钙钛矿：如何看待光伏电池技术新势力未来前景？长江证券研究所机械研究小组2022-09-15分析师及联系人分析师赵智勇SAC执业证书编号：S0490517110001电邮：zhaozy@cjsc.com.cn分析师臧雄SAC执业证书编号：S049051807000电邮：zangxiong@cjsc.com.cn分析师倪蕤SAC执业证书编号：S0490520030003电邮：nirui@cjsc.com.cn•证券研究报告•评级看好维持01钙钛矿电池：第三代太阳能电池02效率、稳定性与产业规模化是发展核心03电池生产设备：镀膜、涂布、激光设备目录01钙钛矿电池：第三代太阳能电池，优势明显，应用前景广阔钙钛矿简介及钙钛矿电池工作原理01狭义的钙钛矿指CaTiO3这种矿物，广义的钙钛矿指具有钙钛矿结构的ABX3型化合物。钙钛矿电池中的钙钛矿层通常指有机/无机金属卤化物ABX3。其中A代表一价有机或无机阳离子（如甲胺离子CH3NH3+、铯离子Cs+、铷离子Rb+等）；B代表二价金属阳离子（如铅离子Pb2+、锡离子Sn2+、锗离子Ge2+）；X代表一价卤素阴离子（如溴离子Br-、碘离子I-、氯离子Cl-）。钙钛矿电池的工作原理与晶硅电池类似。光生电动势的物理过程为：钙钛矿吸光层吸收光子之后，电子吸收能量从价带跃迁到导带，形成电子-空穴对。电子与空穴对在吸光层内部迅速分开，分别通过电子传输层（ETL）、空穴传输层(HTL)输送到阴极、阳极，随着电子和空穴在阳极和阴极堆积，两极之间产生光生电动势，进而产生光电流。图：钙钛矿晶体结构资料来源：《高质量钙钛矿薄膜的合成、加工及应用研究》_孔文池，长江证券研究所图：钙钛矿太阳能电池的工作原理资料来源：《高质量钙钛矿薄膜的合成、加工及应用研究》_孔文池，长江证券研究所资料来源：《钙钛矿太阳电池的研究进展与关键挑战》_王爱丽等，长江证券研究所图：ABX3型钙钛矿材料及其几类衍生物的晶体结构钙钛矿太阳能电池结构01钙钛矿太阳能电池可分为单节太阳能电池和叠层太阳能电池两种技术路线。单节钙钛矿太阳能电池：主要由电子传输层（ETL）、钙钛矿吸光层、空穴传输层（HTL）以及电极组成。钙钛矿太阳能电池结构可以分为正式结构（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）。ETL：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；目前多采用介孔层结构，采用TiO2或Al2O3，还可起到结构支撑作用。HTL：空穴传输层，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。空穴传输层可以为有机物（比如spiro-OMeTAD小分子材料），也可以为无机化合物（比如碘化铜、氧化镍等）。n-i-p结构中，可包含致密层结构（一般为TiO2、ZrO2或其他金属化合物），主要起收集与传输电子和阻挡空穴的作用，其厚度可以对电池性能产生重要影响。透明电极：一般选用商业化的ITO（氧化铟锡）或者FTO氧化物（氟掺杂氧化锡）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。钙钛矿层是光吸收层，吸收光并产生电子空穴对，通常为有机金属卤化物。图：单结钙钛矿太阳能电池结构示意图资料来源：《高质量钙钛矿薄膜的合成、加工及应用研究》_孔文池，长江证券研究所钙钛矿太阳能电池结构01叠层太阳能电池：单节钙钛矿电池的效率具备一定的上限，效率不能超过31%，而多节电池组成的叠层电池克服了这一极限，可进一步提高电池的效率。一方面，钙钛矿材料的带隙可调，适合与其他太阳能电池材料构建成为叠层太阳能电池。•比如钙钛矿太阳能电池能更有效地利用高能量的紫外和蓝绿可见光，异质结电池可以有效地利用钙钛矿材料较少吸收的红外光。•叠层电池扩展了吸收光波段，并且由于底部电池吸收了高能量的光子，使得顶层电池的热弛豫损失大大降低。通过钙钛矿电池与异质结电池叠层方式组合，可以突破传统晶硅电池理论效率极限，进一步提升太阳能电池的转换效率。另一方面，通过改进电池的涂层和抗反射层，并去除缺陷和杂质，钙钛矿/晶硅叠层电池的效率有望进一步提高。表：叠层组件叠片前后各层效率示意图资料来源：协鑫光电，长江证券研究所项目晶硅钙钛矿实际输出叠层前效率20%18%叠层后效率10%18%28%资料来源：《Perovskite-perovskitetandemphotovoltaicswithoptimizedbandgaps》_GilesE.Eperon等，长江证券研究所图：锡（Sn）和铅（Pb）比例变化，钙钛矿带隙改变钙钛矿太阳能电池结构01考虑到制备工艺的简单及效率的提升，行业内对两节叠层电池结构制备较为关注。