（报告出品方/作者：国盛证券，杨润思）

一、钙钛矿电池高效率低成本，是光伏领域新希望

1.1钙钛矿电池是第三代电池，单结和叠层技术并行发展

光伏电池根据技术可以分为三类，其中高效电池技术路线为：单晶PERC→TOPcon→异质结（HJT）、全背接（IBC）→背接触异质结（HBC）、TBC、双面异质结（BifacialHJT）→钙钛矿单节/钙钛矿叠层太阳能电池。

第一类：硅基太阳能电池，包含单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。第一代太阳能电池制备成本较高，光电转换效率（PCE）一般，电池器件稳定很好，使用寿命一般在20年左右，目前已经投入市场应用。在晶硅技术路径里，经历了Perc-TOPcon-HJT的三个阶段。

第二类：多元化合物薄膜太阳能电池，包括砷化镓（GaAs）、碲化镉（CdTe）、铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池等，这类薄膜太阳能电池的转换效率（PCE）较高，器件稳定性较好，电池器件制备工艺简单，但电池使用的部分材料元素严重污染环境并且地球储备量很少，阻碍了这代太阳能电池商业化和工业量产。

第三类：新型太阳能电池，包括钙钛矿太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池、量子点太阳能电池等。这类太阳能电池制备工艺简单、原材料地球储备量大、光电转化效率较高。

钙钛矿泛指化学结构通式为ABX3的化合物，合成简单；钙钛矿电池是利用钙钛矿型的有机-无机杂化金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池。钙钛矿是一个大的原子或分子阳离子A（+1价）在一个立方体的中心。一般为甲胺CH3NH3+、甲脒NH2CH=NH2+。立方体的角落被原子B（+2价）占据，通常为正二价锡离子Sn2+、铅离子Pb2+，立方体的表面被一个更小的带负电荷的原子X（-1价）占据，通常为I-、Br-、Cl-等。钙钛矿材料属于人工设计的晶体材料，合成工艺简单，材料配方选择较灵活，可设计性强，具有高光电转换效率、价格低廉、重量轻等优点。

钙钛矿电池根据电荷传输方向不同，可分为n-i-p型和p-i-n型。二者区别在于两种结构传输层顺序相反。n代表电子传输层（ETL），i代表钙钛矿活性层，p代表空穴传输层（HTL）。

正置结构n-i-p型：太阳能电池根据电子传输层结构不同又可分为介孔结构和平面结构。介孔结构即在透明导电基底上依次沉积致密的TiO2电子传输层和TiO2介孔层，介孔层可为钙钛矿的生长提供多孔基底、有效改善薄膜的均匀性、减少缺陷，同时也是支撑钙钛矿的支架。由于薄膜沉积技术提高了钙钛矿薄膜质量，而介孔型钙钛矿制备相对复杂，因此现在普遍使用平面型钙钛矿。平面结构不使用介孔支架，直接制备钙钛矿层，工艺简单，光电转换效率更高。

倒置结构p-i-n型：钙钛矿作为本征半导体夹在两个电荷选择层之间，其制备工艺简单、成本低，可用于钙钛矿叠层器件的制备，且迟滞现象几乎可以忽略。相对ni-p结构而言，p-i-n结构钙钛矿太阳能电池最大的问题是效率不高，提高其效率是目前的研究热点，更适用于柔性电池器件的制备。

钙钛矿太阳能电池工作原理与晶硅电池类似，工作原理均为光生伏特效应。钙钛矿材料介电常数大、激发能低，因此在吸收光子后可以产生空穴-电子对，并在室温下解离。解离的电子迁移至电子传输层（ETL），空穴迁移至空穴传输层（HTM）。电子和空穴分别经电池两侧的透明导电电极（FTO）和金属电极收集，并产生电流。

钙钛矿太阳能电池按技术路径分为叠层和单结。单结钙钛矿电池即只有一个PIN结。叠层钙钛矿电池主要系钙钛矿分别与钙钛矿、晶硅或薄膜电池进行叠层，拥有多层吸光层。钙钛矿电池结构：由导电玻璃、电子传输层（ETL）、钙钛矿活性层、空穴传输层（HTL）和金属电极组成。各层材料可选择较多。

TCO导电玻璃：位于器件最底端，是太阳光和载流子传输的重要部件，其透光率、表面粗糙度、表面方阻等会直接影响器件性能，常用的刚性基底为透明导电玻璃掺氟氧化锡（FTO）、氧化铟锡（ITO），柔性基底通常为ITO/PEN。

