（报告出品方/作者：中国银河证券，鲁佩、贾新龙）
一、钙钛矿电池（PSCs）是第三代太阳能电池代表
（一）复盘太阳能电池发展史，从晶硅到钙钛矿
1、复盘太阳能电池发展史，从晶硅到钙钛矿
太阳能电池实验室效率从年诞生时6%提升到如今的31.25%（串联硅钙钛矿），同时太阳能电池发展历经三代：晶硅、薄膜、新型太阳能电池。太阳能电池能够通过光电效应直接将光能转化成电能。年，法国的物理学家首次在溶液中发现了光伏效应。年，美国贝尔实验室制备出的世界第一块太阳能电池的光电转换效率为6%。我国于年也开始进行太阳能电池的研制工作。自从第一块太阳能电池被制造，在60多年时间里太阳能电池的发展已经历三代，种类也进一步丰富。其中，第一代是以晶硅为主的太阳能电池;第二代以薄膜太阳能电池为主，其典型的代表是铜铟镓硒(CIGS)、碲化镉(CdTe)太阳能电池;第三代为新型的太阳能电池，主要包括：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。年7月，洛桑联邦理工学院（EPFL）和瑞士电子和微技术中心（CSEM）使用混合蒸汽和液体溶液技术将钙钛矿沉积到有纹理的硅表面上，1平方厘米的测试电池的效率达到了31.25%。
第一代晶硅电池目前最成熟，第二代薄膜电池相比第一代具有质量轻、转换效率高的优势，但电池活性层材料昂贵且设备成本高等因素限制其大面积制备和商业化，第三代新型太阳能电池凭借材料成本低、效率高、工艺流程短等优势成为产业界和学术界热点。目前晶硅太阳能电池的实验室效率已经超过了26%，在市场上占有绝对的地位和份额。但是，硅基太阳能电池的制备工艺复杂，高效率往往依赖高纯度的硅材料，高纯度的硅材料价格昂贵。第二代薄膜电池与晶硅太阳能电池相比质量轻而且转换效率高，但是由于活性层含有部分稀有元素和重金属元素，不仅价格昂贵而且很难实现大规模的生产和应用。这类电池一般采用热蒸发的方式制备，设备的成本高。以上这些原因限制了这类电池的大面积制备和商业化。第三代新型太阳能电池原料储量丰富，成本低，效率高、工艺流程短且可柔性制备，成为太阳能产业界和学术界的热点。
第三代新型电池中，钙钛矿拥有载流子寿命长、带隙可调、光吸收单位宽等优势，钙钛矿电池的应用有单结和叠层两个技术方向，目前实单结电池实验室最高效率25.7%，逐步接近硅电池最高效率。钙钛矿太阳能电池作为一种新型光伏电池，与传统晶硅太阳能电池相比凭借效率优势、低成本优势（产业化后GW级别成本可达0.6元/W）、应用广泛、叠层优势受到注。在十余年时间里，实现了效率上的突破，目前最高的电池效率已达25.7%，且理论效率超30%，高于晶硅电池，逐步接近硅电池最高效率。钙钛矿材料在光伏产业的应用主要有两个技术方向：单结和叠层。单结钙钛矿技术与其他薄膜技术相似，但制造成本有望低于目前已产业化的薄膜技术。钙钛矿与晶硅相结合的叠层技术兼具高转换效率和低制造成本的优点，有望成为未来光伏产业的技术发展方向。
（二）钙钛矿材料介绍、光电特性及工作原理
1、钙钛矿材料是指拥有ABX3型正八面体晶体结构的某一类物质
广义的钙钛矿其实是指具有ABX3型的化学组成的化合物:A位一般由有机无机杂化，包括甲氨Ch3Nh3或者甲醚有机的分子，或无机的铯，B位一般由硒或者铅，X位一般都是卤素，ABX通过化学配位键进行连接，形成ABX3结构式，这种结构称为钙钛矿，用在钙钛矿电池的吸光层。钙钛矿有两类结构：介观结构和平面异质结结构。介观结构钙钛矿太阳能电池是基于染料敏化太阳能电池（DSSCs）发展起来的，和DSSCs的结构相似。平面异质结结构将钙钛矿结构材料分离出来，夹在空穴传输材料和电子传输材料中间。最常用的纯碘的钙钛矿材料（MAPbI3），带隙约为1.55eV，对应的吸收带边为nm。有机基团的存在使得材料能有溶于常见的有机溶剂，性质可以通过改变有机离子的尺寸而调节，因此有机-无机钙钛矿这种材料非常适合作为太阳能电池的吸光层。高效率的钙钛矿太阳能电池的结构是以透明导电玻璃（TCO）作为基底，再是空穴传输层（HTL）或电子传输层（ETL）、钙钛矿活性层、ETL或HTL和金属电极。钙钛矿层夹在HTL和ETL中间。除最开始的介孔结构，现在的n-i-p和p-i-n型平面结构也被广泛研究。