两个子电池分别为窄带隙和宽带隙，不同带隙与所吸收的波段能量匹配，减少光子热损耗，从而大幅提高太阳电池的转换效率。四端叠层结构是由两个完整的电池组成，底部电池一般为宽带隙电池，顶部电池一般为窄带隙电池，两个电池通过简单的机械堆叠构成。但两电池间有空气间隔，因此电池转化效率会有损失。产业界仅有试验性的尝试，未进入中试阶段。两端叠层结构也是由两个不同带隙的电池组成，两个电池通过中间复合层由化学方法串联在一起，1）减少一层透明导电电极的制备；2）良品率由于单片电池面积的减小而有所上升；3）理论极限上限相对更高。图：四端叠层结构示意图资料来源：《高质量钙钛矿薄膜的合成、加工及应用研究》_孔文池，长江证券研究所窄带隙电池导电玻璃宽带隙电池导电玻璃空气间隔图：两端叠层结构示意图资料来源：《高质量钙钛矿薄膜的合成、加工及应用研究》_孔文池，长江证券研究所窄带隙电池复合层宽带隙电池导电玻璃无间隔01对比染料敏化电池、全固态薄膜电池等，钙钛矿优势明显：成本低廉、低碳、综合性能优良、可形成叠层电池、可制备高效柔性器件、极限效率更高等。染料敏化电池为保证光能的充分吸收，吸收层厚度至少要在10μm以上，但载流子和空穴对扩散长度没那么长，因此染料敏化电池对光吸收利用有局限。钙钛矿具备极高的消光系数，400nm厚的薄膜即可吸收紫外-近红外光谱范围内的大部分光子。同时，载流子、空穴对扩散长度可高达1μm，极大减小载流子复合，进而使钙钛矿的开路电压、短路电流及填充因子均有提升，电池性能明显改善。从各类电池的极限转换效率来看，钙钛矿单层、钙钛矿/硅双节层、钙钛矿三节层电池电能极限效率分别为31%、35%、45%，高于其他结构类型电池。相关缺点：钙钛矿电池暴露在空气中时会与水发生反应，抗热、抗湿能力差，且其中含有的铅溶于水还会造成环境污染。优点制备简单、成本低：核心材料-复合钙钛矿材料可通过温和条件制备，如涂布法、气相沉积法以及混合工艺等，工艺简单、制造成本低、能耗低、环境友好。低碳：薄膜光伏的生命周期排放量"明显低于硅基光伏产品"。原因是上游原材料加工所需的能源较少，而且制造组件所需的半导体材料数量也较少。综合性能优良：能同时高效完成入射光的吸收、光生载流子的激发、输运、分离等多个过程。材料带隙灵活可调，消光系数高：能带宽度较佳，约为1.5eV；具有极高的消光系数，光吸收能力比其它有机染料高10倍以上，400nm厚的薄膜即可吸收紫外-近红外光谱范围内的所有光子。激子结合能低，效率高。改变钙钛矿薄膜的组成可调节材料的禁带宽度，适合制备叠层电池。可制备高效柔性器件：可以采用辊-辊大面积制造工艺将电池制在塑料、织物等柔性基底上，作为可穿戴、移动式柔性电源。缺点钙钛矿电池暴露在空气中时会与水发生反应，抗热、抗湿能力差。电池含有有毒物质铅，铅溶于水会造成环境污染。总体而言，钙钛矿电池属于第三代电池，优点众多资料来源：PV-Tech，《钙钛矿太阳电池综述》_姚鑫等，长江证券研究所图：不同组件结构类型太阳能电池理论极限电能转换效率对比情况29.4%24.5%27.5%28.7%31.0%35.0%45.0%0%5%10%15%20%25%30%35%40%45%50%表：钙钛矿电池优缺点对比资料来源：《中国钙钛矿电池行业发展现状分析与投资前景研究报告（2022-2029年）》，长江证券研究所02效率、稳定性与产业规模化是发展核心02资料来源：NREL，长江证券研究所钙钛矿电池效率发展迅速，2015年以来效率快速提升图：电池效率进展图（截至2022年6月）钙钛矿电池的产业化需要满足效率高、稳定性好和产线规模化三个前提条件。在效率提升方面，仅用13年的时间，钙钛矿电池的光电转换效率就由3.8%提升至31.3%，钙钛矿电池发展较为迅速。近期，钙钛矿硅叠层光伏电池技术转化率再创新高：洛桑联邦理工学院（EPFL）和瑞士电子与微技术中心（CSEM）创造的最新记录为31.3％。国内团队在钙钛矿叠层电池研发进度较快，目前南京大学谭海仁团队钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能电池最高认证效率达到28%（0.049cm2）。