2024年光伏行业专题报告：钙钛矿电池如何引领光伏技术迭代

一、光伏钙钛矿发展空间广阔

1.1 钙钛矿简介

光伏电池一共经历了三代技术：1）第一代晶硅电池技术，以硅基为基础制结形成，即我们所 熟知的 BSF、PERC、TOPCON、HJT、BC 等电池技术；2）第二代薄膜电池技术，以铜铟 镓硒(CIGS)、碲化镉(CdTe)和砷化镓(GaAs)等材料为代表。薄膜电池技术由于效率低、成本 高（单 GW 投资 20 亿以上，目前占比不足 5%），无法与晶硅电池性能媲美；3）第三代是以 钙钛矿太阳电池为主导的有机太阳能电池等，近年发展非常迅速，有望成为超越晶硅电池的 新一代光伏电池技术。

钙钛矿电池是由分子式为 ABX3 的钙钛矿材料构成的，其分为无机氧化物钙钛矿和卤族化合 物钙钛矿，后者具备优异的载流子扩散距离、荧光量子效率和载流子迁移率等优势，且禁带 宽度可以调节，这些性能特点适合其应用于光伏领域，目前光伏领域最常用的钙钛矿材料是 CH3NH3PbI3（A 表示 Cs+、CH3NH3+或 CH(NH2)2+；B 表示 Sn2+或 Pb2+；X 表示 Cl-、B r或 I-）。

钙钛矿电池结构主要分为三类：介孔 n-i-p 型、平面 n-i-p 型和平面 p-i-n 型。1）介孔结构， 介孔结构可以支撑钙钛矿层的生长，提升钙钛矿层与电子传输层的接触面积，进而有利于载 流子的传输，介孔型器件表现出更佳的器件性能然而介孔层的制备需要高温锻烧，不便于工 业化的生产。2）平面结构，可以低温制备，适合应用于光伏领域进行大面积制备。平面 n-ip 型和平面 p-i-n 型的差异在于结构完全相反。

单节钙钛矿电池核心膜层有 5 层，导电基底、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层、背电极， 加上封装胶膜和玻璃就完成了组件的生产。 1、透明导电基底（TCO 玻璃）：常见 TCO 玻璃材料主要是 ITO、FTO 和 AZO，其导电材料 不同，制作方法也不同：1）ITO，为掺锡氧化铟，技术成熟、透光性、导电性良好，但是需 要金属铟，成本高，常采用 PVD 方式制作 2）FTO，掺氟二氧化锡，导电性稍差，但成本低， 多用于光伏薄膜电池，主要采用 CVD 的方法 3）AZO，掺铝氧化锌，具备良好的透光性及导 电性，且价格便宜，但量产难度较大，工艺流程尚存在一些问题,主要采用 PVD 方法制作。 2、电子传输层（ETL）：ETL 用于接收钙钛矿层传输的电子并输送到电极，同时阻止空穴传 输，因此需要和活性层能带匹配且接触优良，降低电子传输势垒；目前 n-i-p 结构主要用 TiO 2、 SnO2、ZnO 等金属氧化物，而 p-i-n 则选择有机材料富勒烯及衍生物。 3、钙钛矿层：电池核心层，薄膜质量决定光子的吸收、解离与运输，常用材料为 FAPbI3（或 MAPbI3），其中 FAPbI3具备优异光电性能与较小的离子迁移率，A 位有机的杂化钙钛矿相较 全无机综合性能良好运用广。4、空穴传输层（HTL）：同 ETL 层一样，钙钛矿层产生的空穴将传输至 HTL 再向 TCO 层输 送，也需要优质接触性能；n-i-p 结构材料是有机小分子与无机材料 Spir-OMeTAD、Ni O、 CuO、P3HT等，而 p-i-n 中常使用有机聚合物 PTAA。 5、顶电极：接受并传输电子，材料导电性需优良，如金属材料：金、银、铜，与非金属材料： 碳等，同时也可以用 TCO 做双面发电结构。

1.2 相比晶硅，钙钛矿效率和成本空间更为广阔

光伏电池趋势在于提效降本，相比晶硅，钙钛矿具备高效、低成本的特性。 晶硅电池转化效率目前在逐步贴近其天花板。晶硅理论效率极限在 29%，根据 CPIA ，目前 主流光伏电池技术路线已经在 26%+，接近于理论极限。而钙钛矿单节电池理论极限在 31%， 叠层电池理论效率极限在 45%，具备更高的提升空间。