2、钙钛矿材料具备优异的光电特性
钙钛矿具有优异的光能吸收性，较高光吸收系数有利于减少光学损失，在-nm波长范围均有高吸收系数(大于3*10-4cm-1)。钙钛矿激子结合能低，约55+20meV，介电常数高达18，保证高效的电荷分离，抑制载流子复合，且载流子扩散速度快，电子迁移率达75cm2/(V·s)，空穴迁移率达12.5cm2/(V·s)以上。MAPbI3的电子和空穴扩散长度超过nm保证电子和空穴的有效传输。缺陷态密度低使得非辐射复合率很低，电压损失值小，开路电压损失在0.3-0.4v之间。钙钛矿材料可以通过调节组分，使其能带间隙在1.4~2.3eV之间连续可调，因此可以衍生出区别于硅基光伏的应用。目前最常用的钙钛矿材料MAPbI3和FAPbI3的禁带宽度位于1.5-1.6eV，其理论最大光电转化效率均处于30%以上。连续可调的带隙宽度可制备钙钛矿叠层多结电池。通过对钙钛矿进行组分调控，可实现带隙连续调控，通过调整Ａ、Ｂ和Ｘ含量可以获得不同组分钙钛矿材料，对应钙钛矿材料的带隙及能级分布也各不相同。通过卤素占比调控，可以实现钙钛矿带隙与能带结构的移动，可实现对吸收层膜带宽度调节(1.18-3.02eV)，匹配太阳光谱，提高光谱利用率。这也决定了钙钛矿在发光、光伏和光探等各个领域的广泛应用。
3、钙钛矿电池工作原理基于光生伏特效应
钙钛矿工作原理包括四个阶段：首先是载流子的产生与分离阶段，当太阳能电池运转时，入射光子（hv＞Eg）被钙钛矿材料吸收，电子从价带顶被激发到导带底，形成具有库伦束缚的电子空穴对；其次是载流子的扩散阶段，在内建电场的驱动下，电子和空穴在钙钛矿内部分别向负极和正极方向扩散；然后是载流子的传输阶段，在这个过程中，电子经过钙钛矿／电子传输层界面处，空穴则经过钙钛矿／空穴传输层界面处，然后分别由各功能层抽取并传输；最后一阶段则是载流子被电极收集。如当入射光大于禁带宽度时，价带电子跃迁到导带上面，价带上面留下空穴，电子和空穴就分别通过内建电场的作用，进行电子传输层和空穴传输层的传输，然后通过玻璃导电基底和金属电极基底进行回收就会形成回路。
二、效率提升空间大，中试组件效率年预计达19.3%
（一）钙钛矿理论极限效率高于晶硅电池，可达30%以上
钙钛矿太阳能电池（PSCs）单结理论极限效率超30%，叠层模式下可达40%以上，相比晶硅电池效率提升空间大，主要因为人工设计后的钙钛矿材料带隙可以达到或接近s-q理论下吸光层最优带隙（1.3-1.5ev）。异质结/钙钛矿叠层电池理论极限效率可突破40%，高于单结晶体硅太阳能电池理论极限效率29.43%。根据EcoMat研究表明钙钛矿/硅叠层太阳能电池的理论效率极限为46%，远高于单结晶硅电池极限29.43%。如果掺杂新型材料，钙钛矿电池的转换效率最高能达到的50%，是目前晶硅电池的2倍左右。钙钛矿材料通过人工设计带隙可以达到s-q理论下吸光层最优带隙，导致最高光电转化率可超过30%。通过调整卤素A、B和X含量实现钙钛矿带隙与能带结构的移动。A位：阳离子半径越小，对应的钙钛矿带隙越大，例如，Cs、MA和FA离子半径依次增大，对应得到的CsPbI3、MAPbI3和FAPbI3钙钛矿的带隙依次减小，分别为1.73eV、1.57eV和1.48eV。