图：钙钛矿/晶硅叠层电池效率进展图资料来源：PV-Tech，长江证券研究所02资料来源：PV-Tech，NREL，钙钛矿太阳能电池微信公众号，长江证券研究所产业化发展：效率、稳定性与产业规模化是核心表：近年来钙钛矿电池持续刷新效率记录项目效率保持单位更新时间钙钛矿太阳能电池最高认证光电转化效率25.7%25.7%韩国蔚山国家科学技术研究所（UNIST）-钙钛矿/硅叠层太阳能电池最高认证光电转化效率31.3%31.3%EPFL/CSEM-钙钛矿/CIGS叠层太阳能电池最高认证光电转化效率24.2%24.2%德国柏林亥姆霍兹研究中心（HZB）-钙钛矿光伏组件最高认证效率22.72%/24cm²22.72%/24cm²瑞士联邦理工学院PaulJ.Dyson&Nazeeruddin团队&华北电力戴松元团队&西安交通大学杨冠军团队-两步法钙钛矿太阳能电池最高效率25.6%25.6%中科院半导体所游经碧团队2022年7月28日钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能电池最高认证效率28%（0.049cm2）28%（0.049cm2）中国南京大学谭海仁团队2022年6月6日反式钙钛矿太阳能电池最高效率25%25%香港城市大学朱宗龙团队&伦敦帝国理工学院NicholasJ.Long团队2022年4月21日柔性钙钛矿太阳能电池最高效率22.44%22.44%陕西师范大学刘治科&YuweiDuan&刘生忠团队2022年4月18日锡铅混合钙钛矿太阳能电池最高效率23.6%23.6%日本京都大学AtsushiWakamiya团队2022年4月12日钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能电池最高光电转化效率/JET认证26.4%(1.044cm2)26.4%(1.044cm2)川大太阳能所赵德威团队2022年3月1日二维钙钛矿太阳能电池（n=5）最高效率22.26%22.26%韩国成均馆大学Nam-GyuPark团队2022年1月24日卷对卷反式钙钛矿太阳能电池最高效率12%12%澳大利亚英联邦科学与工业研究组织(CSIRO)DechanAngmo团队及其合作团队莫纳什大学JoanneEtheridge团队2021年12月15日混合阳离子钙钛矿太阳能电池最高效率25.8%/Newport认证25.5%（0.09549cm2）25.8%/25.5%韩国蔚山国家科学技术研究所SangIlSeok团队2021年10月20日户内光伏最高效率40.1%40.1%中国陕西师范大学XiaodongRen&赵奎&刘生忠团队2021年5月31日钙钛矿单晶反式器件最高效率22.8%22.8%沙特阿拉伯王国阿卜杜拉国王科技大学OsmanM.Bakr团队2021年2月23日二维钙钛矿太阳能电池（n=4）最高效率18.42%18.42%北京航空航天大学张渊团队2020年12月10日MAPbX3钙钛矿太阳能电池最高效率23.07%/华南师范认证效率22.28%（0.0997cm2）23.07%/22.28%美国宾夕法尼亚州立大学ShashankPriya团队2020年8月21日钙钛矿太阳能电池低温运行最高效率25.2%25.2%中国北京大学周欢萍团队2020年7月30日氧化镍钙钛矿太阳能电池反式器件最高效率22.13%22.13%中国上海交通大学陈汉团队2020年1月30日02新型钙钛矿太阳能电池在潮湿、光照条件下稳定性较差，由此会产生分解，最终降低器件的效率。当太阳光为钙钛矿电池提供产生电能所需的光子能量时，也损害了钙钛矿电池的稳定性。随着时间的推移，会影响效率的表现。如果有足够的光照，会引发连锁反应，在连锁反应中，越来越多的碘化物在富含碘化物的地区聚集，越来越多的溴化物被挤出。随后化合物的分离倾向于在这些低带隙区域捕获产生电的光载流子，严重阻碍电池的效率。此外，由于钙钛矿电池一般为有机金属卤化物钙钛矿电池，有毒铅的存在对环境和健康也有害。稳定性对于降低成本也有重要意义：纤纳光电科技CEO姚冀众博士表示，若钙钛矿太阳能组件能够保持30年稳定性的，即使转换效率和PERC组件相当，大规模应用后，也能将太阳能度电成本（LCOE）降低至0.2元。目前国内外MPP稳定性水平（钙钛矿电池在最大光功率输出点MPP处的长期运行稳定性时间）一般在几千小时。近年来，钙钛矿电池稳定性已有很大提升。