钙钛矿生产成本，也具备明显优势。投资金额上，量产后 GW 级钙钛矿组件投资额在 5 亿元 /GW 左右，约为晶硅电池组件投资额的一半，同时也减少了中间产品的流转过程，缩短生产制造工艺；制造成本上，预期量产后的钙钛矿组件价格在 0.5~0.6 元/W 的价格，接近晶硅产 品的一半。

1.3 钙钛矿的材料稳定性是产业化的最大阻碍

循环寿命和大面积制备是制约钙钛矿发展的重要因素，在微观结构以上，则体现为钙钛矿材 料的稳定性问题。

使用寿命可能短于晶硅电池是钙钛矿面临的重要问题，晶硅电池使用寿命达到 25~30 年，目 前看钙钛矿生命周期显著少于这一水平，寿命短与钙钛矿材料的性质有关，1）光、热会影响 钙钛矿材料的稳定性使其易于分解；2）水、氧会与钙钛矿材料发生发应加速材料分解。

钙钛矿的寿命问题，微观结构上体现出的是稳定性。水、氧问题通过封装等方式可以较好的 解决稳定性问题，但是光、热问题需要钙钛矿材料配方的进步来解决，钙钛矿材料的配方是 企业核心壁垒。 对于钙钛矿，生产难点在于大面积制备，这主要与钙钛矿层结晶难度有关。钙钛矿结晶的时 间很短，但是在生产钙钛矿层的过程中，无论涂布法还是蒸镀法，均耗时较长，会导致结晶 度降低，影响转化效率。

另外，在水氧光热等外部因素影响下，电极材料与钙钛矿离子也会发生反应，导致不稳定性。 改进方式主要为钙钛矿材料的改性、增加钝化层阻挡离子迁移、或者对电极材料进行修改。

二、钙钛矿赶超晶硅路径

2.1 晶硅与钙钛矿 LCOE 的对比

晶硅组件价格已基本进入底部区间，制造端降本对降低光伏 LCOE 的贡献度越发有限，电池 效率的提升成为 LCOE 降低的重要方式。钙钛矿效率提升非常快，从 2009 年的 3.8%，提升 到 25.7%的实验室效率，效率提升曲线比晶硅电池更为陡峭。协鑫光电已经量产 1 米* 2 米的 钙钛矿单节组件，效率达到 19.04%，钙钛矿较高的理论效率空间让钙钛矿拥有了替代晶硅 电池的可能性。 目前钙钛矿成本还较高，未来会出现明显的成本下降。目前 100MW 钙钛矿组件成本约 1.4 元/W，未来规模化量产后，成本降低有望降低到 0.5~0.6 元/W，相比目前晶硅 0.8~0.9 元/W 的组件成本，具备较明显的制造优势。

按照目前钙钛矿组件成本计算，在 15/25 年寿命假设下，其 LCOE 为 0.321/0.265 元/KWh， 与现有晶硅电池级相比还不具备经济性；当钙钛矿进入 GW 级量产时，其 15/25 年寿命下的 LCOE 为 0.285/0.238 元/kWh；而远期实现大批量产业化应用时，其 15/25 年度电成本为 0.265/0.224 元/W，已经与目前晶硅组件度电成本相当，实现对晶硅组件的替代。

可见，效率、寿命是目前钙钛矿的重要制约，这两个问题得到解决，成本会随量产规模扩大 而快速下降。

2.2 钙钛矿寿命提升路径

水汽/氧气混入组件导致钙钛矿材料分解，可以通过严密的封装方式缓解，POE 胶膜和丁基 胶可以作为封装材料良好阻挡水汽、氧气。POE 粒子已经在国产化道路上，丁基胶还主要依 赖于进口，国产产品还有进步空间。 光：紫外光照射是影响钙钛矿太阳能电池稳定性的另一个重要因素。钙钛矿活性层长期暴露 于紫外光下会受到破坏，导致钙钛矿层缺陷增加，最终导致钙钛矿层降解。采用钝化膜层（钝 化层在钙钛矿层两侧以形成膜层间分离）、添加剂、或过滤紫外光照可以解决这一问题。 热：在电池工作过程中，光和载流子运输、漏电等因素会使光伏组件的温度升高；在未来的 产业化过程中，不同材料热膨胀系数的不匹配和运行过程中温度分布的不均匀，将导致大面 积钙钛矿太阳能电池产生不同的热应力，导致热应力失效，从而影响其稳定性。优化钙钛矿 材料和配方可以解决这一问题。

