1、 本报告由中信建投证券股份有限公司在中华人民共和国（仅为本报告目的，不包括香港、澳门、台湾）提供，由中信建投（国际）证券有 限公司在香港提供。同时请参阅最后一页的重要声明。证券证券研究报告研究报告行业深度报告行业深度报告 钙钛矿电池稳定性如何了？钙钛矿电池稳定性如何了？光伏设备系列报告光伏设备系列报告（深度）（深度）钙钛矿电池具有效率钙钛矿电池具有效率和和成本成本两大优势，但市场对稳定性仍有质疑两大优势，但市场对稳定性仍有质疑 钙钛矿电池理论值与实验室效率均已超过晶硅表现。钙钛矿电池理论值与实验室效率均已超过晶硅表现。理论上，理论上，单结钙钛矿效率可达 33%，叠层可达 44%以上；实验室来看
2、，实验室来看，2022年，8 月单结钙钛矿电池的转化效率已达 25.6%，7 月钙钛矿-硅叠层电池已达 31.3%，6 月全钙钛矿叠层电池效率已达 28%。钙钛矿电池钙钛矿电池/组件生产过程与晶硅大不同，更具经济性。组件生产过程与晶硅大不同，更具经济性。不同于晶硅路线要经历硅料、硅片、电池片、组件四个环节方可制备晶硅组件，钙钛矿组件制备只需要单一工厂，且生产过程耗时较晶硅大幅缩短，能耗也大为降低，钙钛矿材料成本占比极低。成熟状态，钙钛矿组件成本可降至 0.50.6 元/W 甚至更低。市场市场目前目前对钙钛矿对钙钛矿的质疑集中在的质疑集中在稳定性稳定性方面方面，我们从理论、实践，我们从理论、实践
3、两两个维度来阐明我们的观点：个维度来阐明我们的观点：理论维度：针对稳定性问题逐一击破，已有多种解决方案理论维度：针对稳定性问题逐一击破，已有多种解决方案 针对钙钛矿材料自身稳定性不佳，易受环境、界面因素影响造成效率下降的问题，从改善材料配比、钝化缺陷、优化封装、改善界面等多个角度已有解决方案。且钙钛矿材料对杂质容忍度远高于晶硅，可以避免晶硅上常见的 LID、PID 和 LeTID 等衰减。我们认为，稳定性不佳已成为“伪命题”。稳定性不佳已成为“伪命题”。实践维度：实验室器件稳定性快速提升，产业化稳步推进实践维度：实验室器件稳定性快速提升，产业化稳步推进 实验室层面，实验室层面，密封后的组件可以
4、实现大于 10000 小时的稳定工作且无衰减。产业产业层面层面，已有厂商组件提供 12 年产品材料与工艺质保，25 年线性功率输出质保。我们认为，钙钛矿组件预期寿命钙钛矿组件预期寿命将不输于晶硅。将不输于晶硅。投资建议投资建议 稳定性稳定性“问题问题”不会”不会限制钙钛矿电池限制钙钛矿电池的推广的推广。我们不仅从理论和实践角度阐述钙钛矿稳定性的进步，此外，考虑钙钛矿组件相比晶硅组件的显著成本优势，市场对其寿命要求或将更加宽容。技术革新，设备先行技术革新，设备先行。钙钛矿电池核心设备包括镀膜设备、激光设备、封装设备。（1）镀膜设备镀膜设备建议关注建议关注京山轻机、迈为股份、捷佳伟创，其中，京山轻
5、机全资子公司晟成光伏电池技术路线储备丰富，为钙钛矿干法镀膜设备的领导者，已有团簇型多腔式蒸镀设备交付多个客户端，并且近期与华中科技大学陈蓉教授课题组合作原子镀膜 ALD 技术开发，该技术可用于制备钙钛矿电池及叠层组件的封装防潮层保护壳，以及 SnO2、TCO 等功能薄膜层。（2）激光设备激光设备建议关注建议关注大族激光、海目星、迈为股份、杰普特、帝尔激光、德龙激光等。（3）封装设备建议关注）封装设备建议关注京山轻机。风险提示风险提示 产业推进不及预期风险、新增订单不及预期风险。维持评级维持评级 强于大市强于大市 吕娟吕娟 021-68821610 SAC 执证编号：S1440519080001