图：近年来钙钛矿电池稳定性已有较大提升稳定性：钙钛矿电池稳定性持续提升图：钙钛矿电池易受光照影响，最终降低效率资料来源：《钙钛矿及其叠层太阳能电池现状及发展趋势》（光伏专委会CPVS），长江证券研究所02时间公司名称相关进展2022.7纤纳光电全球首款钙钛矿α组件顺利出货，此次发货数量为5000片，用于省内工商业分布式钙钛矿电站2022.7鑫磊鑫半导体在金昌经开区投资建设年产1GW钙钛矿薄膜光伏组件生产基地项目，总投资10.36亿元，该项目达产达标后，年产值超过10亿元2022.7大正微纳已投资8000万元（合1180万美元），在中国江苏省建设10MW年产能生产线，40cm60cm的组件将被切割成小块给中国智能手机和平板电脑制造商。目前计划再投资2亿元人民币，将年产能扩大到100MW2022.7华晟新能源已经成功实现M6尺寸HJT+钙钛矿叠层电池的均匀制备，计划到2025年建成百兆瓦的钙钛矿叠层电池产线和20MW量级的实证电站2022.7合特光电2022年底将投产首条高效异质结/钙钛矿叠层电池中试线，目标转化效率为28%以上2022.6无限光能完成数千万元天使轮融资，将主要用于大尺寸钙钛矿太阳能电池组件试验线的建设、扩充研发及量产技术团队。公司预计将在三季度完成试验线建设，年内实现大尺寸电池模组批量下线，目标效率大于20%。下一步，公司将启动10兆瓦级中试线建设，为实现2024年建成100兆瓦级商业化量产线奠定坚实基础2022.5宁德时代5月5日的2021年业绩说明会，回答投资者“钙钛矿光伏电池研究进展”时表示：公司钙钛矿光伏电池研究进展顺利，正在搭建中试线2022.5SauleTechnologies钙钛矿光伏制造商SauleTechnologies正在加速推进与GoogleCloud、以及可再生能源公司ColumbusEnergy的合作2022.4TandemPV美国钙钛矿公司TandemPV完成了1200万美元A轮融资的前半部分2022.4金阳太阳能与金石能源和新国立签订MOU，目标是在初步研究阶段达成钙钛矿/异质结硅叠层太阳能电池超过28%的能源转化效率2022.2纤纳新能源全球首个钙钛矿集中式光伏电站一期项目于衢州市衢江区后溪镇开工建设。该项目占地约250亩，装机容量12兆瓦，计划总投资6000万元左右2021.11锦能新能源钙钛矿铜铟镓硒叠层电池全产业链项目签约落户湖南省常德市，总投资20亿元。项目全部建成投产达产后,量产转换效率22%以上，年产值约25亿元，年税收约3亿元2021.10极电光能完成2.2亿人民币Pre-A轮融资，主要用于新技术研发和试制线建设2021.8曜能科技完成数千万A轮融资2021.7极电光能2021年三季度正式启动150MW试制线建设，预计2022年中期，平米级尺寸的钙钛矿光伏组件产品将正式面世，率先应用于光伏幕墙市场。据悉，极电光能计划于2023年初开始投入超过50亿建设6GW的产能，第一期1GW将在2024年达产；到2025年6GW产线全部达产2021.6万度光能总投资60亿元的可印刷介观钙钛矿太阳能电池生产基地项目，正式签约落户湖北省鄂州市葛店经济技术开发区。该项目占地面积约110亩，拟分两期建设，第一期建设一条200MW级可印刷介观钙钛矿太阳能电池大试线落地，成功后扩充至10GW产能。项目建成投产后可年生产10GW以上太阳能电池，实现年产值100亿元2021.3协鑫光电完成新一轮过亿元融资，将打造全球第一条钙钛矿太阳能电池组件100MW量产线。目前，协鑫光电已有10MW的中试产线2021.1纤纳光电完成C轮融资，共计3.88亿元，将用于钙钛矿光伏百兆瓦级产线扩建、叠层产品升级、应用产品研发和生产等项目资料来源：PV-Tech，各公司官网，各公司公告，长江证券研究所2021年，部分企业已有MW级钙钛矿产线规模化试制线落地，这些企业将于23年投资建设GW级产能，2025年前后钙钛矿有望实现GW级量产。产业规模化：2025年前后钙钛矿有望实现GW级量产表：钙钛矿相关企业发展情况钙钛矿电池产能成本更具优势02晶硅太阳能电池需要经历硅料、硅片、电池、组件四个环节，在每个环节都出现了不同的龙头企业。而钙钛矿的生产流程可以在一间工厂内完成，将玻璃、胶膜、靶材、化工原料加工成组件。传统晶硅太阳能电池供应链需要在多个工厂、多个环节流转，耗时最少需要三天，而钙钛矿可在单一工厂内45分钟走完全部流程。钙钛矿生产流程更简单，钙钛矿组件不需要经历串焊等生产过程。钙钛矿电池产能成本更具优势。光伏企业投资1GW产能GaAs（Tum-key线）需要金额约50亿元；投资1GW产能晶硅电池需要合计投资金额10亿元左右；工艺成熟条件下测算，1GW产能钙钛矿电池投资金额约5亿元，约为晶硅电池投资金额的50%，GaAs（Tum-key线）的10%。