得光电 转换效率不断突破，自此以后，钙钛矿太阳能电池进入迅猛发展阶段:

2013 年，Michael Gratzel 等人采用两步旋涂法获得多晶薄膜 MAPbl3，并且使得钙钛矿电 池的效率提高到 15 %;

2014 年，加州大学洛杉矶分校 Yang Yang 等人使用溶液沉积法获得多晶薄膜电池获得了光 电转换效率为 19.3%的平面结构电池;

2016 年，瑞士洛桑联邦理工学院 Anders Hagfeldt 等人通过一步旋涂法制备的多晶薄膜电 池光电转换效率达到 20.8%;

2021 年，Sang ll Seok 等人通过一步旋涂法制备了多晶薄膜 FAPbl3，并且在吸光层和电子 传输层之间形成相干界面降低缺陷，获得了 25.5%的光电转换效率。

2022 年 12 月，根据 NREL，目前单结钙钛矿电池世界记录由韩国蔚山科学技术院 (UNIST)保持，光电转换效率达到 25.8%。

1.3 钙钛矿优势:理论转换效率高，材料、制造成本低廉

钙钛矿电池的研究起步较晚，但其转换效率进步速度远快于晶硅电池。钙钛矿电池仅用十

钙钛矿电池突飞猛进的发展得益于其优秀的光电性质。对比晶硅材料，钙钛矿材料具有更 高的光吸收系数。较高的光捕获效率使钙钛矿厚度仅为百纳米时可就实现对光的全吸收; 另一方面，对于几乎没有晶界的钙钛矿单晶材料，电子和空穴的扩散长度大于百微米，其 扩散长度远远大于钙钛矿材料对光子的吸收深度，有利于自由电子和空穴的输运，可被阴 阳电极完全收集，进而实现高效的光电转化效率。

钙钛矿电池拥有更高的理论转换效率，未来发展空间更大。追求持续的降本增效一直是光 伏行业发展的主旋律，目前晶硅电池越来越接近 29.4%的理论极限，发展潜力有限;而钙 钛矿电池拥有更高的 31%理论转换效率上限，且可与其他电池进行双节、三节叠层，分别 达到 35%和 45%的转换效率。

叠层电池。例如由 MAPbI(3-x)Br(x)构成的钙钛矿材料可随 x 的变化可实现带隙 1. 5 ~ 2. 3 eV 连续可调。根据调整 ABX3 中个各元素的配比，可以得到需要的所需要的带隙 并与其他电池结合组成转换效率更高的叠层电池1。

叠层电池通过将宽带隙电池与窄带隙电池串联,能更加合理地利用全光谱范围内的光子,减少 能量损失。硅电池带隙为 1.1 eV，非常适合作叠层电池底电池，通过理论计算，再与一种 带隙 1.7 eV 的顶电池相结合，可以实现效率超过 30%的叠层电池。而钙钛矿电池具有优 秀的材料性质，是制造顶电池的最佳候选材料之一2。

钙钛矿/晶硅叠层电池结构主要有四种，如下图所示，分别为(a)机械堆叠的四端叠层电池、 (b)光谱分离的四端叠层电池、(c)反射结构的四端叠层电池、(d)两端叠层电池。

图 10:钙钛矿/晶硅叠层电池

其中工艺开发最简单的是机械堆叠的四端结构(a)，将两个子电池独立制备后堆叠在一起， 相互之间只有光学耦合作用。这个结构的优点是各个子电池的制备工艺不互相制约，能各 自采用最优的工艺条件。但是四端叠层电池对电极有较高的要求，要求四个电极中其中三 个为透明电极，进光面电极需要具备在宽光谱范围内的高透过，中间两个电极需要具备在 红外光谱范围内的高透过。

两端引出的钙钛矿/晶硅叠层电池也被广泛研究(d)。这种结构是在晶硅电池上直接生长钙 钛矿电池，中间通过复合层或隧道结将两个子电池串联起来。与四端叠层电池相比，两端 叠层电池仅需要一个宽光谱透明电极，有利于降低制造成本。但该结构的限制在于 1)要求 两个子电池具有近似的电流，这个电流匹配要求将顶电池理想带隙限制在 1.7-1.8 eV 的狭 窄范围内;2)要求顶电池功能层的制备不能影响底电池的性能，同时底电池表面成为顶电 池的衬底，传统绒面结构的晶硅底电池为制备高性能钙钛矿电池带来了挑战1。