除材料配方外，钙钛矿层、空穴层和电子传输层的制备工艺的完善也在工程上带来寿命的变 化，设备也再持续更新。 钙钛矿层目前的主流技术路线为涂布法，蒸镀也具备发展潜力，叠层电池也可能采用喷墨打 印。狭缝涂布工艺类似锂电电极材料涂布，将钙钛矿溶液通过涂布头均匀沉积在基底上，属 于湿法工艺，性价比较高，是目前单节电池制作的主流工艺，其难点在于稳定性问题，涂布 后干燥、结晶可能出现裂纹、穿孔等问题，导致成膜不均影响电池寿命，主流设备厂商在干 燥设备持续改进，提升成膜率；蒸镀则因高精度和大面积制备优势，在产业界也拥有些企业 使用该技术；喷墨打印主要针对叠层电池，可以更好的缓解两端叠电池晶硅绒面问题。 电子传输层，主要采用 RPD/ALD 技术，在光照下会产生空穴导致钙钛矿层分解；空穴传输 层，主要采用 PVD 磁控溅射，也有部分厂商采用涂布技术制作，其可能与钙钛矿材料反应， 导致传输性能下降。因此，需要在钙钛矿层两侧加上钝化层以减少膜层间的分解损伤，而钝 化层往往采用蒸镀/涂布工艺。

2.3 钙钛矿效率提升方式

光伏发电过程是光电转化，其提高转化效率的方式是 1）减少光学损失；2）减少电学损失。 钙钛矿电池的高转化效率优势来自于前者，具体体现为高带隙、长的载流子寿命和扩散长度、 低的激子结合能以及平衡的电子空穴传输。

单节钙钛矿提升效率主要通过组份工程、添加剂工程、界面优化、光学性能优化等方式，因 此实验室效率也得到快速提升。

此外，叠层电池也成为高效利用光能提升电池转化效率的方式。由于钙钛矿与晶硅带隙范围 不同，可以实现不同带隙电池吸收不同波段光能的晶硅钙钛矿叠层电池，其理论效率高达 45%。

叠层分为四端叠和两端叠，四端叠类似并联，是两个子电路，拥有四个电极，这种方案一般 采用钙钛矿组件和晶硅组件叠加，依然需要大面积钙钛矿电池；两端叠类似串联，拥有两个 电极，是将钙钛矿电池叠加在硅片上，不需要大面积制备钙钛矿膜层，这种方式虽然节省了 一些电极和玻璃材料降低了成本，但是串联结构需要更好的匹配特性和精巧设计，且直接在 晶硅上制造钙钛矿膜层的难度要远大于在玻璃上制造钙钛矿的难度。

四端叠结构中，钙钛矿可以与任意类型晶硅电池并联叠加，相比两端叠电池生产难度较小， 四端叠技术目前与 TOPCON 叠加是更好的钙钛矿叠层方案，若 HJT 取得性价比的突破，与 HJT的叠加也会成为一个选择。 目前协鑫光电等企业已经推出四端叠产品，按照 15/25 年使用寿命来看，四端叠电池可以实 现比 TOPCON 电池更低的度电成本，同时也低于单节钙钛矿电池。

两端叠结构中，钙钛矿更适合与 HJT 电池叠加：1）异质结电池表面本身就是 TCO，异质结 电池的产线无需做更改，而 TOPCon 电池与钙钛矿电池进行叠层，TOPCon 正面的氮化硅和 氧化铝由于是绝缘体不能导电，需要先把氧化铝和氮化硅去掉，或加入进一步掺杂和钝化工 序。 2）TOPCon 电池与钙钛矿电池进行叠层的话自身基于电流高的效率优势会被浪费。如果做 叠层电池，异质结受光面 TCO 依然是 TCO，TOPCon 表面也需要变成 TCO,那么 TOPCon 电池本身电流高的优势就没有了，理论上钙钛矿-TOPCon 叠层电池的效率相比 HJT-钙钛矿 叠层电池更低。 但实际上，目前越来越多的企业进行 TOPCON与钙钛矿的四端叠电池研发，主要因 TOPCON 电池经济性明显好于 HJT。

此外，全钙钛矿叠层电池也是厂商的重点发力方向，其更高的理论转化效率、更低的理论成 本带来更低的度电成本、以及工艺简单可制备柔性组件等特性，被认为是钙钛矿可能的终极 解决方案，但是叠层电池的底电池要求是窄带隙，钙钛矿的窄带隙配方稳定性更差，具备天 然劣势，所以全钙钛矿叠层实现的时间会更远。