图：不同类型太阳能电池单GW产能投资额（亿元）资料来源：协鑫光电，长江证券研究所资料来源：能镜公众号，长江证券研究所硅料硅片电池组件沉积透明导电层（TCO）沉积电子传输层（ETL）沉积钙钛矿层沉积空穴传输层（HTL）背电池制备组件封装晶硅：四个环节放在四个工厂加工钙钛矿：从原料到组件可以在一家工厂完成图：晶硅电池及钙钛矿电池生产流程对比0102030405060钙钛矿晶硅CIGS、CdTe薄膜电池03电池生产设备：镀膜、涂布、激光设备钙钛矿制备：主要设备为PVD、涂布、激光、封装设备03根据协鑫光电，其100MW钙钛矿电池组件生产线主要设备为PVD设备、涂布设备、激光设备、封装设备。图：钙钛矿电池组件生产线设备资料来源：协鑫光电，长江证券研究所100MW产线设备PVD设备涂布设备激光设备封装设备阳极缓冲层阴极缓冲层背电极钙钛矿涂布激光P1激光P2激光P3激光P4组件封装阳极缓冲层阴极缓冲层背电极钙钛矿涂布激光P1激光P2激光P3激光P4输入FTO玻璃，缓冲层靶材输入：背电极靶材输入：缓冲层靶材输入：钙钛矿溶液输入：背板玻璃，POE胶膜，接线盒图：钙钛矿电池组件生产流程资料来源：协鑫光电，长江证券研究所PVD设备：设备技术相对成熟，在HJT已有应用03镀膜设备：根据膜层使用的材料，制备透明导电薄膜、空穴传输层、电子传输层、电极可使用PVD&RPD镀膜设备。部分企业钙钛矿电池包含阳极缓冲层、阴极缓冲层设计亦可使用镀膜设备。PVD&RPD设备技术相对成熟，在HJT已有应用。PVD设备：采用直流磁控溅射的方式，氩气离子在电场与磁场引导下达到靶材上，将靶材原子分子溅射到衬底以制备透明氧化物导电薄膜，可以采用自上朝下或自下朝上的沉积结构。设备价格便宜，镀膜膜厚均匀易控制，工艺稳定可控，重复性较好，靶材寿命较长，适合连续生产，但离子轰击可能对其他膜层造成损伤。RPD设备：使用等离子体经磁场偏转后轰击到靶材上，等离子束将靶材原子分子轰击出来，升华后沉积到样品上形成透明导电薄膜。RPD工艺具有低离子体轰击损伤、低沉积温度、高解离率、具有大面积沉积和高镀膜速率。目前RPD设备售价相对较高。图：RPD设备原理资料来源：摩尔光伏，长江证券研究所图：PVD设备示意图资料来源：摩尔光伏，长江证券研究所钙钛矿薄膜的制备方法：一步溶液法应用最广泛03制备方法实践做法特点一步溶液沉积法一般步骤是先把PbX2（X为I、Cl、Br）与CH3NH3X（X为I、Cl）之间按一定的比例混合溶解在高沸点的非极性溶剂中组成前驱体的混合溶液，常用的溶剂为Ｎ,N-二甲基甲酰胺（DMF）、二甲基亚砜（DMSO）、丁内酯（GBL）。然后将混合溶液直接旋涂在载有TiO2基片上之后对薄膜进行退火处理简单便捷，可以低温处理，有利于产业化的发展两步溶液沉积法较常用的方法是将PbI2溶液旋涂在TiO2上，然后经过短暂的低温煎膜形成PbI2薄膜，之后把PbI2薄膜浸泡在CH3NH3I溶液中，并对薄膜退火处理能较好控制钙钛矿薄膜的形貌，重复性好，器件的迟滞效应较小；增加钙钛矿薄膜的结晶度，生成致密的高质量晶体气相辅助溶液法在TiO2膜的基片上旋涂1层PbI2，然后在氮气的氛围下对CH3NH3I粉末进行150℃加热，产生的蒸汽与PbI2反应，之后对基片退火处理形成完整钙钛矿薄膜制备的薄膜覆盖率高、晶体质量高。缺点是靠近基片的部分PbI2不能完全反应，增加的串联电阻影响器件的性能双源蒸镀法分别把CH3NH3I与PbI2放入不同蒸发源中，控制两种材料的蒸发速率，在致密的TiO2薄膜上部分反应形成钙钛矿薄膜，然后在氮气氛围进行热处理，完全转化为钙钛矿晶体制备的薄膜平整均匀，表面无针孔，晶体致密均匀，尺寸接近毫米级。缺点是在高级别的低真空状态下成膜，制作方法较复杂，对设备的精密程度要求较高钙钛矿电池的制备包括一步溶液沉积法、两步溶液沉积法、气相辅助溶液法、双源蒸镀沉积法等。其中，一步溶液沉积法应用较为广泛。一步法指将钙钛矿原材料溶于溶剂中，搅拌溶液至澄清，以旋涂或滴涂的方式将溶液沉积到ETL(p-i-n结构为HTL)，随后对薄膜进行热处理，即可形成钙钛矿薄膜。两步法是指先将PbI2粉末溶于溶剂中，加热搅拌至澄清后旋涂到介孔TiO2上；晾干后，再将衬底浸入CH3NH3I溶液中，随后热处理即可制得钙钛矿薄膜。图：钙钛矿薄膜制备工艺示意图表：四种制备方法特点及概述资料来源：《一步溶液法制备有机金属卤化物钙钛矿薄膜的研究进展》_张林星等，长江证券研究所资料来源：《一步溶液法制备有机金属卤化物钙钛矿薄膜的研究进展》_张林星等，长江证券研究所，注：表格中仅列示一种或几种可行做法钙钛矿薄膜制备工艺：一步溶液法03钙钛矿薄膜的结晶度是影响器件性能的关键因素，因此钙钛矿制备工艺的核心是如何提高薄膜质量。