钙钛矿电池产业链深度报告(四):效率极限探索下,叠层电池振翅欲飞

（以下内容从国泰君安《》研报附件原文摘录）
　　摘要 叠层电池有望提升理论光电转换效率至46%，技术路线选择受工艺及量产成本影响。受益于钙钛矿优异的光电转化性能与连续可调的带隙分布，钙钛矿电池可与其他光伏电池组成叠层电池，将太阳能电池理论效率提升至46%。叠层电池根据器件组合方式可分为两端与四端结构，两端可大幅降低封装耗材用量，但制备难度较高，四端工艺两个子电池相互独立，制备工艺成熟，但未来降本空间有限。 全钙钛矿电池材料成本最低，钙钛矿/晶硅叠层当前最具性价比。钙钛矿-钙钛矿叠层电池降本空间显著，其中辅材成本与设备投资成本具有明显优势，但当前该类电池也受限于钙钛矿材料的稳定性与吸光质量。钙钛矿-晶硅两端叠层兼具钙钛矿与晶硅优势，其中，钙钛矿-HJT电池凭借工艺适配度及效率潜力，受到产业端青睐，目前主要掣肘在顶电池沉积工艺及光学损失。 叠层设备沿袭晶硅与单结钙钛矿，真空蒸镀与ALD助力工艺进步。在钙钛矿-晶硅叠层上层制备中，相较于涂布工艺，真空蒸镀可直接在晶硅电池上层金字塔绒面结构镀膜，形成致密均匀薄膜，随着关键器件国产化及规模化，真空蒸镀有望进一步降本。ALD精度高、三维共形性好，能够制备大面积均匀、致密的薄膜，可用于制备叠层电池的致密SnO2电子传输层与中间隧穿层等。随着各类钙钛矿电池产业化，ALD有望通过规模放量实现可观增长。 光伏龙头布局晶硅叠层，多路线推动产业发展。目前，上市公司布局主要聚焦于钙钛矿-晶硅叠层，钙钛矿叠Perc/Topcon/HJT多路线并存，例如隆基绿能、通威股份等光伏龙头相继入局，有望推动叠层电池产业化发展。初创公司叠层电池涵盖全钙钛矿叠层、钙钛矿-晶硅叠层、钙钛矿-铜铟镓硒叠层等多领域，路线胜出取决于提效降本效果。 风险提示：叠层电池技术提升不及预期、成本下降不及预期、下游应用需求不及预期 本期作者：肖洁，鲍雁辛 感谢博士后工作站文越对本报告的贡献 1? 叠层电池提效空间广阔，路线选择取决于 工艺与成本 1.1? 叠层电池结构拓宽理论转化效率至46%， 钙钛矿搭配灵活多样 叠层电池技术有望提升太阳能电池理论效率至46%。由于太阳光光谱的能量分布较宽，现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中能量比其禁带宽度值高的光子。太阳光中能量较小的光子将透过电池被背电极金属吸收，转变成热能；而高能光子超出禁带宽度的多余能量，则通过光生载流子的能量热释作用传给电池材料本身的点阵原子，使材料本身发热。这些能量都不能通过光生载流子传给负载，变成有效电能，限制了单结太阳能电池的转换效率极限。针对此类问题，钙钛矿叠层电池开辟了新的思路：钙钛矿的光电转化性能优异且带隙连续可调，可通过控制A、B、X实现带隙与能级分布的连续调整。因此，钙钛矿可以搭配其他半导体材料，按禁带宽度从小到大、光谱波段由长到短从底向顶叠合，让波长最短的光被最外侧的宽隙材料电池利用，波长较长的光能够透射进去让较窄禁带宽度材料电池利用，从而减小单结电池中载流子热驰豫导致的能量损失，拓宽太阳能光谱的利用范围，实现光子全方位吸收。叠层电池效率可突破Shockley-Queisser (SQ)极限，理论最高极限可拓宽至46%以上。 