6、 SFC 中央编号：BOU764 夏纾雨夏纾雨 13601688112 SAC 执证编号：S1440521120002 发布日期：2022 年 08 月 24 日 市场市场表现表现 相关研究报告相关研究报告 22.07.02【中信建投机械设备】降本增效步履不停，HJT 招标或将密集启动光伏设备系列报告 22.06.30【中信建投机械设备】专用设备:光伏设备系列深度报告：钙钛矿-道阻且长，行则将至 22.04.20【中信建投专用设备】拥抱 TOPCon激光SE大时代光伏设备系列报告 22.04.11【中信建投专用设备】激光加工设备在光伏行业应用前景广阔光伏设备系列报告 22.03.05【中信建投
7、专用设备】专用 设备:2022年硅料硅片设备需求可能继续超预期 22.01.24【中信建投专用设备】光伏设备系列深度：光伏电池片趋势及设备空间探讨 -36%-26%-16%-6%4%14%2021/8/162021/9/162021/10/162021/11/162021/12/162022/1/162022/2/162022/3/162022/4/162022/5/162022/6/162022/7/16专用设备上证指数专用设备专用设备 行业深度报告 行业简称行业简称 请参阅最后一页的重要声明 目录目录 一、钙钛矿电池具有效率和成本两大优势，但市场对稳定性仍有质疑.1 1.1 什么是钙钛矿电
8、池？.1 1.2 钙钛矿电池理论值与实验室效率均已超过晶硅表现.1 1.3 钙钛矿电池/组件生产过程与晶硅大不同，更具经济性.3 1.4 市场对钙钛矿电池稳定性存在质疑.4 二、理论维度：针对稳定性问题逐一击破，已有多种解决方案.4 2.1 器件稳定性问题源于钙钛矿材料自身.5 2.1.1 影响稳定性问题来源.5 2.1.2 目前实验室已有的改进措施.6 2.2 环境因素对材料稳定性的影响与改进方向.7 2.2.1 影响稳定性问题来源.7 2.2.2 目前实验室已有的改进措施.8 2.3 界面因素对材料稳定性的影响与提升方向.9 2.3.1 影响稳定性问题来源.9 2.3.2 目前实验室已有的
9、改进措施.10 三、实践维度：实验室器件稳定性快速提升，产业化稳步推进.10 3.1 钙钛矿组件稳定性不如晶硅的看法是“过去时”.10 3.2 高效钙钛矿器件实验室稳定性持续提升.11 3.3 产业内已有产品提供与晶硅电池相同质保年限.13 四、投资建议.14 五、风险分析.14 eV8YbVwWoOpMbR9RaQtRmMpNpNjMrRxOjMrQnP8OnPqRxNtQmMxNmOqP 1 行业深度报告 行业简称行业简称 请参阅最后一页的重要声明 一、钙钛矿电池一、钙钛矿电池具有效率和具有效率和成本成本两大优势两大优势，但市场对稳定性仍有质疑，但市场对稳定性仍有质疑 1.1 什么是什么是
10、钙钛钙钛矿矿电池电池？钙钛矿是一类具有钙钛矿是一类具有 ABX3分子结构的分子结构的晶体晶体总称总称，可可用于用于制备制备钙钛矿太阳能电池。钙钛矿太阳能电池。此类氧化物最早被发现于钙钛矿石中的钛酸钙化合物（CaTiO3），因此而得名，其英文名依据俄罗斯矿物学家 Lev Perovski 名字命名为Perovskite。钙钛矿分子通式 ABX3中，A 位离子为大半径阳离子，B 位离子为小半径阳离子，X 位离子为卤素阴离子。根据材料组分区别，可以将钙钛矿材料大致分为三类：（1）复合金属氧化物、（2）有机杂化钙钛矿、（3）无机卤素钙钛矿。后两类材料通常都包含卤素阴离子，适用于各类光电器件领域，其中有