传统一步溶液旋涂法中，溶剂较长时间残留在钙钛矿薄膜里，导致碘化铅形成晶体析出，使钙钛矿晶体较多针孔，影响成膜质量。使用快速结晶去除溶剂的方法，可以让前驱物几乎同时析出，碘化铅能迅速和有机配合物反应形成钙钛矿结构而不会析出。快速结晶的工艺包括滴涂法、气体辅助法两类。退火也有助于改善成膜质量，通过晶体重新结晶，可以对薄膜进行较好修复。早期多采用热退火方式，近年激光退火因可以在样品上实现大面积超快退火而被关注。图：一步溶液法制备流程图资料来源：《一步溶液法制备有机金属卤化物钙钛矿薄膜的研究进展》_张林星等，长江证券研究所增加卤离子含量引入Cl离子能使载流子有效的分离，改善钙钛矿成膜质量引入I离子可以提高钙钛矿薄膜的覆盖率和平整度，但过量MAI会抑制器件性能调节溶剂属性快速结晶法概述优/缺点旋涂法直接将前驱体溶液旋涂在透明导电的玻璃基片上X溶剂较长时间残留在钙钛矿薄膜里，生成的钙钛矿晶体较多针孔，导致器件有漏光的现象。滴涂法首先前驱体溶液均匀的滴涂在基片上，然后在旋涂溶液成膜的过程中滴加反溶剂，使膜中的晶体迅速成型滴涂法制备的钙钛矿薄膜晶体较大，并且相对于传统方法制备的薄膜针孔较少，薄膜表面平整覆盖完整，晶体致密。气体辅助法在溶液旋涂成膜的过程中通入高温氩气，加快溶剂挥发可以制备致密、平整的钙钛矿薄膜，器件性能重复性好氛围退火溶剂氛围退火通过使用DMF、DMSO、GBL等蒸汽对较差形貌的薄膜进行熏蒸可以较大程度的改善薄膜的质量激光退火具有结晶控制、低温处理、大面积制造和非接触的优点，通过计算机辅助设计亦可实现复杂图案的制备。往后看，钙钛矿实现大面积制备工艺有望逐步突破03资料来源：《钙钛矿太阳电池的研究进展与关键挑战》_王爱丽等，长江证券研究所旋涂多在实验室制备中应用，操作简单，成膜速度快、重复性好，但无法满足钙钛矿电池大规模工业化生产所需大面积、低成本等制造要求。目前常用的大面积制备技术包括刮涂法、狭缝涂布法、喷涂印刷、气相辅助沉积技术卷对卷法等，目前大面积制备技术转换效率与旋涂法相比仍存在差距。狭缝涂布是工业上液相连续制膜的常用技术，具备广阔的运用前景。基于印刷技术，在一定压力下，墨水沿模具缝隙压出并转移到基底上，具有可控、高产、非接触、连续卷对卷制造的潜力。传统大面积狭缝式涂布法在室温下即可制备大面积钙钛矿液膜，并配合快速结晶（激光照射）方法形成大面积钙钛矿薄膜。喷墨印刷：通过控制打印腔内压力的变化将钙钛矿前驱体墨水从打印头喷出并打印到预沉积基底上。刮涂法：通过刮板(半月板)将钙钛矿前驱体溶液分散到预制备基底上，随后快速干燥形成钙钛矿薄膜。气相沉积法：不需要使用任何溶剂，通过真空蒸镀的方法来进行钙钛矿(前驱体)薄膜沉积的方法，可扩展为HCVD、LPHCVD等，成膜质量好，可大面积制备。图：刮涂法工作原理图：喷墨印刷工作原理图：狭缝式涂布法工作原理激光设备：激光开槽在钙钛矿电池有多道应用03激光在钙钛矿电池应用主要为激光开槽，打开部分膜层，达到阻断导电，形成单模块、电池分片的目的。打开透明导电薄膜：PVD沉积透明导电薄膜后，第一道激光开槽打开透明导电薄膜，并沉积空穴传输层或者铁电绝缘层，将导电薄膜分割成多个子单元。依次制备空穴传输层、钙钛矿层及电子传输层后，第二道激光打开空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层。在此基础上，在槽内及电子传输层表面采取蒸镀方式制备电极金属。电极金属沉积完成后，第三道激光打开电极金属层、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层，以完成钙钛矿电池片的分片。第四道激光主要将电池边缘的各层沉积膜去除，起到激光清边的作用。资料来源：《钙钛矿太阳能电池及其制备方法、光伏系统》，浙江爱旭太阳能科技有限公司，长江证券研究所导电玻璃透明导电薄膜空穴传输层钙钛矿层电子传输层电极金属Laser1:TCO开槽并沉积铁电绝缘层Laser2:打开空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层，并沉积电极金属Laser3:打开电极金属层、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层，实现电池划片分离图：激光开槽在钙钛矿电池的应用激光设备：激光退火+抛光具备应用潜力03激光退火（结晶）通过运用近红外连续激光作为热源退火钙钛矿薄膜，使得晶粒尺寸、薄膜均匀性可控，实现转换效率提升，可用于制备大面积太阳能电池。