电子传输层（ETL）：一般由N型半导体组成，电子传输层在钙钛矿太阳能电池中起着至关重要的作用：①影响钙钛矿材料的晶体结构；②有效提取和输运光生电子；③与光吸收层、电极之间的界面影响载流子输运。电子传输层应与钙钛矿吸光层能级匹配，且具有电子迁移率大、透光率高等特点。目前电子传输材料主要分为两大类:金属氧化物、有机化合物，常见金属氧化物电子传输材料主要有TiO2、ZnO、SnO2等；有机化合物一般为富勒烯衍生物（PCBM）、C60，C60更能有效地传输电子和钝化缺陷，从而减少载流子复合，因此C60性能优于PCBM。

钙钛矿活性层：为钙钛矿太阳能电池的核心层，可吸收一定波长范围内的太阳光，促进光生载流子的解离与输运。一般为有机金属卤化物。

空穴传输层（HTL）：一般由P型半导体组成，空穴传输材料要与钙钛矿层和对电极有着合适的能级匹配，既可以高效地进行空穴的提取和传输，又能有效地阻挡电子的迁移和载流子复合。根据材料组分的不同，空穴传输材料可以分为有机材料和无机材料（NiO、CuOx、CuI和CuSCN）。spiro-OMeTAD是PSCs中使用最早、应用最广泛的P型小分子空穴传输材料。

顶电极：可以是碳电极，或为Au或Ag等贵金属制备的背电极。

钙钛矿能调整带隙宽度，叠层技术可以提高光电转换效率。据索比光伏网数据，钙钛矿材料带隙宽度约为1.2-2.5eV，由于钙钛矿可人工合成，所以钙钛矿能调整带隙宽度，可将两个具有不同带隙的钙钛矿电池叠层以提高光电转换效率。由于各类材料具备不同带隙，不同材料叠层可分别吸收不同光谱的光，可叠层以提高光电转换效率。

不同材料叠层互补，以钙钛矿/晶硅叠层为主，钙钛矿/晶硅两端叠层电池稳态输出效率已经达到32.44%：钙钛矿电池比晶硅电池能更有效地利用高能量的紫外和蓝绿可见光，而晶硅电池可有效地利用钙钛矿材料无法吸收的红外光。

钙钛矿能调整带隙宽度，提高光谱吸收效果，全钙钛矿叠层电池稳态光电转换效率达到29%：全钙钛矿两端叠层电池包括两个子电池：宽带隙顶电池和窄带隙底电池，子电池间通过隧穿复合结以串联的方式连接。叠层器件通过对不同波段的阳光进行分别吸收，从而可以减少由于电子热弛豫所造成的能量损失，从而提升电池的光电转换效率。

钙钛矿和晶硅叠层实现1+1＞2效果，转换效率更高、发展速度最快。钙钛矿太阳能电池可作为顶电池与硅电池形成叠层太阳能电池，即钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池。钙钛矿-硅叠层电池可分为两端叠、三端叠和四端叠。目前单结电池实验室效率记录已达到了25.7%，两端叠电池实验室效率超过31%；而两端叠电池的理论效率可达45%，远高于单结电池的S-Q极限效率33%。

两端叠层电池：两端叠层电池是将钙钛矿电池直接旋涂在硅底电池上，通过中间的透明导电层连接在一起，形成串联电池，两端叠层电池只有顶部和底部两个电极。年由MIT大学Mailoa课题组首次成功制备，实现13.7%转换效率（PCE）。目前两端叠层电池实验室效率超过31%。

三端叠层电池：受限于低带隙电池过小的VOC，难以实现较高的性能，因此发展较为缓慢。

四端叠层电池：可以分立的设计上下两个组件，然后通过机械叠层组合在一起，工艺更加简单，可避免电流匹配对性能限制，因此更有可能实现高PCE、低成本的叠层电池。

根据晶硅电池类型，叠层电池可包括钙钛矿-PERC、钙钛矿-TOPerc、钙钛矿-TOPCon以及钙钛矿-异质结四种。根据年EUPVSEC发布了德国弗劳恩霍夫太阳能研究所的研究报告，据黑晶光电披露：

钙钛矿-PERC电池：主要受限于正表面未钝化的掺磷发射极，这将导致电池Jsc与Voc的降低，预估效率为29.0%，其底电池成本约为0.48欧元/片，相对较低。

钙钛矿-TOPerc电池（PERC增加类似TOPCon的钝化层）：得益于前表面的全局钝化及出色光学电学性能，可得到30.0%光电转换效率。N-TOPCon层（钝化层）中的FCA部分补偿光学增益，并进一步降低多晶硅厚度。替换掺磷发射极与相应工艺的改变降低了此叠层概念成本，底电池0.47欧元/片。

