光伏行业专题报告-钙钛矿电池：“黑科技”见曙光（五）

钙钛矿材料拥有独特的半导体材料性质，使其拥有更高的理论和实验室转换效率、更低的理论生产成本。新材云创专研新材料行业，应用利用数字技术，破解企业、产业发展中的难题。特此推出《光伏行业专题报告——钙钛矿电池： “黑科技”见曙光》，展望钙钛矿电池及创新生态发展。

行业空间：薄膜和钙钛矿电池未来趋势

复盘：薄膜电池的沉浮，钙钛矿的兴起

太阳能光伏电池按照技术路线可以分为晶硅电池(第一代电池)、薄膜电池(第二代电池)以及第三代电池。其中，晶硅电池包括多晶硅电池和单晶硅电池两类，是目前主流的太阳能电池，以单晶硅电池为主。薄膜电池是第二代电池，包括硅基类、化合物类(碲化镉、铜铟镓硒、III-IV组、钙钛矿等)、有机质类等，是太阳能电池发展的重要方向。第三代电池中目前多为实验室成果，尚无量产。

图表1

太阳能光伏电池技术路线图

资料来源：前瞻产业研究院，东方财富证券研究所

薄膜电池发展经历两起两落。在1980年代,薄膜电池一度占据电池市场30%的市场份额，被称为下一代光伏技术。但不久后实验室中晶硅电池的效率已经能够达到20%，硅基薄膜的效率瓶颈始终未能得到突破，因此整个90年代薄膜电池的总体份额持续滑落。而在2004年，FirstSolar实现了低成本CdTe电池的量产，薄膜电池再次开启快速扩张，2009年FirstSolar一度成为电池产量冠军，全球市占率高达12%。2010年后，随着光伏企业晶硅电池技术的突破，晶硅成本快速下降且效率大幅领先，薄膜电池失去低成本优势，市场份额被不断压缩。

图表2

薄膜电池发展历史

资料来源：FraunhoferISE，东方财富证券研究所

2021年，全球薄膜电池市场占有率为3.8%，同比下降0.2个百分点。主要原因是尽管全球薄膜电池产量有所增长，但增速不及晶硅组件。2021年全球薄膜太阳电池的产能10.7GW，产量约为8.28GW，同比增长27.7%，主要是受FirstSolar产量增长的拉动。从产品类型来看，2021年碲化镉(CdTe)薄膜电池的产量约为8.03GW，其中国外7.9GW，国内130MW，占比为97%;铜铟镓硒(CIGS)薄膜电池的产量约为245MW，其中国外210MW，国内35MW，占比为3%。

图表3

2010-2021年全球薄膜电池市占率变化

资料来源：CPIA，东方财富证券研究所

图表4

2012-2021年全球薄膜电池产量变化(MW)

资料来源：CPIA，东方财富证券研究所

薄膜电池领军企业FirstSolar年组件出货量2011年后排名不断回落。

在薄膜电池领域，FirstSolar一家独大，引领行业艰难中前进。虽然碲化镉的转化效率并不是薄膜电池中最高的，但得益于FirstSolar在量产技术上的持续突破(过去十年平均每年组件转化效率提升0.5pct以上)，碲化镉成为了最主流的薄膜电池。自2010年以来，FirstSolar长期位列全球组件出口商前十，但相比于2011年全球组件出货第二的地位，FirstSolar的排名出现了较大幅度的下滑，同时FirstSolar的营业收入较2010年也未出现明显增长，毛利率也稳定在20%左右。

图表5

2011-2021年全球十大组件出口商排名

资料来源：PVInfolink，东方财富证券研究所

图表6

FirstSolar营业收入及毛利率变动

资料来源：Choice，东方财富证券研究所

薄膜电池技术转换效率持续进步，但和晶硅电池仍存在一定差距。目前碲化镉薄膜电池的实验室和量产最高转化效率分别为22.1%和19.7%(均由FirstSolar创造);而作为对比，晶硅电池的转化效率则在始终高于碲化镉的基础上仍在持续提升，实验室最高效率已达27.6%。

钙钛矿的兴起：晶硅电池理论极限将至，无硅料成本优势彰显

在薄膜电池发展历程中，涌现了诸多新兴技术，但大多数受限于量产条件和效率，大多数难以实现商业化。在这些新兴技术中，钙钛矿电池的产业化前景相对可观，有望成为晶硅电池的有力竞争者。

晶硅电池转换效率的理论极限将至，钙钛矿有望开辟电池新天地。根据CPIA,晶硅电池理论上的效率极限是29.4%，现实条件可实现的工程极限效率是27.1%；而在量产电池方面，根据CPIA预测，到2030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%，逼近工程极限，而钙钛矿单结电池理论极限33%，显著高于晶硅电池。2009年钙钛矿电池技术首次运用在光伏领域时，其转换效率仅有3.8%；而直至今日，钙钛矿的实验室转换效率已经超过25%，未来有望持续上升。

图表7

2021-2030年各种电池平均转换效率变化趋势预测

资料来源：CPIA，东方财富证券研究所

图表8

钙钛矿转换效率实验室理论上限高

资料来源：NREL，东方财富证券研究所

图表9

钙钛矿转换效率实验室理论上限高

资料来源：NREL，东方财富证券研究所

硅料价格持续上扬，钙钛矿迎来成本优势。自2020年起，硅料行情迎来强周期。截至2022年8月3日，多晶硅致密料价格达294元/kg，硅料价格的持续上涨使得下游电池和组件厂商利润承压均出现一定程度的下滑，净利率出现一定程度下滑。而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，且前驱液的配制不涉及任何复杂工艺，对纯度要求不高，后续组件对加工环境要求也不高。组件生产过程不需要晶硅电池的千度左右的加工温度，在生产过程中的能耗比较低，多数环节也不需要真空环境。

图表10

硅料价格持续上涨，电池成本不断攀升

资料来源：Choice，东方财富证券研究所

图表11

硅料价格挤占电池行业利润空间(亿元)

资料来源：Choice，东方财富证券研究所

稳定性是目前制约钙钛矿太阳能电池产业化的重要因素。钙钛矿太阳能电池作为历史上发展最快的光伏技术，在效率及成本端均较晶硅类电池有优势，但主要缺点是寿命短。早期的钙钛矿型太阳能电池(PSC)只能持续几分钟，目前钙钛矿太阳能电池的T80寿命(效率下降到初始值的80%)约4000小时，未来有望进一步提高。根据2022年6月《科学》杂志报道，美国普林斯顿大学研究人员开发出了第一个具有商业可行性的钙钛矿太阳能电池，这标志着一种新兴的可再生能源技术的重要里程碑。该团队预计，他们的设备可在超过行业标准的情况下运行大约30年，如果可以实现量产，钙钛矿的稳定性问题有望得到解决。

光伏行业专题报告——钙钛矿电池： “黑科技”见曙光将聚焦钙钛矿电池的技术路线解析，敬请期待。

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