飞秒激光的应用对钙钛矿薄膜表面进行抛光修饰，降低表面粗糙度。抛光+二次结晶降低薄膜的缺陷密度，抑制薄膜表面的复合。资料来源：《高质量钙钛矿薄膜的合成、加工及应用研究》_孔文池，长江证券研究所图：飞秒激光用于对钙钛矿薄膜进行表面修饰（抛光）图：激光退火+抛光改善钙钛矿电池性能钙钛矿表面缺陷较大改善资料来源：《高质量钙钛矿薄膜的合成、加工及应用研究》_孔文池，长江证券研究所03时间公司名称进度情况2022.7捷佳伟创1）钙钛矿太阳能电池生产的关键量产设备“立式反应式等离子体镀膜设备”(RPD)通过厂内验收，将发运给客户投入生产。2）顺利出货了GW级HIT电池产线设备，并再次中标某领先公司的钙钛矿电池量产线镀膜设备订单。2022.6晟成光伏团簇型多腔式蒸镀设备完成量产交付，成功应用于多个客户端2022.3帝尔激光公告近期将交付用于钙钛矿电池的激光设备，钙钛矿电池需要应用P1、P2、P3、P4共4道激光，用于去除TCO层、功能层、背电极的加工、膜层清除等2021.10捷佳伟创RPD中标首个钙钛矿中试设备采购订单2021年迈为股份为客户定制的单结大面积钙钛矿电池激光设备已于2021年交付，公司未来也将加大相关装备布局2021.08杰普特全球首套柔性钙钛矿模切设备于2021年成功交付，通过验收并正式投入生产使用图：杰普特钙钛矿设备示意图图：晟成光伏团簇型多腔式蒸镀设备示意图钙钛矿电池制备核心设备包括镀膜设备、涂布设备、激光设备等。行业内主要企业为捷佳伟创、晟成光伏、帝尔激光等，部分设备企业已完成设备量产交付。表：主要设备企业及进度情况资料来源：PV-Tech，各公司微信公众号，各公司公告，各公司官网，长江证券研究所具备来看，部分设备企业已完成量产交付资料来源：杰普特微信公众号，长江证券研究所资料来源：京山轻机微信公众号，长江证券研究所03图：捷佳伟创钙钛矿设备示意图行业内主要企业为捷佳伟创、京山轻机等。捷佳伟创的“立式反应式等离子体镀膜设备”(RPD)已通过厂内验收，将发运给客户投入生产。京山轻机子公司晟成光伏2021年初投资10亿新建智能装备制造中心，项目用于新增高端光伏组件设备生产线以及建立制备异质结和钙钛矿叠层电池核心设备研发机构。同年5月，晟成光伏与协鑫光电开展钙钛矿叠层电池技术开发战略合作。经过长时间研发及实验数据验证，晟成光伏钙钛矿电池团簇型多腔式蒸镀设备现已量产，并成功应用于多个客户端。表：镀膜设备主要企业及进度情况资料来源：PV-Tech，各公司微信公众号，各公司公告，各公司官网，长江证券研究所镀膜设备竞争格局及近期进展时间公司名称事件或简介2022年7月捷佳伟创1）钙钛矿太阳能电池生产的关键量产设备“立式反应式等离子体镀膜设备”(RPD)通过厂内验收，将发运给客户投入生产。2）顺利出货了GW级HIT电池产线设备，并再次中标某领先公司的钙钛矿电池量产线镀膜设备订单。2021年10月捷佳伟创中标首个钙钛矿中试设备采购订单2022年6月京山轻机子公司晟成光伏团簇型多腔式蒸镀设备完成量产交付，成功应用于多个客户端2020年四盛科技中标华能钙钛矿中试研发项目真空沉积（PVD）系统设备采购2021年12月众能光电自成立以来已经完成三次钙钛矿太阳能组件效率认证，达到国际先进水平。公司已对外销售刮涂/涂布一体机、磁控溅射、热蒸发镀、ALD和激光刻蚀机等工艺单机以及钙钛矿太阳能光伏组件整线近100台套资料来源：捷佳伟创微信公众号，长江证券研究所03图：德沪涂膜设备示意图涂布设备：应用于钙钛矿层涂布环节。此外，根据电子传输层、空穴传输层、电子缓冲层、空穴缓冲层等材料的选择不同，亦可采用涂布工艺。行业内主要企业为德沪涂膜、众能光电、大正微纳等，其中，德沪涂膜开发的全球首套用于钙钛矿-晶硅叠层核心涂膜设备系统于2022年3月验收成功。表：涂布设备主要企业及进度情况资料来源：PV-Tech，各公司微信公众号，各公司公告，各公司官网，长江证券研究所涂布设备竞争格局及近期进展图：大正微纳狭缝涂布机S系列示意图时间公司名称事件或简介2022年3月德沪涂膜开发的全球首套用于钙钛矿-晶硅叠层核心涂膜设备系统验收成功。已开发出研发、中试、量产核心涂膜设备系统数十种，国内客户近50家，其中近30家为钙钛矿电池器件研发和量产企业2021年12月众能光电自成立以来已经完成三次钙钛矿太阳能组件效率认证，达到国际先进水平。