2023年中国新能源之钙钛矿电池产业洞察报告
能源转换效率不断突破，千亿级潜在市场正在崛起
钙钛矿通常是指一种化学结构式为ABX3的化合物。钙钛矿太阳能电池是一种利用钙钛矿型有机-无机杂化金属卤化物半导体作为光吸收材料的新型太阳能电池。它们可分为单结钙钛矿电池和叠层钙钛矿电池，具有能量转换效率高、价格低、重量轻、半透明等优异特性。它们可以制成用于集中式和分布式发电站的刚性电池模块，也可以制成用于新能源光伏屋顶的柔性电池模块。
钙钛矿电池是通过堆叠金属对电极、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层和透明导电玻璃等多个功能层而形成的。根据各功能层的排列顺序，其结构大致可分为三种：介孔结构、形式平面结构和跨平面结构。此外，诸如体异质结和梯度异质结等新的组分结构也在开发中。其中，跨平面结构具有制备工艺简单、成膜温度较低、与堆叠电池器件结构兼容性好的优点，是当前产业化进程中钙钛矿电池制造商采用的主流结构。
1.发展历程：能源转换效率不断突破
钙钛矿电池的发展过程主要分为萌芽阶段（2006-2012年）、初期发展阶段（2012-2015年）和快速发展阶段（2016年至今）。它们经历了从液态到固态的转变过程，并在能量转换效率方面不断取得突破。与40多年后光电转换效率达到29.4%的结晶硅光伏电池相比，钙钛矿光伏电池在短短13年内从3.8%提高到31.3%。随着钙钛矿电池转化效率的提高，其产业化进程也在不断加快。未来，相关制造商将专注于克服稳定性不足，开发大规模制备工艺。
2.发展环境
多项国家利好政策出台，钙钛矿产业发展驶入快车道
钙钛矿电池作为第三代非硅薄膜电池的代表，具有光电转换效率高、成本低、能耗低、应用场景广等优点。近年来，他们得到了国家政策的大力支持。2021年底，钙钛矿电池关键材料及制备技术开发被科技部列入“十四五能源领域科技创新规划”和“高端功能智能材料”重点项目；2022年4月，中国光伏协会制定的钙钛矿行业标准为我国钙钛矿光伏电池的科学研究和产业发展奠定了基础，有利于推动钙钛矿光伏电池标准化，助力其规模化发展；2022年下半年，钙钛矿电池已四次获得能源局、科技部、国家发改委等多部门的联合认可和推广，用于研究、示范和产业发展。
未来，国家能源局和科技部将继续充分发挥监管和指导作用，协助中国光伏协会不断完善钙钛矿行业标准和技术指标。国内钙钛矿电池行业的顶层结构将更加完善，市场规模有望实现快速增长。
钙钛矿电池的低成本和优异性能，符合光伏行业降低成本和提高效率的主旋律
纵观光伏产业发展史，从晶硅太阳能电池到化学薄膜太阳能电池，再到第三代新型薄膜太阳能电池等，电池技术不断迭代，降本增效成为贯穿光伏产业发展的主旋律。钙钛矿电池凭借其性能和成本优势，有望成为许多下游应用场景的最佳解决方案。从成本优势来看，钙钛矿电池原材料比例小，能耗低。与晶体硅电池相比，生产过程所需时间明显更短，集成工厂显著降低了生产成本。根据协鑫纳米的计算，钙钛矿电池的总成本约为0.5元/W，仅为晶体硅最终成本的50%；从性能优势来看，由于钙钛矿材料的带隙宽度接近最佳范围，钙钛矿电池的光电转换效率明显优于传统的晶体硅太阳能电池。单层、双层和三层电池的理论效率分别可达31%、35%和45%。同时，与向太阳发电的晶体硅电池不同，钙钛矿电池可以利用室内照明和室外弱光进行辐照发电，使其在弱光条件下仍能输出25%以上的光电转换效率。
3.发展现状
产业链分析：
与晶体硅电池相比，钙钛矿太阳能电池的生产工艺相对简单。产业链上游由原材料（TCO导电玻璃、粘合膜、光伏玻璃）和设备组成，其中涂层和涂覆设备是钙钛矿电池生产的核心设备。中游是钙钛矿电池的生产商。目前，一些国内领先企业已建成100MW级中试线，引领全球工业化进程。但距离商业化还有一定距离，主要应用在光伏产业、新能源汽车等领域。
产业链的上游是原材料和设备。钙钛矿电池的原材料大多是低价的基础化学材料，如用于钙钛矿层的MAPbl3、用于空穴传输层的Spiro OMeTAD和用于电子传输层的二氧化钛。使用量小，对弹匣不敏感，95%的浓度可以满足生产和使用需求。这一特性决定了钙钛矿电池上游的主要技术壁垒集中在设备侧。钙钛矿电池的核心设备主要包括真空镀膜设备、激光设备和镀膜设备。目前，工业化进程很快，一些制造商已经实现了批量生产和交付。涂层设备负责生产阳极、阴极缓冲层和背面电极。目前，供应商主要为景山轻机，具有成熟的供货能力；涂层设备用于生产钙钛矿层，其中德湖涂层的核心涂层设备在全球市场占有率最高；激光设备主要用于电池的激光蚀刻和激光边缘清洁。目前，迈威、杰普特、天籁激光等相关激光设备均已进入交付阶段。由于钙钛矿的制备过程仍处于验证阶段，钙钛矿电池设备制造商的商业模式大多是先订购或与其他制造商合作。例如，盛诚光伏与协鑫光电在钙钛矿叠层电池领域展开深度战略合作，充分发挥各自技术和设备优势，共同开发钙钛矿和叠层电池的工艺及相关设备。