图1：单结太阳能电池转换效率面临瓶颈 资料来源：协鑫光电，国泰君安证券研究 图2：叠层电池结构实现光能利用互补 资料来源：《两端钙钛矿/晶硅叠层太阳电池研究进展》 图3：钙钛矿电池带隙覆盖半导体电池最优吸光带隙 资料来源：索比光伏网 图4：钙钛矿电池带隙覆盖半导体电池最优吸光带隙 资料来源：索比光伏网 图5：双结叠层电池分波段利用太阳光谱 资料来源：《Metal halide perovskite tandem and multiple-junction photovoltaics》 1.2? 叠层提效优势显著，路线选择取决于 量产成本 叠层电池可由钙钛矿电池与钙钛矿/晶硅/铜铟镓硒薄膜电池组成。 叠层电池顶层常用高禁带宽半透明电池吸收较高能量的光子，该层一般由钙钛矿电池组成。下层则通过低禁带宽电池吸收较低能量光子，多为窄带隙钙钛矿电池、晶硅电池、碲化镉/铜铟镓硒薄膜电池。叠层电池可以通过宽带隙的钙钛矿吸收波长较短的光，窄带隙的底电池吸收波长较长的光，以提高对太阳能光谱的吸收范围，大幅增加光电转换效率。此外，由于叠层电池多采用直接复合结构，辅材、配件等成本得以节省，具备低降本潜力。 图6：两端钙钛矿-钙钛矿、钙钛矿-晶硅与钙钛矿-铜铟镓硒电池电池结构对比 资料来源：Nano Lettters《Atomistic Origins of High-Performance in Hybrid Halide Perovskite Solar Cells》，Advanced Functional Materials《Humidity-Induced Degradation via Grain Boundaries of HC(NH2)2PbI3 Planar Perovskite Solar Cells》 图7：叠层电池显著提升理论效率天花板，产业端仍有拓展空间 资料来源：公司公告，国泰君安证券研究 叠层主要分为2T和4T，路线选择取决于量产成本。按照子电池电极之间的连线形式，叠层电池可分为两端式（2T）和四端式（4T）。1）2T叠层电池指在底层电池上直接沉积钙钛矿电池，通过互联层或隧穿结将两个子电池串联连接，只需要一个顶端透明电极（不包括背电极），最小化电极光学损失，大幅降低封装耗材用量，工艺流程简洁，远期最具降本空间。但该类电池制备难度较高，中间复合层和上端顶电极的制备不能损坏底电极，效率受到电流较小电池的限制，且良率要求更高。目前仁烁光能、隆基绿能等企业采用此种方法。2）4T叠层电池：放宽了两子电池的匹配条件，使制备更加容易，且每个子电池独立输出，不会相互受制，效率是两子电池之和。但这种结构需要3个透明电极（不包括背电极）、更多的辅材与结构件。目前合特光电、隆基绿能等企业有相关布局。 图8：2T与4T叠层电池结构对比 资料来源：《Integration of Subcells in III-V//Si Tandem Solar Cells》 2? 全钙钛矿叠层降本潜力最大，钙钛矿-晶硅 叠层性价比显著 叠层电池方案多样，按照底电池可分为钙钛矿-钙钛矿叠层、钙钛矿-晶硅叠层、钙钛矿-薄膜电池（CIGS）叠层。按照连接方式可分为两端和四端叠层。当前，产业化主要方向聚焦于钙钛矿-钙钛矿叠层及钙钛矿-晶硅叠层，也有部分公司率先进行四端钙钛矿-晶硅叠层布局。 表1：常见太阳能叠层电池对比 资料来源：公司公告，HZB，国泰君安证券研究 2.1? 钙钛矿-钙钛矿叠层降成本潜力最大， 技术瓶颈亟待突破 钙钛矿-钙钛矿叠层电池降本空间显著。该类叠层电池顶、底电池均为钙钛矿电池，理论上高效率的顶电池禁带宽以1.7~1.9eV的宽带隙顶电池最佳，底电池以0.9~1.2eV的窄带隙顶电池最佳。