钙钛矿-TOPCon电池：Pero-TOPCon通过全面积钝化接触代替局部Al-BSF适当提高了电池效率，约为30.1%。但是由于背部的银色栅线，底电池成本较高约为0.54欧元/每片。

钙钛矿-异质结电池：转换效率最高为30.7％，但是由于设备和工艺耗材成本增加，底电池成本进一步提高至0.61欧元/片。

1.2与晶硅比，单结/叠层钙钛矿组件理论转换效率更高、生产效率更高

1.2.1追求高转换效率是光伏电池发展核心动力所在，钙钛矿理论转换效率较晶硅更高

追求高转换效率是光伏电池发展的动力所在。在功率大型化发展趋势以及硅料限制下，光伏电池发展只有提高转换效率这条路径，而晶硅电池的转换效率逼近材料理论极限效率，从而发展出了钙钛矿太阳能电池。钙钛矿电池能够实现更高的转换效率，发展空间大于晶硅电池，以及对降本的追求，量产后的钙钛矿电池成本相较于晶硅电池更低，降本增效效果更加显著。钙钛矿弱光性能优异，具备高转换效率。弱光性能与材料带隙数值有关，半导体材料以1.4eV为最优带隙，材料带隙越接近1.4eV则效率越高。由于钙钛矿可人工设计，因此钙钛矿材料存在带隙宽度，据中科院物理研究所数据，钙钛矿材料带隙宽度约为1.2-2.5eV，所以钙钛矿弱光性能优势优异。对比晶硅材料，晶硅带隙约1.1eV，远低于钙钛矿材料带隙最低值。

晶硅电池转换效率已逼近极限29.4%，钙钛矿理论效率高于晶硅电池，发展空间更大。在理论极限下，晶硅太阳能电池、PERC单晶硅电池、HJT电池、TOPcon电池的极限转换效率分别为29.40%、24.50%、27.50%、28.70%。而单结钙钛矿电池理论最高转换效率达31%，多结钙钛矿电池理论最高转换效率达45%，远高于晶硅电池的29.4%。现实条件下，晶硅电池可实现的工程极限效率是27.1%；量产电池方面，根据中国光伏行业协会（CPIA）预测，到年，常规PERC晶硅电池效率24.1%，HJT电池效率26%，TOPcon电池效率25.6%，IBC电池效率26.2%，均逐步逼近材料理论极限。

钙钛矿电池逐步突破转换效率，效率提升速度明显快于晶硅电池。根据最新的NREL最佳实验室电池转换效率图，单结钙钛矿电池的实验室最高效率为25.7%，钙钛矿-硅串联电池的实验室最佳转换效率为32.5%，远高于晶硅电池的实验室最高效率27.6%。年第一个钙钛矿电池被生产出来时，其转换效率仅有3.8%，短短13年左右时间，单结钙钛矿电池实验室转换效率由3.8%提升至25.7%，而晶硅太阳能电池转换效率提升花费约40-50年，钙钛矿电池发展迅速。

1.2.2钙钛矿电池投资成本低、产能成本低、降本空间大、生产效率高，竞争优势足

单结钙钛矿电池投资成本优势明显，单GW投资成本仅为晶硅电池的一半。据协鑫光电披露，以1GW产能需要的投资金额来对比，晶硅的硅料、硅片、电池、组件全部加起来，需要大约9.6亿元的投资规模，其中晶硅电池生产中硅料厂的投资成本约3.45亿元，硅片厂的投资成本为4亿元，电池片厂和组件厂的投资成本分别为1.5亿元和0.65亿元；而钙钛矿实现1GW产能需要的投资金额仅约为5亿元左右，是同级别晶硅电池生产成本的1/2左右，对比第二代GaAs薄膜太阳能电池，成本约为其1/10。

单结钙钛矿电池5-10GW级别量产后产能成本仅为晶硅电池1/2。

钙钛矿电池材料成本低拉低综合成本水平。据协鑫光电数据，单片组件成本结构中，钙钛矿占比约为5%，玻璃、靶材等占到另外的2/3，钙钛矿5-10GW级别量产总成本约为5毛-6毛钱，是晶硅极限成本的50%。

钙钛矿电池产业链垂直一体，涉及生产设备少，生产效率更高。钙钛矿电池产业链明显短于晶硅电池产业链，钙钛矿厂输入化工原料、玻璃、靶材、封装胶膜、接线盒，输出直接为组件。根据协鑫光电透露，MW单一钙钛矿电池工厂，从玻璃、胶膜、靶材、化工原料进入，到组件成型，总共只需45分钟。而对于晶硅来说，硅料、硅片、电池、组件需要四个以上不同工厂生产加工，倘若所有环节无缝对接，一片组件完工需要三天左右的时间，用时差异很大。