叠层电池近年来实验室效率进步明显，最高效率已达 32.5%。在两端叠层电池方面，2015 年， Mailoa 和 Bailie 采用银纳米线作为钙钛矿电池的透明电极，结合 n++/p++硅薄膜隧道 结，制备出第一个效率为 13.7%的两端叠层电池;2018 年牛津光伏的钙钛矿/硅基电池效 率突破 28%;2020 年德国柏林亥姆霍兹中心(HZB)打破其记录达到 29.15%;在 2022 年 12 月 18 日，HZB 又刷新自己的记录将最高转换效率提升至 32.5%，该记录已获得美国 能源部国家可再生能源实验室(NREL)的权威认证。

图 11:叠层与单结效率图(红色线为钙钛矿/晶硅叠层电池，截至 2020 年)

钙钛矿电池制备过程与晶硅电池有较大差异。 不同于晶硅电池组件的硅料-硅片-电池-组件 的长产业链流程，钙钛矿电池从最基础的原材料开始到最终组件出厂全生产过程均在组件 厂完成，特点为高度的一体化生产。精简的生产过程可以使钙钛矿组件生产时间大大减少， 根据能镜公众号报道，协鑫光电等头部公司其产品从玻璃、胶膜、靶材、化工原料进入到 组件成型的全过程时间可控制在 45 分钟之内，而从传统晶硅电池从硅料到组件整个过程约 需要 3 天以上时间。

钙钛矿组件的 GW 级别产能投资仅约为晶硅组件的一半。根据协鑫光电测算，晶硅组件全 产业链的投资成本约为 9.6 亿元/GW，而钙钛矿组件的产能投资约为 5 亿元/GW，仅为晶 硅组件的一半左右。其主要原因有:

1)钙钛矿材料成本低廉，且对材料纯度要求低。钙钛矿材料构成元素均为常见元素，成本 相比硅材料低廉，且材料对杂质不敏感，通常只需要 95%的纯度即可满足使用需求，而硅 料纯度需达到 99.9999%或 99.99999%。

2)产业链更短，所需设备更少，投资成本与能耗更低。晶硅电池的硅料-硅片-电池-组件的 长产业链流程所需设备更多，硅料、硅片的制备也需要高温环境，能耗更高。每 1 瓦晶硅 组件制造的能耗约为 1.52 kWh，而钙钛矿组件的能耗为 0.12 kWh，单瓦能耗约为晶硅组 件的 1/10。

1.4 目前大面积钙钛矿电池稳定性仍有挑战

在钙钛矿大规模产业化的过程中，仍然有许多问题需要解决:

1)稳定性问题。由于钙钛矿材料不稳定，湿、热、光均会引起钙钛矿材料降解，虽然目前 已能够采取部分措施提升稳定性，例如准二维 PSCs、全无机 PSCs、采用无机电荷传输层 等,但都会以牺牲电池效率为代价，尚需进一步发展。

2)大面积制备问题。虽然目前钙钛矿电池的实验室效率成绩瞩目，但均是在小面积(1 平方 厘米以下)下实现，一旦大面积制备则难以控制其钙钛矿薄膜均匀性，导致光电转换效率和 稳定性都会出现明显下降。这其中的难点在于晶体的结晶质量，让溶液层挥发成均匀结晶 层仍具有挑战性。

目前业界多采用添加剂来解决相关问题:南京工业大学秦天石教授团队设计合成了一种多 功能氟取代分子作为添加剂来诱导钙钛矿薄膜形成更加有序的结晶;香港城市大学的科研 团队通过在钙钛矿前驱体溶液中添加 4-胍基苯甲酸盐酸盐，使之能形成一个氢键桥接的中 间相并调节结晶过程，从而形成高质量的钙钛矿薄膜，形成具有大颗粒、从底部到表面呈 现连贯晶粒生长的钙钛矿薄膜。

3)材料含铅。目前铅元素是钙钛矿电池不可或缺的组成部分，但由于含铅材料对环境的不 友好性，必然会限制钙钛矿实际应用的方向。目前有部分研究采用锡元素替代铅元素，但 二价锡容易被氧化成四价锡，会导致电池性能下降。要完全实现无铅化依然是钙钛矿电池 领域一件充满挑战的难题。1

4)实验室高效电荷传输层、金属电极原材料昂贵。为追求效率，实验室大多采用金、银等 贵金属作为电极，电荷传输层采用 spiro-OMeTAD、PEDOT : PSS、PCBM 等昂贵材料， 难以大规模用于工业化生产中。因此仍需开发成本低、适合大规模制备、能保障电池效率 的功能层材料。