从成本端看，钙钛矿-钙钛矿叠层电池降本空间最大：1）辅材成本尤其导电玻璃消耗并未增长，仅电池材料（传输层、钙钛矿层）成本为单结两倍左右，随着规模化提升，电池材料占比将随产业成熟度而大幅降低，从材料成本端看，钙钛矿-钙钛矿全叠层电池将最具吸引力；2）从设备投资看，封装、检测设备、背电极制备设备无需增加，设备投资保守估计仅为单结1.8倍，且随着规模化发展，折旧成本将被摊薄。根据我们测算，以GW级产线、单结电池转换效率18%、叠层电池效率25%测算，单结电池成本为1.03元/W、钙钛矿-钙钛矿叠层成本为1.18元/W，其中主要增长在电池材料及折旧，随着产业规模化发展，两类成本具备大幅降本空间，钙钛矿-钙钛矿叠层凭借其成本端吸引力，有望实现突围。 图9：钙钛矿-钙钛矿叠层电池结构 资料来源：《Efficient twoterminal all-perovskite tandem solar cells enabled by highquality low-bandgap absorber layers》，国泰君安证券研究 图10：随着钙钛矿电池规模化玻璃及辅材占比逐渐提升（元/W） 注：以单结钙钛矿电池作为测算依据 资料来源：公司公告，国泰君安证券研究测算 图11：单结与钙钛矿叠层成本对比（元/W） 注：假设产线均为GW级，良率达到90% 资料来源：公司公告，国泰君安证券研究测算 当前材料稳定性及吸光质量掣肘全钙钛矿叠层电池发展。目前，限制全钙钛矿叠层电池效率的主要有三个因素：1）当前部分将Pb替换成Sn是制备窄带隙电池的主要方法，但Sn2+容易被氧化成Sn4+，且Sn-I键比Pb-I容易断裂，易与水、氧气发生反应；2）全钙钛矿叠层电池互联界面为平面，平面界面的光反射降低了窄带隙钙钛矿电池对长波光谱利用率；3）窄带隙电池沉积过程中存在溶剂对宽带隙钙钛矿电池降解的风险，需要制备致密中间层，防止对下电池进行溶剂和离子扩散。开发新型材料、添加剂及工艺提升是解决当前全钙钛矿电池效率及稳定性问题的重要方法。 2.2? 钙钛矿崛起有望提升POE需求钙钛矿-晶硅 两端叠层兼具钙钛矿-晶硅优势，产业化关 键在光电学匹配，国产替代创造新格局 钙钛矿-晶硅两端叠层性价比最优，产业化路径顺畅。硅带隙为1.1eV，非常适合作为叠层电池底电池，顶电池则为宽带隙钙钛矿电池。当前钙钛矿-HJT电池在产业化中得到最多实践，主要由于：1）从工艺端看匹配度最佳：HJT制备流程短，改造简单，且同样采用薄膜沉积工艺，其TCO层能够同钙钛矿电池匹配；2）晶硅电池中HJT效率天花板最高。综合来看，钙钛矿-晶硅两端叠层最具性价比，主要由于：1）当前晶硅产线已相对成熟，与全钙钛矿叠层相比，良率与一致性较高；2）两端叠层方式使其同样节省辅材成本；3）钙钛矿面积需要与HJT面积匹配，如210mm、166mm尺寸等，不再制备大尺寸钙钛矿（如1m*2m），在小面积下，钙钛矿电池效率及稳定性将更优异，有助于叠层电池整体性能提升。当前，光伏龙头如隆基、通威纷纷入局，预计钙钛矿-晶硅叠层产业化有望加速。 钙钛矿电池沉积为难点，光学损失需进一步改善。目前，钙钛矿-晶硅叠层电池的主要难点在如何在异质结表面的绒面金字塔结构上沉积薄膜（通常在平整导电玻璃上），湿法涂布目前难以实现高效率沉积，真空蒸镀在该领域成为优选。此外，由于钙钛矿和硅材料之间存在较大的折射率差异（可见光波长为800 nm时，钙钛矿折射率为2.4，nc-Si折射率为3.7），顶、底电池之间的近红外光的反射损失严重，会导致硅底电池中的光电流降低。目前常通过减反层与陷光结构等方式降低反射损失。 