产业链的中游由众多的钙钛矿电池制造商组成。钙钛矿电池的生产过程涉及多种功能薄膜的制备和采购。透明导电玻璃通常直接从玻璃制造商那里购买，而电极层、电子传输层和空穴传输层的制备路径相对相似，包括磁控溅射法、蒸馏法、反应离子沉积法、狭缝涂层法等。钙钛氧化物层的生产在很大程度上影响着钙钛矿器件的性能，是制备过程的核心环节。成膜质量受环境温度、湿度、含氧量、退火温度、退火时间和操作方法等多种因素的影响。目前，大规模制备钙钛氧化物薄膜的技术主要包括四种方法：溶液涂布法、喷嘴喷涂法、软膜覆盖法和气相沉积法。不同的技术路径各有优势，大规模量产工艺仍在探索中。
从产能角度来看，钙钛矿电池仍处于试生产规划阶段，各家厂商的研发和量产效率持续提升。协鑫光电、先纳光电、极地光电等部分龙头企业产能达100兆瓦。仙纳光电已经出货钙钛矿组件，但成品的整体稳定性和光电性能仍需测试，生产线工艺仍需不断改进。宁德时代、奥联电子、耀能科技、和特光电等新参与者纷纷跟进启动钙钛矿电池中试线建设，有望进一步推动钙钛矿电池加速进入规模化阶段。根据各生产商发布的量产计划，2023年中国钙钛矿组件的产能约为1.25吉瓦，到2030年将达到142吉瓦，处于世界领先地位。同时，生产线的规模效应将进一步降低钙钛矿电池的生产成本。以光纤光电子企业为例，其新建的100MW生产线将使产能增加5倍，但投资额仅为2.4倍。根据企业自己的计算，如果产能继续增长10倍，生产线的投资额将只有2.25倍。
钙钛矿太阳能电池的下游应用场景主要在光伏行业（BIPV、分布式发电厂、地面发电厂）和新能源汽车。从光伏行业来看，钙钛矿叠合晶硅的刚性组件与其他光伏技术相比具有明显优势，可应用于分布式发电厂和地面光伏发电厂；钙钛矿电池的优异特性，如重量轻、厚度小、柔韧性大和半透明性，使其能够制成均匀柔软的透明彩色玻璃柔性组件。这将光伏组件的实用性与建筑设施的美观性完美融合，有望成为BIPV（光伏建筑一体化）的最佳解决方案。国家能源局提出，到2030年底，试点地区党政机关、公共建筑、工商企业、农村居民屋顶安装光伏发电的比例分别达到50%、40%、30%、20%。这一政策可能会推动BIPV成为钙钛矿的最佳工业化路径之一。从新能源汽车的角度来看，将钙钛矿电池应用于汽车太阳能屋顶可以提供更高的光电转换效率，从而缩短充电时间并增加续航里程。根据仁硕太阳能的计算，如果新能源汽车的车顶全部更换为钙钛矿光伏玻璃，那么以2平方米的面积为基础，每天的发电量可以增加40到60公里。
4.发展趋势与前景
钙钛矿的发展道路阻且长，急需克服两大障碍
目前，大规模制备钙钛矿电池的效率低、稳定性差，严重阻碍了产业化发展进程。
一方面，钙钛矿稳定性差是由外部因素和内部因素共同造成的。未来，制造商将专注于材料改性、结构优化和加强封装工艺，以增强钙钛矿器件的稳定性。（1） 材料修改。材料改性是指对钙钛矿电池层、电荷转移层和空穴转移层进行掺杂和改进。例如，通过将Cs+与较小的离子半径混合，增强了FA+与碘化物之间的相互作用，从而增强了钙钛矿层的稳定性；使用具有高光热稳定性的有机-无机杂化材料来增强空穴传输层的稳定性；用SnO2代替传统的TiO2/ZnO以增强电子传输层的稳定性。（2） 结构优化。钙钛矿电池的三明治状结构和离子晶体结构使其难以避免离子迁移引起的相邻功能层之间的相互影响。未来，通过在钙钛矿电池的相邻功能层中添加缓冲层和制备复合电极来优化器件结构，是解决钙钛矿器件内部离子迁移、提高钙钛矿器件稳定性的可行途径。（3） 加强包装。与EVA材料相比，POE具有更好的耐水性和更强的紫外线稳定性，而丁基橡胶具有更低的水蒸气透过率。因此，POE+丁基胶边缘密封的包装方案可以有效解决钙钛矿电池中外部水氧因素导致的不稳定和钙钛矿分解导致的有毒铅泄漏问题。
另一方面，由于大面积薄膜沉积设备和技术的不成熟，以及激光打标产生电阻损失、热损伤和死区的趋势，行业在大规模制备钙钛矿组件时始终无法突破效率和质量低的痛点。未来，结晶工艺的进展（快速成核以提高高薄膜覆盖率；缓慢结晶以改变粗糙度和晶粒尺寸）预计将直接影响大面积钙钛矿器件的光电转换效率。此外，改进激光打标工艺、增加钙钛矿电池的有效照明面积、优化电池的串并联结构也有望成为提高钙钛矿电池大规模制备效率的可行路径解决方案。
随着大规模制备工艺和稳定性差这两大挑战逐渐克服，预计钙钛矿电池行业将在2026年正式进入量产阶段，渗透率有望经历爆发式增长。到2030年，市场规模将达到950亿*
*资料来源：头豹研究院《2022年中国钙钛矿光伏电池行业概览》、东吴证券《钙钛矿行业深度报告：下一代光伏电池新秀，产业化曙光初现》