钙钛矿电池设备摊销费用低，生产过程简单，后续降本空间大。钙钛矿涉及生产环节少，生产设备少，设备摊销费用低，且产业链短更易维护，后续有望通过规模量产降本。

钙钛矿电池能耗成本低。从能耗看，每1W单晶组件制造的能耗，约为1.52kWh，而钙钛矿组件能耗为0.12kWh，单瓦能耗只有晶硅的1/10。

理论测算中，钙钛矿/晶硅叠层组件生产成本低于PERC电池片。年德国弗劳恩霍夫太阳能研究所的研究报告基于PERC、TOPerc、TOPCon和异质结四个硅底部电池，结合透明导电复合层（ReCo）及隧穿层（SIT）概念，对所有与钙钛矿串联的叠层电池概念进行成本测算，由于减少步骤，PERC、TOPerc、TOPCon底电池制造成本均低于目前主流的PERC电池片。

钙钛矿原材料用量少，占比仅3%，不存在原材料卡脖子问题，并避免材料稀缺性涨价。钙钛矿制作过程无需硅料，制作金属卤化物钙钛矿所需原材料储量丰富，价格低廉。硅片厚度通常为微米，而钙钛矿组件中，钙钛矿层厚度大概是0.3微米，相差三个数量级。从钙钛矿组件成本结构占比来看，成本构成最多的是玻璃及其他封装材料，达34%，而钙钛矿自身的材料成本占比仅为3.1%。而且钙钛矿生产过程中的能耗比较低，多数环节也无需真空环境，未来仍有较大的降本空间。

从LCOE角度，单结和多结钙钛矿电池整体度电成本较低。从年陈棋发布《钙钛矿叠层光伏技术成本分析》看，在四种太阳能电池（PERC多晶硅电池、单结钙钛矿电池、钙钛矿/晶硅叠层电池、钙钛矿/钙钛矿叠层电池）的转换效率分别设定为21%、19%、25%和23%，系统寿命统一假设为20年下，实验室内四个太阳能电池LCOE分别为：5.50/KWh、4.34/KWh、5.22/KWh、4.22/KWh。钙钛矿电池的材料成本要低于多晶硅电池，使得单结和多结钙钛矿电池的整体度电成本得以降低。

叠层技术可助力降低LCOE。年德国弗劳恩霍夫太阳能研究所的研究报告基于PERC，TOPCon和异质结四个硅底部电池，分析不同叠层电池在地面电站与分布式电站应用上的LCOE，发现与传统PERC电池相比，所有叠层概念都会产生明显更低LCOE，有望将LCOE降低约11％。即通过钙钛矿叠层技术，太阳能电池的度电成本还将有所下降。

未来发展中，钙钛矿电池降本空间大。

单结钙钛矿转换效率已达25.7%，转换效率提高，LOCE可做到更低。钙钛矿是直接带隙材料，吸光能力远高于晶硅，目前实验室单结钙钛矿转换效率已达25.7%，全钙钛矿叠层电池转换效率已达28.0%，钙钛矿-硅串联电池的实验室最佳转换效率为32.5%，转换效率已提高，LOCE可做到更低。

钙钛矿电池寿命可达30年。年2月纤纳光电科技宣布，其自主研发的钙钛矿量产组件顺利通过了基于IEC标准的稳定性加严测试，可保持30年稳定性，即使转换效率和PERC组件相当，也能降低太阳能度电成本（LCOE）至0.2元。

钙钛矿温度系数绝对值低于晶硅两个量级，受温度影响低，实际发电效率高于晶硅。晶硅组件的温度系数是-0.3左右，这意味着，温度每上升1度，功率会下降0.3%。也就是说，如果出厂标定是20%的效率，在实际应用场合，当温度升到75度，效率大约就只剩16%、17%。钙钛矿的温度系数为-0.，非常接近于0，因此它的实际发电效率就会显著高于晶硅。

钙钛矿为人工合成，可选原材料范围广，材料降本可能性大。年陈棋发布《钙钛矿叠层光伏技术成本分析》，表示材料成本对于平准化度电成本的影响较大，而设备成本的变化几乎不影响系统的平准化度电成本。考虑到钙钛矿可人工合成，可选原材料范围广，所以材料降本可能性大。

1.3下游应用场景丰富，

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