图12：钙钛矿-异质结叠层电池结构 资料来源：《Research progress of high-efficiency double-junction perovskite tandem solar cells》 图13：两端钙钛矿-硅叠层太阳电池中常用的陷光策略 资料来源：《高效钙钛矿太阳电池及其叠层电池研究进展》 2.3? 四端叠层工艺传导顺畅，中短期 钙钛矿-晶硅叠层低成本吸睛 钙钛矿-晶硅四端叠层工艺传导顺畅，快速提升晶硅电池效率。四端式叠层中两个子电池在电路上是独立的，从结构上有多种匹配方式，主要分为堆叠式、光谱分离式和反射式。该类电池从制造上不相互影响，效率为两者之和，良率最高，但需要考虑电流、寿命匹配问题。且由于辅材成本设备投资并未节省，成本上可能承压。 中短期钙钛矿-晶硅叠层最具低成本优势。由于当前晶硅电池发展更为成熟，制备工艺更简单，中短期相应叠层电池光电转换效率有望高于全钙钛矿叠层电池。我们对全钙钛矿、钙钛矿-晶硅2T叠层、钙钛矿-晶硅4T叠层三条主要路径进行成本分析，假设均在GW级量产规模，效率分别达到25%、30%、30%，经测算，钙钛矿-晶硅2T路线成本最低，仅为1.06元/W，4T路线成本最高，达到1.28元/W。随着叠层效率进一步提升，叠层电池瓦时成本有望低于单结电池。 图14：4T叠层电池结构细分 资料来源：《钙钛矿/晶硅叠层太阳电池关键材料与技术研究进展》 表2：成本测算关键假设 资料来源：PV infolink，公司公告，国泰君安证券研究 图15：三类主流叠层电池GW级中短期成本比较 资料来源：PV infolink，公司公告，国泰君安证券研究 3? 叠层设备沿袭晶硅与单结钙钛矿，增量 关注真空蒸镀与ALD 3.1? 钙钛矿-晶硅叠层上层制备为关键，真空 蒸镀助力钙钛矿薄膜均匀生成 真空蒸镀法是提升晶硅-钙钛矿叠层电池效率的较优选择。同单结钙钛矿电池直接在光滑平整的FTO玻璃上制备不同，钙钛矿-晶硅叠层的钙钛矿薄膜需要在晶硅电池表面的绒面陷光结构上制备。狭缝涂布等溶液法成本低、制备简单，但容易在绒面结构上形成不连续或过厚的薄膜，从而影响钙钛矿电池的光电转换效率。例如，如果溶液添加量过少，部分绒面金字塔顶部无法被钙钛矿薄膜覆盖，上层电池容易短路；溶液添加量过多，则金字塔底部区域薄膜过厚，会导致光生载流子迁移距离过长，影响电池效率。因此，真空蒸镀在真空环境下通过气化、物理/化学沉积制膜，可有效规避下层非光滑结构，形成致密均匀薄膜，目前为钙钛矿-晶硅叠层电池较优选择。此外，通过增加增阻结构以实现纳米结构的填充和增阻，从而得以利用湿法涂布制备上层钙钛矿薄膜，也可能成为未来叠层电池迭代方向之一。 图16：晶硅电池表面制绒以减少反射损失 资料来源：《基于绒面硅衬底的钙钛矿太阳能电池工艺研究》 图17：湿法涂布易导致钙钛矿薄膜涂覆不均匀 资料来源：隆基绿能专利 图18：常见钙钛矿-晶硅叠层电池工艺流程 资料来源：国家专利局，国泰君安证券研究 真空蒸镀有望通过器件国产化实现降本。钙钛矿用真空蒸镀设备多从OLED领域迁移而来，而钙钛矿电池对真空蒸镀精度要求更低，例如OLED制备中粗糙度要求低于±2%，而钙钛矿仅需低于±5%。钙钛矿对位精度及蒸镀层数远远低于OLED用蒸镀机，无需团簇式结构，气密性要求低，为蒸镀机在钙钛矿中的应用提供了降本可能。当前真空蒸镀蒸发源及部分阀门已实现国产化，随着规模化上量，及对真空泵、关键阀门的技术迭代，真空蒸镀机有进一步降本可能。此外，对钙钛矿-晶硅叠层电池来说，包括PVD、RPD、ALD在内的全真空环境有利于加快生产节拍，设备之间仅需增加缓冲腔对接，无需反复增压降压，有利于提升单位产能、降低组件成本。 