11、机杂化钙钛矿是钙钛矿太阳能电池中使用最多的光活性层材料。图表图表1：钙钛矿通用晶体结构钙钛矿通用晶体结构 图表图表2：钙钛矿电池工作原理钙钛矿电池工作原理 资料来源：CNKI，中信建投 资料来源：CNKI，中信建投 1.2 钙钛矿电池理论值与实验室钙钛矿电池理论值与实验室效率效率均已超过晶硅表现均已超过晶硅表现 钙钛矿电池的优势主要包括高光吸收系数、高缺陷容忍度、带隙可调、制备工艺多样、具有透光性可做叠层等。一方面，一方面，理论上，理论上，晶硅单结电池极限效率为 29.7%，而单结钙钛矿电池可达到 33%左右，钙钛矿叠层电池则可达 44%以上。另一方面，实验室数据来看，另一方面，实验室数据来看
12、，1954 年 5 月，美国贝尔实验室开发出效率为 6%的单晶硅太阳能电池以来，晶硅直到 2017 年才达到 26.7%的转换效率。而自 2009 年日本科学家 Miyasaka 制备 3.8%的单结太阳能电池起，经过十余年发展，2022 年 8 月单纯钙钛矿电池的转化效率已经达到 25.6%，2022 年 7 月洛桑联邦理工学院(EPFL)和瑞士电子与微技术中心(CSEM)共同创造了钙钛矿-硅叠层光伏电池新的世界纪录达到31.3%，2022 年 6 月全钙钛矿叠层电池效率已经达到 28%。也就是说，过去十来年，钙钛矿太阳能电池在实验过去十来年，钙钛矿太阳能电池在实验室转化效率上取得了晶硅太阳
13、能电池室转化效率上取得了晶硅太阳能电池 60 余年的进展。余年的进展。2 行业深度报告 行业简称行业简称 请参阅最后一页的重要声明 图表图表3：钙钛矿叠层太阳电池拥有更高的理论光电转换效率钙钛矿叠层太阳电池拥有更高的理论光电转换效率 资料来源：中国科学技术大学，中信建投 图表图表4：钙钛矿电池实验室转换效率发展历程钙钛矿电池实验室转换效率发展历程 时间时间 研发团队研发团队 电池类型电池类型 转换效率转换效率 2009 日本科学家 Miyasaka 单结钙钛矿太阳能电池 3.80%2011 韩国成均馆大学 Nam-Gyu Park 课题组 单结钙钛矿太阳能电池 6.50%2012 牛津大学 H
14、enry SnaithHE 和 Mike Lee 课题组 单结钙钛矿太阳能电池 10.00%2012 牛津大学 Henry Snaith 单结钙钛矿太阳能电池 15.40%2015 韩国化学技术研究所以及成均馆大学 单结钙钛矿太阳能电池 17.90%2016 瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）单结钙钛矿太阳能电池 19.60%2017 韩国蔚山国立科技研究所 单结钙钛矿太阳能电池 22.10%2018 中国科学院半导体研究所研究员游经碧课题组 单结钙钛矿太阳能电池 23.70%2019.4 韩国化学技术研究所（KRICT）单结钙钛矿太阳能电池 24.20%2019.8 韩国化学技术研究所、麻省理
