2023年中国新能源之钙钛矿电池产业洞察报告

钙钛矿泛指化学结构通式为ABX3 的化合物。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新型太阳能电池，可分为单结钙钛矿电池、叠层钙钛矿电池，具有高能量转化效率、价格低、重量轻、半透明等优良特性，既可做成刚性电池组件应用于集中式电站、分布式电站，又可做成柔性电池组件应用于新能源光伏车顶。

钙钛矿电池由金属对电极、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堆叠形成，按照各功能层的排列顺序可将其结构大致分为介孔结构、正式平面结构和反式平面结构三类。此外，体异质结、梯度异质结等新型组件结构也正处于研发之中。其中，反式平面结构具有制备工艺简单、成膜温度更低、与叠层电池器件结构兼容性好等优点，是现阶段钙钛矿电池厂商产业化过程中采用的主流结构。

发展历程：能量转化效率不断突破

钙钛矿电池发展历程主要分为发展萌芽阶段（2006-2012年）、初期发展阶段（2012-2015）、快速发展阶段（2016年至今），经历了形态从液态转变为固态、能量转换效率不断突破的过程。相比晶硅光伏电池历经40余年达到29.4%的光电转换效率，钙钛矿光伏电池从3.8%提升至31.3%仅用13年。而随着钙钛矿电池转换效率的提升，其产业化进程亦在不断提速，相关厂商未来研究方向将着眼于克服稳定性不足以及发展大规模制备工艺。

发展环境

国家多项利好政策出台，钙钛矿产业发展步入快车道

作为第三代非硅薄膜电池的代表，钙钛矿电池具有高光电转换效率、低成本、低能耗、应用场景广的优势，近年来获得了国家政策的大力支持。2021年末，发展钙钛矿电池关键材料及制备技术同时被科技部列入“十四五能源领域科技创新规划”和 “高端功能智能材料”重点专项；2022年4月，中国光伏协会设立的钙钛矿行业标准为中国钙钵矿光伏电池的科研研究与产业化发展奠定了基础，有利于推进钙钛矿光伏电池标准化工作并助力其规模化发展；进入2022年下半年，钙钛矿电池先后四次获能源局、科技部、发改委多部门联合点名认可并积极推动研究、示范和产业化发展工作。

未来，国家能源局和科技部将继续充分发挥规范和引导作用，并辅以中国光伏协会持续完善钙钛矿行业标准和技术指标，国内钙钛矿电池的产业顶层架构将更为完善，市场规模有望迎来高速增长。

钙钛矿电池成本低、性能佳，契合光伏产业降本增效主旋律

纵观光伏产业的发展史，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，电池技术不断迭代，降本增效成为了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上的优势，有望成为诸多下游应用场景的最优解。从成本优势来看，钙钛矿电池原材料占比少且能耗较低，制程相比晶硅电池耗时显著缩短，一体化工厂大幅降低生产成本。根据协鑫纳米测算，钙钛矿电池总成本约为0.5元/W，仅为晶硅极限成本的50%；从性能优势来看，得益于钙钛矿材料的带隙宽度与最优区间极为接近，钙钛矿电池光电转换效率明显优于传统晶硅太阳能电池，单层、双节叠层、三节层电池理论效率分别可达31%、35%、45%。同时，不同于晶硅电池向阳发电，钙钛矿电池可将室内照明与室外弱光利用起来进行辐照发电，使其在弱光条件下仍可输出25%以上的光电转换效率。

发展现状

产业链剖析：

相比晶硅电池，钙钛矿太阳能电池的生产工艺流程较为简单，产业链上游由原材料（TCO 导电玻璃、胶膜以及光伏玻璃）和设备构成，其中涂布、镀膜设备是钙钛矿电池生产的核心设备。中游是钙钛矿电池生产商，现阶段国内部分龙头企业已搭建100MW级别中试线，产业化进程在全球范围内处于领先，但距离实现商业化仍存在一定距离，目前主要应用于光伏产业、新能源汽车等。

产业链上游为原材料和设备。钙钛矿电池原材料多为价格较低的基础化学材料，如钙钛矿层的MAPbl3，空穴传输层的Spiro-OMeTAD，电子传输层的二氧化钛等，用量少且对杂志不敏感，95%浓度即可满足生产使用需求，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端。钙钛矿电池核心设备主要包括真空镀膜设备、激光设备和涂布设备，现阶段产业化进度较快，部分厂商已实现量产交付。镀膜设备负责生产阳极、阴极缓冲层及背电极，目前供应商以京山轻机为主，现已具备成熟的供货能力；涂布设备用来生产钙钛矿层，其中德沪涂膜的核心涂布设备全球市占率第一；激光设备主要用于对电池进行激光刻蚀和激光清边，目前迈为、杰普特、帝尔激光等相关激光设备均已迎来出货交付阶段。由于钙钛矿制备工艺尚处于验证阶段，因此钙钛矿电池设备厂商的业务模式多为订单先行或采取与其他生产厂商合作，如晟成光伏与协鑫光电在钙钛矿叠层电池领域展开深入战略合作，充分发挥各自在工艺、设备上的优势，联合开发钙钛矿与叠层电池的工艺及相关设备。