图19：欣奕华in-line蒸镀设备，可用于汽车尾灯、照明等PMOLED面板、WOLED面板、光伏钙钛矿电池 资料来源：公司官网 表3：真空蒸镀设备厂商布局 资料来源：公司公告，国泰君安证券研究 3.2? ALD应用于钙钛矿电池多领域，高共形高 精度助力效率升级 ALD在钙钛矿中应用领域众多，有望通过放量增长。ALD（原子层气相沉积）是一种真空薄膜沉积方法，将物质以单原子层的形式一层一层沉积在基底表面，每镀膜10次/层约为1nm。由于其三维共形性好、可广泛适用于不同形状的基底、可大面积形成均匀、致密的薄膜，并实现亚纳米级的薄膜厚度控制，十分适用于单结电池中SnO2类电子传输层的制备、封装缓冲层的制备。在钙钛矿叠层电池中，由于SnO2是制备窄带隙电池的关键，ALD常用于制备致密SnO2电子传输层。ALD也常被用于制备中间隧穿层，以实现紧凑均匀的中间层构建，以同时满足电学、光学和化学性质的要求。当前，光伏领域单台ALD设备价格约500万-700万元，随着各类钙钛矿电池产业化，ALD有望通过规模放量实现可观增长。ALD龙头公司微导纳米已取得XBC电池、钙钛矿-异质结叠层电池订单。 图20：ALD常用于各类钙钛矿电池精密膜层制备 资料来源：国家专利局，国泰君安证券研究 3.2.1? 微导纳米 微导纳米专注ALD设备领域，盈利稳步提升。微导纳米背靠先导智能，以原子层沉积（ALD）技术为核心，主要从事先进微、纳米级薄膜沉积设备的生产。公司率先将产品应用于新型高效太阳能电池（XBC、TOPCon等）的薄膜沉积环节，已向通威太阳能、隆基股份、晶澳太阳能等头部太阳能电池生产商实现供货。随着在ALD技术在光伏领域的成功应用，公司营收自2019年迅速起量，随后稳步增长，光伏领域ALD设备收入占比超过90%，毛利率保持在50%左右。2021年，公司开发了应用于半导体领域的ALD设备，打破国外技术壁垒，营收向好发展。光伏领域，公司是薄膜沉积设备的领军者，拥有ALD、PECVD等一系列完整的产品矩阵，目前已取得XBC电池、钙钛矿-异质结叠层电池订单。ALD工艺优异的沉积均匀性和一致性使其在TOPCon等下一代太阳能电池中有良好的应用前景，为公司的后续发展提供了广阔市场空间。2022年12月，公司使用IPO募资10亿元，投建光伏及柔性电子设备和半导体领域ALD设备升级项目等，助力公司扩大ALD技术优势，稳固龙头地位。 图4：钙钛矿电池带隙覆盖半导体电池最优吸光带隙 资料来源：招股说明书，国泰君安证券研究 图22：微导纳米毛利有所下降主要由于PERC路线竞争较为激烈 资料来源：招股说明书，国泰君安证券研究 表4：微导纳米募投项目 资料来源：招股说明书，国泰君安证券研究 表5：ALD设备厂商布局 资料来源：公司公告，国泰君安证券研究 4? 光伏龙头布局晶硅叠层，多路线推动 产业发展 目前，上市公司布局主要聚焦于钙钛矿-晶硅叠层，钙钛矿叠Perc/Topcon/HJT多路线并存，其中晶硅-HJT更受青睐。隆基绿能商业级绒面CZ硅片上实现了晶硅-钙钛矿叠层电池31.8%的转换效率。通威股份钙钛矿-硅叠层实验室已于2022年内投入使用，小尺寸钙钛矿-晶硅叠层电池实验室第三方认证效率达到27.19%。其他光伏龙头如晶科能源、爱旭股份、华晟新能源、天合光能等纷纷入局钙钛矿-晶硅叠层，预计将有力推动叠层电池产业化发展。初创公司叠层电池涵盖全钙钛矿叠层、钙钛矿-晶硅叠层、钙钛矿-铜铟镓硒叠层等多领域，路线胜出取决于效率及降本成效。 