B位：通常采用Sn替代Pb作为B位，Sn含量的逐增，钙钛矿材料带隙减小，例如CsPbI3的带隙为1.73eV，FAPbI3的带隙为1.48eV，FASnI3的带隙为1.40eV，CsSnI3的带隙为1.30eV。X位：Br离子掺杂使钙钛矿带隙增加。根据Shockley-Queisser理论，单结太阳能电池吸光材料的禁带宽度在1.34eV时，其理论光电转换效率可达最高的33.7%，通常认为吸光层材料的最优带隙为1.3-1.5eV，越接近于此效率越高。人工设计的钙钛矿材料，带隙可以非常接近于最优带隙，目前最常用的钙钛矿材料MAPbI3和FAPbI3的禁带宽度位于1.5-1.6eV，其理论最大光电转化效率均处于30%以上，因此钙钛矿是一种十分理想的新型光电材料。
（二）钙钛矿电池效率提升速度快是因为材料可设计性强
钙钛矿电池实验效率从年的3.8%提升至目前的25.7%，电池效率提升速度远快于晶硅电池的核心原因是钙钛矿电池材料可设计性强。钙钛矿电池效率提升速度非常快，年诞生时效率为3.8%，SangⅡSeok结合两步法旋涂成膜，年将效率提高到22.1%，年，JunHongNoh等通过一种无溶剂固相反应的方法将效率提升到24.35%，年，蔚山先进能源技术研究开发中心和洛桑联邦理工学院将胶体QD-SnO2牢固地连接到c-TiO2表面，形成了连续、薄和共形的SnO2层，基于双层电子传输层将PSCs效率提升到了25.7%。钙钛矿光伏技术与晶硅技术的根本性差异在于钙钛矿材料的设计性。晶硅电池效率在年达到22.8%，之后近四十年没有很大的突破。钙钛矿电池从年至年，效率增长都较为迅速且持续，这是因为，光伏应用中的钙钛矿材料选择比较灵活，是人工设计的晶体材料，可以通过人工设计不断寻找性能更好、成本更低的材料，不断改进设计从而提升电池性能。而晶硅材料只能提纯、结构不能改变。所以，钙钛矿技术与晶硅技术的竞争，是成千上万种钙钛矿材料和一种晶硅材料的竞争。而且钙钛矿太阳能电池的理论上限为33%，比晶硅的29.3%高了将近4个百分点，目前仍具有较大的上升空间。
（三）与晶硅或不同钙钛矿材料组成叠层效率可达40%以上
连续可调的带隙宽度使得钙钛矿适合做叠层多结电池。它和其它类型太阳能电池集成以后可以捕捉和转换更宽光谱范围的太阳光。通过叠层的钙钛矿，太阳能光谱被分成连续的若干部分，用能带宽度与这部分具有最好匹配的材料制作成电池，并按能隙从大到小的顺序从外到内叠合起来，让波长最短的光被最外边的宽带隙材料电池吸收利用，波长较长的光能透射进去让较窄能带隙材料电池吸收利用，最大限度将光能转化为电能。叠层的技术方向主要分为两类，钙钛矿/晶硅叠层电池、钙钛矿/钙钛矿叠层电池。钙钛矿可以与HJT、TOPCon等晶硅电池组成叠层电池。硅的带隙为1.12eV，可以吸收波长1nm以下的光子，典型的甲胺铅碘（CH3NH3PbI3）钙钛矿带隙为1.55eV，通过用Br部分取代I-可以调节带隙的宽度，调节范围为1.55eV-2.3eV。当钙钛矿吸收层的带隙为1.7eV时，预期可以获得35%的效率，极限效率可达60%。目前钙钛矿/晶硅叠层电池实验室效率达到了29.8%（英国亥姆霍兹柏林材料与能源中心）。
不同材料的钙钛矿也可组成叠层电池，实现电池效率跃升。通过调整A、B、X含量可以获得不同组分钙钛矿材料，对应钙钛矿材料的带隙及能级分布也各不相同，通过卤素占比调控，可以实现钙钛矿带隙与能带结构的移动，通过对钙钛矿进行组分调控，可实现带隙连续调控，这决定了钙钛矿可以广泛应用在发光、光伏、光探等各个领域。钙钛矿/钙钛矿叠层电池的效率比钙钛矿/晶硅叠层电池稍低，但也有经认证的产品达到60%的极限效率。目前钙钛矿/钙钛矿叠层电池实验室效率高达到了28%，为南京大学谭海仁及其科研团队研制。