整体来说，两端叠叠层电池虽然具备明显的效率优势，但在产业化方面也遇到困难：1）晶硅 绒面上生长钙钛矿有难度，需要保证钙钛矿层厚度一致、内部均匀；2）晶硅与钙钛矿的生长 速度不一致，晶硅出片速度较快，每小时超过 1000 片，钙钛矿生产效率还较低；3）宽带隙 钙钛矿存在光致相分离；4）晶硅上涂覆钙钛矿溶液外溢污染背面。因此四端叠电池是目前较 快实现产业化的技术路线。 按照上述产业化进展，我们认为，钙钛矿在 2030 年市场空间可以达到 200GW 左右（包含 叠层），CAGR6=191%，对应市场空间 1000 亿元，CAGR6=146%。

三、钙钛矿可能会改变光伏竞争格局

3.1 钙钛矿的参与者及进展

光伏行业长坡厚雪，由于钙钛矿优秀的中长期效率潜力和成本优势，晶硅及非晶硅企业争相 进入到这一技术领域进行前瞻性布局，但是参与者们的心态可能不尽相同。 非晶硅参与者期待新技术的出现可以改变原有光伏竞争格局从而找到光伏赛道的切入点，这 一力量加速钙钛矿进入公众视野；而晶硅企业略显被动，担心钙钛矿对晶硅技术带来冲击， 需要对钙钛矿做出反应，因此对钙钛矿同时抱有期待及恐惧，希望钙钛矿与原有技术尽量结 合实现原有晶硅产能的寿命延续。

非晶硅参与者是钙钛矿的拓荒者，他们以单节钙钛矿或者纯钙钛矿叠层为主，如钙钛矿的最 初产业化进程以协鑫光电、纤纳光电、极电光能、宁德时代、仁烁光能等企业引领。同时， 非晶硅企业也不会直接进入硅钙叠层领域，因为其在晶硅领域没有任何优势，直击硅钙叠层 要同时解决晶硅和钙钛矿的问题，降低自身竞争力。 若采用叠层方案，非晶硅企业也主要采用四端叠技术，将大面积钙钛矿电池与采购的晶硅电 池并联叠加即可，适用于所有晶硅电池，TOPCON 目前在晶硅中更具备吸引力，因此可能会 成为四端叠电池的首选叠加方式。

晶硅类参与者进入钙钛矿领域较晚，晶硅企业努力将钙钛矿与自身晶硅电池的技术进行堆叠， 如晶科能源将 TOPCON 与钙钛矿堆叠研发，隆基绿能、通威股份将 HJT 与钙钛矿堆叠等， 尽量延长现有产能寿命。 晶硅企业的叠层方案主要以两端叠为主，直接在晶硅表面覆盖钙钛矿层，如何处理在晶硅绒 面上均匀涂覆钙钛矿是主要问题，技术难度较大，同时不同晶硅技术路线在制造钙钛矿叠层 时也存在较大差异。

3.2 两类参与者的博弈方式以及可能的结果

目前新能源行业融资相对紧张，虽然目前已有有所缓解，但对于非上市企业，融资难度依然 较大，非上市公司也因目前光伏主产业链亏损，银行授信多少也会受到约束，融资压力对非 晶硅企业弯道超车进入光伏行业非常不友好。

晶硅企业肯定想做硅钙两端叠电池，以延伸自身在晶硅领域的优势；非晶硅企业没有晶硅的 优势或者束缚，则更倾向于单节或者全钙钛矿叠层，尽量减少晶硅产品在自身产品中出现。 但是无论如何，都避免不了钙钛矿单节电池的推进，会带动材料体系以及生产工艺的优化， 单节钙钛矿电池在光伏领域的应用是必经之路。 在产能充裕的背景下，非晶硅企业独自推动单节电池替代晶硅电池难度很大，与晶硅企业形 成对立竞争是不理性的，因此推动叠层电池技术的快速进步，是目前晶硅与非晶硅钙钛矿电 池企业的共赢局面，晶硅企业更重视晶硅与钙钛矿叠加的界面问题，钙钛矿企业更重视钙钛 矿材料本身的性质。推进四端叠叠层电池的产业化，会先形成研发导入生产的正反馈，带动 钙钛矿技术继续推进。

在可见的未来中，钙钛矿与晶硅是并行的，晶硅需要钙钛矿实现效率突破，钙钛矿也需要晶 硅企业推动钙钛矿产业链的配套发展，硅钙叠层电池大概率是中期内最好的解决方案，硅钙 四端叠率先产业化、硅钙两端叠克服工艺问题后规模量产、最终全钙钛矿叠层是可能的终极 解决方案。受到资本青睐的非晶硅企业可能在长期走向全钙钛矿叠层，不具备资本优势的非 晶硅企业可能被晶硅企业收购或者被淘汰。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）