表6：叠层钙钛矿电池企业布局动态一览 5? 风险提示 钙钛矿电池技术提升不及预期。当前大面积钙钛矿电池效率最高只有15%，低于当前主流晶硅电池光电转换效率。钙钛矿产业化发展有赖于通过技术进步而提高钙钛矿电池光电转换效率、长效稳定性等，以使其具备可与晶硅电池媲美的性能。如果钙钛矿电池技术提升不及预期，将影响其在地面电站、分布式电站等多处应用前景。 钙钛矿电池产业链推进不及预期。当前钙钛矿电池尚未形成产业链，上游成本较高，部分原料需要定制生产。钙钛矿产业的降本同样依赖于产业链的完善。如果钙钛矿电池产业链推进不及预期，或对钙钛矿经济性提升产生影响。 钙钛矿电池下游应用需求不及预期。钙钛矿电池下游应用首先为BIPV，其次可能在地面电站、VIPV等多场景开展应用。BIPV项目的经济性及成熟度将首要影响钙钛矿电池的下游需求。其次，如果长期地面电站、VIPV等需求不及预期，钙钛矿产业发展也可能受到影响。 联系我们 文越 电话/微信: +86 18916388825 E-mail: wenyue026056@gtjas.com 肖洁 电话：021-38674660 邮箱：xiaojie@gtjas.com 鲍雁辛 电话：0755-23976830 邮箱：baoyanxin@gtjas.com 国泰君安证券研究 上海 地址：上海市静安区新闸路669号博华广场20层 邮编：200041 电话: (021) 38676666 E-mail: gtjaresearch@gtjas.com 深圳 地址：深圳市福田区益田路6009号新世界中心34层 邮编：518026 电话: (0755) 23976888 北京 地址：北京市西城区金融大街甲9号金融街中心南楼18层 邮编：100032 电话: (010) 83939888 法律声明 本公众订阅号(微信号: industryRCofG)为国泰君安证券研究所产业研究团队依法设立并运营的微信公众订阅号。本团队负责人鲍雁辛具备证券投资咨询（分析师）执业资格，资格证书编号为S0880513070005。 本订阅号不是国泰君安证券研究报告发布平台。本订阅号所载内容均来自于国泰君安证券研究所已正式发布的研究报告，如需了解详细的证券研究信息，请具体参见国泰君安证券研究所发布的完整报告。本订阅号推送的信息仅限完整报告发布当日有效，发布日后推送的信息受限于相关因素的更新而不再准确或者失效的，本订阅号不承担更新推送信息或另行通知义务，后续更新信息以国泰君安证券研究所正式发布的研究报告为准。 本订阅号所载内容仅面向国泰君安证券研究服务签约客户。因本资料暂时无法设置访问限制，根据《证券期货投资者适当性管理办法》的要求，若您并非国泰君安证券研究服务签约客户，为控制投资风险，还请取消关注，请勿订阅、接收或使用本订阅号中的任何信息。如有不便，敬请谅解。 市场有风险，投资需谨慎。在任何情况下，本订阅号中信息或所表述的意见均不构成对任何人的投资建议。在决定投资前，如有需要，投资者务必向专业人士咨询并谨慎决策。国泰君安证券及本订阅号运营团队不对任何人因使用本订阅号所载任何内容所引致的任何损失负任何责任。 本订阅号所载内容版权仅为国泰君安证券所有。任何机构和个人未经书面许可不得以任何形式翻版、复制、转载、刊登、发表、篡改或者引用，如因侵权行为给国泰君安证券研究所造成任何直接或间接的损失，国泰君安证券研究所保留追究一切法律责任的权利。

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