二、钙钛矿电池产业化发展加速

2.1 国家政策支持钙钛矿电池发展

钙钛矿电池是具有高转换效率的清洁能源，符合我国碳达峰、碳中和的绿色发展要求，受 到政策大力支持。在“十四五”开局之年 2021 年，开展钙钛矿等先进高效电池技术应用就 已经写在了可再生能源规划中，在后续政策中也不断提及，持续促进产业发展进步。

2.2 钙钛矿企业备受资本市场关注

2.2.1 钙钛矿产业融资情况

钙钛矿具备高转换效率、低成本、应用场景多元的优势，在技术不断发展过程中也受到了 资本市场的不断加码。近年来钙钛矿产业进展迅速，相关钙钛矿企业开始越来越多受到资 本市场的青睐，资本市场巨头如 IDG、腾讯、红衫等也加入了产业投资行列中。

2.2.2 钙钛矿电池企业介绍

协鑫光电:三位创始人毕业于清华大学化学系，创始人范斌师从钙钛矿结构电池发明者迈 克尔·格拉策尔。团队采用涂布技术，生产 1 m × 2 m 尺寸的大尺寸组件。协鑫光电于 2020 年开始建设首条 100 MW 钙钛矿组件量产线，2021 年 12 月开始试生产，2022 年中 实现产能释放，2023 年产线组件的目标转换效率为 18%，2024 年有望逐渐建成 GW 级产 线。

极电光能:公司以球钙钛矿领域知名科学家、国际知名院士 Mohammad Khaja Nazeeruddin 教授为公司首席科学家，汇集国内外行业领军人才、资深专家、专业研发人 员，研发团队硕博占比达 55%以上，拥有核心专利 200 余项，其中发明专利占 80%以上。

公司聚焦于 BIPV 市场，截至目前 2022 年底，公司建成了全球规模最大、智能化程度最高 的 150MW 钙钛矿光伏生产线，组件尺寸为 1.2mx0.6m。目前，极电光能 150MW 钙钛矿 生产线处在工艺调试和小批量出货阶段，公司预计今年上半年将陆续完成部分示范项目的 交付，年底实现满产。公司也将在年内启动 GW 级量产线的建设，预计 2024 年三季度投 产。

纤纳光电:公司两位创始人均有浙江大学与西南威尔士双学位背景，首席科学家也来自浙 江大学，并取得 UCLA 博士学位。公司始终注重组件产品稳定性，通过了全球首例 IEC 稳 定性认证以及多倍加严认证，2023 年 4 月，公司产品成为全球首家通过中国质量认证中心 (CQC)和德国电气工程师协会(VDE)双认证的钙钛矿组件产品。

公司于 2022 年初建成全球首条百兆瓦级钙钛矿规模化产线建成投产，5 月率先发布全球首 款钙钛矿商用组件α并实现出货，尺寸为 1245×635×6.4mm。公司产品稳定性领先。

仁烁光能:公司创始人谭海仁董事长为南京大学现代工程与应用科学学院教授、博士生导 师，荷兰代尔夫特理工大学博士，加拿大多伦多大学博士后，为国家重点研发计划首席科 学家，江苏省“双创人才”，江苏省“双创团队”领军人才，科研实力雄厚。

公司于 2023 年 2 月 16 日建成全球首条全钙钛矿叠层光伏组件研发线，组件尺寸为 30*40c m² ，目前 10MW 研发中试线已全线跑通。公司目前投建的 150MW 量产线预计于 2023 年 年底出片，组件尺寸为 600mm*1200mm。

图 19:仁烁光能 30*40c m² 钙钛矿光伏组件

2.2.3 钙钛矿企业产线推进情况

随着钙钛矿企业自身工艺进步与产业资本的持续高涨投入，行业内公司的产线推进迅速，

头部企业大多已投产百兆瓦级量产中试线，并在产品稳定性得到验证后进一步探索 GW 级 产线;新进入者也在跟进布局百兆瓦级中试线。

三、钙钛矿产业化发展带来相关设备投资机会

3.1 产业化带来新关键设备投资机会

钙钛矿电池产品结构原理和硅基电池差异较大，需全新的工艺流程和产线设备，目前产线 所需的设备主要分为镀膜设备、涂布设备、激光设备与封装设备。钙钛矿电池在结构上由 多个功能薄膜叠加而成，其制备在方法上也是在基底上一层层累置薄膜而成。

整个过程中三层薄膜(空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层)制备最为关键，涂布机、镀 膜设备(PVD、RPD)和激光设备为核心设备，制备大面积、高性能、均匀稳定、高质量