产业链中游由众多钙钛矿电池厂商构成。钙钛矿电池的生产过程包含多个功能薄膜的制备及采购，透明导电玻璃通常从玻璃厂商处直接采购，而电极层、电子传输层和空穴传输层的制备路径较为相似，包括磁控溅射法、蒸馏法、反应等离子沉积法、狭缝涂布法等。钙钛矿层的制作在很大程度上影响钙钛矿器件的性能，是制备过程的核心环节，其成膜质量受环境温度、湿度、含氧量、退火温度、退火时间、操作手法等多个因素影响，现阶段大面积制备钙钛矿层薄膜的技术主要由溶液涂布法、喷头喷出法、软膜覆盖法、气相沉积法等四种方式构成，不同技术路径间各有优势，大规模量产工艺尚处探索之中。

从产能角度来看，现阶段钙钛矿电池仍处于试产筹划阶段，各厂商研发和量产效率持续攀升，部分龙头企业如协鑫光电、纤纳光电、极电光能等已具备百兆瓦级别的生产能力，纤纳光电更是已有钙钛矿组件出货，但整体成品的稳定性、光电性仍需测试，生产线工艺流程仍需不断完善。新晋参与者如宁德时代、奥联电子、曜能科技、合特光能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迈入规模化阶段，按照各家厂商发布的量产规划，2023年我国钙钛矿组件产能约为1.25GW，这一数据将于2030年达到142GW，在全球范围内处于领先。同时，产线规模化效应将推动钙钛矿电池生产成本进一步降低。以纤纳光电企业为例，其新建的 100MW 产线将产能提升5倍，投资额却仅为2.4 倍，据企业自身测算， 若产能继续提升10倍，产线投资额将仅为2.25 倍。

钙钛矿太阳能电池下游应用场景以光伏产业（BIPV、分布式电站和地面电站）和新能源汽车为主。从光伏产业角度来看，钙钛矿叠加晶硅的刚性组件较其他光伏技术优势明显，可被应用于分布式电站和地面光伏电站；而钙钛矿电池质量轻、厚度小、柔性大、半透明等优良特性使其同样可被制成均匀柔和的透光、彩色玻璃柔性组件，将光伏组件的实用性与建筑设施的美学完美融合，有望成为BIPV（光伏建筑一体化）的最优解。国家能源局提出于2030年底试点地区党政机关、公共建筑、工商业厂房、农村居民屋顶安装光伏发电的比例分别达到50%、40%、30%、20%，这一政策或将推动BIPV成为钙钛矿的最佳产业化路径之一。从新能源车角度来看，将钙钛矿电池应用于汽车太阳能车顶可提供更高的光电转化效率，从而缩短充电时间并增加续航。据仁烁光能测算，若新能源汽车顶棚全部替换为钙钛矿光伏玻璃，面积以2平方米计算，每日发电量可提升40-60 公里的行驶里程。

发展趋势与展望

钙钛矿发展道阻且长，两大掣肘亟待突破

现阶段，钙钛矿电池大面积制备效率较低、稳定性差两大问题严重制约了产业化发展进程。

一方面，钙钛矿稳定性差由外部环境因素和内部因素共同影响所导致，未来厂商将着眼材料改性、结构优化、强化封装工艺等方式加强钙钛矿器件的稳定性。（1）材料改性。材料改性指的是钙钛矿电池层、电荷传输层和空穴传输层的掺杂及改良，如通过混合具有更小离子半径的Cs+，提升FA+和碘化物之间的相互作用，从而加强钙钛矿层的稳定性；使用具备较高光热稳定性的有机-无机杂化材料提升空穴传输层的稳定性；将SnO2代替传统的TiO2/ZnO从而加强电子传输层的稳定性。（2）结构优化。钙钛矿电池的类三明治结构、钙钛矿层离子晶体结构使其难以避免离子迁移过程导致的相邻功能层之间的互相影响。未来通过在钙钛矿电池各相邻功能层中加入缓冲层、备制复合电极等工序，从而优化器件结构，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路径。（3）加强封装。相比EVA材料，POE有着更优的阻水性和更强的紫外线稳定性，丁基胶则具备更低的水汽透过率。因此，胶膜采用POE+封边采用丁基胶的封装方案可有效解决钙钛矿电池外部水氧因素导致的不稳定和钙钛矿分解生成毒性铅泄漏等问题。

另一方面，受限于大面积薄膜沉积设备和工艺水平尚不成熟，且激光划线易产生电阻损耗、热损伤、死区，导致产业始终无法突破大面积制备钙钛矿组件效率和质量偏低这一痛点。未来，结晶工艺的进展（快速成核提高薄膜高覆盖率；缓慢结晶改变粗糙度和晶粒尺寸）有望直接影响大面积钙钛矿器件的光电转换效率。此外，改进激光刻线工艺、增加钙钛矿电池有效光照面积，优化电池串并联结构等也有望成为提高大面积制备钙钛矿电池效率的可行路径方案。

随着大规模制备工艺和稳定性不佳两大难题被逐渐攻克，预计钙钛矿电池产业将于2026年正式迈入量产阶段，届时渗透率有望迎来爆发式增长，市场规模将在2030年达到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》