公司已对外销售刮涂/涂布一体机、磁控溅射、热蒸发镀、ALD和激光刻蚀机等工艺单机以及钙钛矿太阳能光伏组件整线近100台套2020年大正微纳连续刷新柔性钙钛矿太阳能电池效率的世界记录，认证光电转换效率已经突破21%2014年大正微纳成功实现第一片大面积柔性钙钛矿组件的制备资料来源：德沪涂膜微信公众号，长江证券研究所资料来源：大正微纳公司官网，长江证券研究所03激光设备：钙钛矿工艺会使用较多的激光，目前有4道激光应用，用于去除TCO层、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层、金属电极层等。此外，激光退火（结晶）、激光膜层修饰（抛光）亦有应用潜力。国内钙钛矿激光设备供应商有帝尔激光、迈为股份、杰普特等。其中，杰普特与大正微纳合作开发柔性钙钛矿膜切设备于2021年8月通过验收并正式投入生产使用。表：激光设备主要企业及进度情况资料来源：PV-Tech，各公司微信公众号，各公司公告，各公司官网，长江证券研究所激光设备竞争格局及近期进展时间公司名称事件2022年3月11日帝尔激光投资者关系活动记录中披露，公司近期将交付应用于钙钛矿电池的激光设备2021H1帝尔激光开始进行钙钛矿电池的相关研发2021年4月12日迈为股份投资者关系活动记录中披露，应客户要求，定制并交付了用于单结钙钛矿电池的设备，进入了单结的、大面积的钙钛矿电池领域；未来会布局单结钙钛矿、异质结、钙钛矿异质结叠层2020年迈为股份钙钛矿激光技术研究项目进入样机阶段2019年迈为股份钙钛矿激光技术研究项目立项，开始研发2021年8月杰普特为江苏大正微纳科技有限公司定制的首套柔性钙钛矿膜切设备，通过验收并正式投入生产使用风险提示钙钛矿各环节技术量产化验证不及预期；钙钛矿效率、稳定性提升不及预期。风险提示上海Add/浦东新区世纪大道1198号世纪汇广场一座29层P.C/200122武汉Add/武汉市新华路特8号11楼P.C/430015北京Add/西城区金融街33号通泰大厦15层P.C/100032深圳Add/深圳市福田区中心四路1号嘉里建设广场3期36楼P.C/518000办公地址更多研究服务，请访问长江研究小程序电脑端请访问https://research.95579.com/最新研报线上会议长江研究小程序专题精选活动报名分析师声明、评级说明及重要声明行业评级报告发布日后的12个月内行业股票指数的涨跌幅度相对同期相关证券市场代表性指数的涨跌幅为基准，投资建议的评级标准为：看好：相对表现优于同期相关证券市场代表性指数中性：相对表现与同期相关证券市场代表性指数持平看淡：相对表现弱于同期相关证券市场代表性指数公司评级报告发布日后的12个月内公司的涨跌幅相对同期相关证券市场代表性指数的涨跌幅为基准，投资建议的评级标准为：买入：相对同期相关证券市场代表性指数涨幅大于10%增持：相对同期相关证券市场代表性指数涨幅在5%～10%之间中性：相对同期相关证券市场代表性指数涨幅在-5%～5%之间减持：相对同期相关证券市场代表性指数涨幅小于-5%无投资评级：由于我们无法获取必要的资料，或者公司面临无法预见结果的重大不确定性事件，或者其他原因，致使我们无法给出明确的投资评级。相关证券市场代表性指数说明：A股市场以沪深300指数为基准；新三板市场以三板成指（针对协议转让标的）或三板做市指数（针对做市转让标的）为基准；香港市场以恒生指数为基准。重要声明长江证券股份有限公司具有证券投资咨询业务资格，经营证券业务许可证编号：10060000。本报告仅限中国大陆地区发行，仅供长江证券股份有限公司（以下简称：本公司）的客户使用。本公司不会因接收人收到本报告而视其为客户。本报告的信息均来源于公开资料，本公司对这些信息的准确性和完整性不作任何保证，也不保证所包含信息和建议不发生任何变更。本公司已力求报告内容的客观、公正，但文中的观点、结论和建议仅供参考，不包含作者对证券价格涨跌或市场走势的确定性判断。报告中的信息或意见并不构成所述证券的买卖出价或征价，投资者据此做出的任何投资决策与本公司和作者无关。本报告所载的资料、意见及推测仅反映本公司于发布本报告当日的判断，本报告所指的证券或投资标的的价格、价值及投资收入可升可跌，过往表现不应作为日后的表现依据；在不同时期，本公司可以发出其他与本报告所载信息不一致及有不同结论的报告；本报告所反映研究人员的不同观点、见解及分析方法，并不代表本公司或其他附属机构的立场；本公司不保证本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