15、工 单结钙钛矿太阳能电池 25.20%2020.9 香港城市大学、华盛顿大学 单结钙钛矿太阳能电池 25.50%2021.1 韩国蔚山国家科学技术研究所（UNIST）单结钙钛矿太阳能电池 25.50%2022.8 中国科学院半导体所 单结钙钛矿太阳能电池 25.60%2018 牛津光伏（Oxford PV）硅/钙钛矿叠层太阳能电池 27.30%2018 牛津光伏（Oxford PV）硅/钙钛矿叠层太阳能电池 28.00%2020.1 亥姆霍兹中心（HZB）硅/钙钛矿叠层太阳能电池 29.15%2020.12 牛津光伙(Oxford PV）硅/钙钛矿叠层太阳能电池 29.52%2021.11 亥
16、姆霍兹中心（HZB）硅/钙钛矿叠层太阳能电池 29.80%2022.7 洛桑联邦理工学院（EPFL）和瑞士电子与微技术中心（CSEM）硅/钙钛矿叠层太阳能电池 31.30%2020.1 美国能源部国家可再生能源实验室 全钙钛矿叠层电池 23.10%2022.2 加拿大多伦多大学 Edward H.Sargent 教授 全钙钛矿叠层电池 26.40%2022.6 南京大学谭海仁教授课题组 全钙位矿叠层电池 28.00%2022.6 普林斯顿大学研究人员 大面积钙钛矿叠层电池 21.70%资料来源：协鑫光电，中信建投 3 行业深度报告 行业简称行业简称 请参阅最后一页的重要声明 图表图表5：钙钛矿
17、太阳能电池与晶硅电池效率提升历程钙钛矿太阳能电池与晶硅电池效率提升历程 资料来源：协鑫光电，中信建投 1.3 钙钛矿钙钛矿电池电池/组件组件生产过程与晶硅大不同，更具经济性生产过程与晶硅大不同，更具经济性 不同于晶硅路线要经历硅料、硅片、电池片、组件四个环节方可制备晶硅组件，钙钛矿组件制备只需要单一工厂，且生产过程耗时较晶硅大幅缩短，能耗也大为降低。成熟状态下，成熟状态下，GW 级量产后，钙钛矿太阳能电池级量产后，钙钛矿太阳能电池/组件设备投资与组件设备投资与单瓦成本都将显著低于晶硅路线。投资成单瓦成本都将显著低于晶硅路线。投资成本：本：光伏领域不同规模产能的成本差异较大，随着产线产能的提高，
18、平均建设成本将显著降低。目前纤纳光电运行的 20MW 产线投资额为 5050 万元，新建的 100MW 产线投资额为 1.21 亿元，产能提升至原先 5 倍，投资额仅提升至原投资额的 2.4 倍。根据协鑫光电的估计，5-10GW 级量产钙钛矿电池投资额约为 5 亿元/GW。与之相比，晶硅设备投资包括硅料设备、硅片设备、电池与组件设备，整套产业链设备投资额达到 9.6 亿元/GW 左右。单位成本：单位成本：协鑫光电表示在现有的工艺条件下，100MW 中试线制造的钙钛矿光伏组件的制造成本预计将低于 1 元/W，其中钙钛矿材料成本占比仅 3.1%左右。当产能扩大到 1GW 以上时，下降到每瓦 0.7
19、 元左右，5 至10GW 级别量产，组件成本可降至 0.50.6 元/W，未来量产级别提升，还有下降空间。而晶硅成本中，受硅料价格上涨影响，目前硅料占比达到 60%以上，晶硅组件成本达 1.89 元/W。也就是说，量产的情况下，投资成本与生产成本钙钛矿组件比晶硅组件便宜 50%以上。图表图表6：钙钛矿电池与晶硅电池产业链各环节投资额比较钙钛矿电池与晶硅电池产业链各环节投资额比较 图表图表7：量产规模扩大后，组件成本将进一步下降量产规模扩大后，组件成本将进一步下降 资料来源：协鑫光电，中信建投 资料来源：协鑫光电，中信建投 4 行业深度报告 行业简称行业简称 请参阅最后一页的重要声明 图表图表8