（四）目前产业化效率在16-18%，年中试组件效率预计达19.3%
产业化效率稳步提升，目前已达16-18%，年玻璃基中试组件最高转换效率预计达19.3%。近年来产业化效率呈现逐步上升趋势，年协鑫光电在实现.16cm2面积15.31%的效率，同年杭州纤纳在cm2尺寸的钙钛矿组件实现14.3%效率，华能集团年实现cm2组件效率18%，年实现cm2面积电池效率15.5%。年极电光能在cm2大尺寸组件实现18.2%转化效率，同年协鑫光电尺寸为1m*2m组件下线，据协鑫光电预计在工艺和产能稳定后，量产组件效率将超18%。目前产业化效率距离钙钛矿单结电池理论极限效率（超30%）还有较大提升空间，产业端、研发端针对钙钛矿电池的研发投入逐年增加，随着钙钛矿可设计性晶体配方以及工艺逐步优化，产业化效率预计呈现上升趋势。根据CPIA预测，玻璃基中试组件最高转换效率（cm2）年达到18.5%、年20%、年22%。
三、钙钛矿电池为什么具备成本优势
（一）工艺流程短（45min）、原材料低成本且纯度要求低、能耗低等因素铸就钙钛矿电池低成本基因
PSCs产业链显著缩短，原材料到组件仅需45分钟。与晶硅电池漫长的产业链和复杂的工艺流程相比，钙钛矿太阳能电池的生产流程简单，产业链显著缩短，价值高度集中。据协鑫纳米的披露，兆瓦的单一工厂，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时间，用时差异很大。
PSCs原材料纯度要求低且十分易得，用量亦低于晶硅类。钙钛矿太阳能电池的原材料均为基础化工材料，不含稀有元素。晶硅类太阳能电池对硅料纯度要求需达99.%，而钙钛矿材料对杂质不敏感，纯度在90%左右的钙钛矿材料即可制成转换效率在20%以上的太阳能电池，95%纯度的钙钛矿即可满足生产使用需求。PSCs可低温溶液制备，单瓦能耗仅为晶硅的1/10。钙钛矿太阳能电池只需通过简单的旋涂、喷涂、刮涂等溶液工艺实现成膜，整个生产过程温度不超过℃，较晶硅材料制备所需的最高工艺温度℃极大降低生产能耗。制造1瓦单晶组件的能耗大约为1.52KWh，而每瓦钙钛矿组件的生产能耗仅为0.12KWh。放大优势实现规模化降本。通过有效的划线方式，对电池进行分割和串并联，因此省掉栅线组件尺寸可以放大到平米级别。
（二）规模化降本优势明显，GW级产能组件成本可降至0.6元/W
从MW级扩大至GW级产能，组件成本下降约50%，由0.15美元/W降至0.1美元/W。目前有三家公司公布过其钙钛矿电池的生产成本。纤纳光电MW生产线组件成本约0.15美元/W，扩大至GW级产线后组件成本约0.1美元/W；协鑫光电GW级产线组件成本可低于0.1美元/W；牛津光伏钙钛矿-硅异质结(HJT)叠层电池0.4美元/W。对比已经商业化的单晶硅组件来看,垂直一体化厂商的单晶硅组件最优内部生产成本目前约为0.21~0.22美元/W。按较低生产成本数据来比较，钙钛矿电池比单品硅电池拥有成本优势。（数据来源：中国知网太阳能钙钛矿电池技术发展和经济性分析）。钙钛矿电池产线产能的提高，平均建设成本将显著降低。以纤纳光电为例，20MW产线投资额为0.亿，新建MW产线投资额为1.21亿元，产能提升5倍，投资额仅提升2.4倍。根据纤纳光电测算，若产能提升至1GW，投资额约2.7亿元，产线建设成本降低。
（三）随着钙钛矿电池效率、寿命提升，度电成本有望持续下降
随着行业发展日益成熟，未来FTO导电玻璃、折旧、人工等成本还会有所降低，根据极电光能