20、：钙钛矿电池组件量产成本构成钙钛矿电池组件量产成本构成 资料来源：协鑫光电，中信建投 1.4 市场对市场对钙钛钙钛矿矿电池稳定性存在质疑电池稳定性存在质疑 目前市场上关于钙钛矿的商业化运用仍有疑虑，主要集中在对于钙钛矿稳定性的质疑。认为钙钛矿材料易分解，组件难以保持长期稳定的储存与工作，进而认为钙钛矿太阳能电池的商业化运用仍需一段时间。我们认为随着实验室研发与产业的快速推进，钙钛矿稳定性不佳的观点已经是“过去时”并从以下两个维度来阐述。：理论维度：针对稳定性问题逐一击破，已有多种解决方案理论维度：针对稳定性问题逐一击破，已有多种解决方案：实践维度：实验室器件稳定性快速提升，产业化稳步推进实践维
21、度：实验室器件稳定性快速提升，产业化稳步推进 二、二、理论维度：针对稳定性问题逐一击破，已有多种解决方案理论维度：针对稳定性问题逐一击破，已有多种解决方案 钙钛矿电池不稳定的根本原因在于钙钛矿材料的不稳定，材料受环境钙钛矿电池不稳定的根本原因在于钙钛矿材料的不稳定，材料受环境因素因素与与界面界面因素因素的影响会加速分解的影响会加速分解。其中环境因素包括水分、氧气侵入，持续光照与高温等外部环境影响造成钙钛矿材料分解，器件稳定性下降；界面因素指制备钙钛矿器件时，叠加的载流子传输层与电极对钙钛矿材料的影响造成稳定性下降等。针对这些问题，研究者从多个角度入手提升钙钛矿太阳能电池的稳定性，包括（1）提升
22、钙钛矿材料的稳定）提升钙钛矿材料的稳定性性，如改进钙钛矿材料配比，钝化缺陷等；（2）隔绝影响钙钛矿材料的因素）隔绝影响钙钛矿材料的因素，包括提升封装工艺隔绝外部因素影响、优化传输层和电极材料、增加缓冲层，优化器件结构等。下面将分别介绍影响稳定性的各个因素，并且简述实验室中已有的针对性改进措施。34%3%16%13%3%31%玻璃及其他封装材料人工成本固定资产折旧能源动力钙钛矿电极材料 5 行业深度报告 行业简称行业简称 请参阅最后一页的重要声明 图表图表9：钙钛矿太阳能电池稳定性的影响因素钙钛矿太阳能电池稳定性的影响因素 资料来源：CNKI，中信建投 2.1 器件器件稳定性问题源于钙钛稳定性问
23、题源于钙钛矿材料自身矿材料自身 2.1.1 影响稳定性问题来源 钙钛矿材料属于离子晶体，晶体稳定性不如晶硅。钙钛矿材料属于离子晶体，晶体稳定性不如晶硅。钙钛矿类化合物由 A、B 阳离子与 X 阴离子通过离子键结合，属于离子晶体。晶硅是由硅原子通过共价键结合，属于原子晶体。一般而言，原子晶体的熔沸点均大于离子晶体，且离子晶体更易溶于水，这是因为离子带有正负电荷具有极性，而水也是极性分子，两者相似相溶。其次晶硅的晶体结构属于金刚石结构，与金刚石类似，每个硅原子都与四周的原子形成四根共价键连接，晶体稳定性极高、硬度大、熔点高。因而钙钛矿型晶体，稳定性不如金刚石类型的晶硅。有机有机-无机杂化钙钛矿材料
24、具有明显的离子特性，容易发生无机杂化钙钛矿材料具有明显的离子特性，容易发生离子迁移离子迁移。即带电离子（主要为 A 有机阳离子与X 卤素阴离子）在晶体中的移动，可以导致点缺陷或杂质的聚集，改变薄膜的电学性质。图表图表10：晶硅的金刚石型晶体结构晶硅的金刚石型晶体结构 图表图表11：晶体中离子迁移示意晶体中离子迁移示意 资料来源：人教版化学选修三，中信建投 资料来源：CNKI，中信建投 6 行业深度报告 行业简称行业简称 请参阅最后一页的重要声明 图表图表12：四种晶体对比四种晶体对比 晶体类型晶体类型 分子晶体分子晶体 原子晶体原子晶体 金属晶体金属晶体 离子晶体离子晶体 组成微粒 分子晶体
25、原子 金属阳离子、自由电子 阴阳离子 粒子间作用力 分子间作用力（弱）共价键（很强）共价键（很强）金属键 离子键（较强）离子键（较强）熔沸点 较低 很高很高 一般较高 较高较高 硬度 很小 很大很大 一般较大 较大较大 溶解性 极性分子溶于水 一般不同溶于水一般不同溶于水 活泼金属与水反应，一般不溶于水 大部分溶于水大部分溶于水 熔化时键的变化 不断键 共价键断开 金属键减弱 离子键断开、共价键一般不断开 资料来源：人教版化学选修三，中信建投 2.1.2 目前实验室已有的改进措施 提升材料稳定性，改变配比与后期处理。提升材料稳定性，改变配比与后期处理。为了提升钙钛矿材料稳定性，可以改变材料配比
26、，以形成更加稳定高效的钙钛矿材料，如 2019 年北京大学在钙钛矿活性层中引入具有氧化还原活性的稀土 Eu3+/Eu2+的离子对，在光照或者 85加热老化条件下 1500 小时后，仍可保持原有效率的 92%和 89%。在最大功率点处连续工作 500小时后仍可以保持原有效率的 91%。其次是掺入有机聚合物，2021 年浙江大学将聚乙二醇改性的富勒烯(PCBHGE)掺入钙钛矿吸收层中。在连续光照下最大功率点处测试，前 212 小时器件效率几乎没有降低，并且在接下来的 600 小时后，器件效率仍可保持其初始效率的 80%。后处理钝化后处理钝化是制备后针对材料缺陷的优化措施。是制备后针对材料缺陷的优化
27、措施。钙钛矿器件制备过程中的后处理工艺可以有效提高器件稳定性。主要针对钙钛矿表面的晶体缺陷进行后处理，钝化钙钛矿表面和晶界中的缺陷。如 2022 年武汉大学柯维俊、陶晨和方国家等人开发的一种内部封装策略，通过全面钝化钙钛矿材料中的空位，从而阻断离子扩散或迁移的通道。所得钙钛矿太阳能电池的功率转换效率高达 24.01%。更重要的是，该器件表现出出色的稳定性，在其最大功率点测量（55温度下，N2 气氛中）1000 小时后保持其初始效率的 88%。图表图表13：加入加入 PCBHGE 后（红线）钙钛矿寿命对比后（红线）钙钛矿寿命对比 图表图表14：加入加入 Eu 离子后（红线）钙钛矿寿命对比离子后（
28、红线）钙钛矿寿命对比 资料来源：浙江大学，中信建投 资料来源：CNKI，中信建投 钙钛矿材料钙钛矿材料对杂质容忍度对杂质容忍度远高于晶硅，避免了晶硅上常见的远高于晶硅，避免了晶硅上常见的 LID、PID 和和 LeTID 等衰减路径。等衰减路径。钙钛矿优势在于对杂质容忍度高。晶硅电池材料需要 57N 的纯度，但是钙钛矿只需 12N，因此高杂质容忍度的钙钛矿使 7 行业深度报告 行业简称行业简称 请参阅最后一页的重要声明 得很多晶硅的衰减诱因在钙钛矿上被切断。举例来说，晶硅中的 LID 主要由于硼原子扩散；PID 主要由于钠离子扩散，这些杂质扩散浓度为百万分之一级别。由于杂质容忍度高，在钙钛矿中
29、这种浓度的杂质扩散不会对其造成影响。图表图表15：太阳能级硅料纯度要求太阳能级硅料纯度要求 99.9999%图表图表16：太阳能级钙钛矿材料纯度要求太阳能级钙钛矿材料纯度要求 95%资料来源：CNKI，中信建投 资料来源：协鑫光电，中信建投 2.2 环境因素对材料稳定性的影响环境因素对材料稳定性的影响与改进方向与改进方向 2.2.1 影响稳定性问题来源 钙钛矿在水中会与水反应加速分解，失去活性。钙钛矿在水中会与水反应加速分解，失去活性。水分是对钙钛矿电池最大的挑战之一，由于钙钛矿晶体属于离子晶体，与单晶硅这类原子晶体有较好的自身稳定性不同，离子晶体通常易溶于水与水反应。Anita Ho-Bai
30、llie 等对钙钛矿在不同湿度下的降解过程进行研究表明，当湿度低于 30%，钙钛矿空气稳定性良好，当环境湿度增加到 50%，钙钛矿快速降解形成非钙钛矿相。当将钙钛矿浸入水中，会完全分解为 PbI2。而在氧气存在的条件下，钙钛矿的分解会更加的迅速。温度上升会加快钙钛矿晶体结温度上升会加快钙钛矿晶体结构转变与分解，影响器件稳定性构转变与分解，影响器件稳定性：温度对钙钛矿材料稳定性的影响涉及到材料的热分解、晶体结构转变、晶体界面变化等。根据国际标准，太阳能模块在运行期间将暴露在高温下，因而要求太阳能电池必须有高达 85C 的热稳定性。而 CH3NH3PbI3在 54-56下会发生四方到立方的相变，在
31、 100下加热 20min 会分解成 PbI2、CH3NH2和 HI，CH3NH2和 HI 挥发后剩余 PbI2固体。8 行业深度报告 行业简称行业简称 请参阅最后一页的重要声明 图表图表17：水分子催化水分子催化 CH3NH3PbI3 分解的机理图分解的机理图 图表图表18：85、湿度为、湿度为 45的稳定性曲线的稳定性曲线 资料来源：CNKI，中信建投 资料来源：CNKI，中信建投 光照光照同样会引起钙钛矿材料分解与相变，影响器件稳定性同样会引起钙钛矿材料分解与相变，影响器件稳定性：钙钛矿电池需要能稳定的在阳光下工作，吸收光能转化成电能，但是光照也会引起钙钛矿材料的分解、材料的相变和材料内
32、部的相分离等，这构成了钙钛矿电池实际使用过程中的一对矛盾。光照对太阳能电池寿命的影响主要包括以下两个方面：（1）光照造成钙钛矿晶体结构的变化，溶液法制成的钙钛矿薄膜是由多个晶粒组成，光照会使得晶粒边界发生结构变形，造成缺陷。（2）光照会促进钙钛矿的分解，以 CH3NH3PbI3钙钛矿薄膜为例，研究发现，在真空中收到红绿蓝三种波长的光线照射都会使钙钛矿分解。2.2.2 目前实验室已有的改进措施 采用封装工艺隔绝外部因素影响采用封装工艺隔绝外部因素影响：针对外部因素的影响，合适的封装材料和封装工艺是进一步提高钙钛矿太阳能电池环境稳定性必不可少的条件。钙钛矿太阳能电池封装材料和工艺需要满足以下要求：
33、（i）化学惰性，在封装过程中可以和钙钛矿器件直接接触，且不会对钙钛矿材料、传输层材料或者器件结构造成破坏；（ii）材料具有长久的阻水阻氧和阻紫外的特性；（iii）由于钙钛矿材料和电荷传输材料的低耐热性，封装过程需要在低温下（通常小于 150）进行；（iv）成本低、易于加工、绿色环保。2020 年澳大利亚石磊博士等人发现聚合物-玻璃“毯盖”式封装技术能够形成绝对密闭的体系，在湿热（DH）和湿度冻结（HF）循环测试中采用这种封装技术的电池在工作 1800h 后未发生降解。图表图表19：毯盖封装与封边封装对比毯盖封装与封边封装对比 图表图表20：毯式封装较封边封装展现更好的稳定性毯式封装较封边封装展
34、现更好的稳定性 资料来源：Science，中信建投 资料来源：Science，中信建投 9 行业深度报告 行业简称行业简称 请参阅最后一页的重要声明 POE 是一种更适合钙钛矿电池封装的薄膜材料。是一种更适合钙钛矿电池封装的薄膜材料。传统晶硅电池常采用 EVA 材料封装，而 POE 是另一种不同的高分子材料。与传统材料相比，POE 具有非极性、PH 中性、水汽透过率低、紫外稳定性高等特点，分子极性的差异使得 EVA 和 POE 材料对助剂的吸收程度和速率有显著不同。玻璃化转变温度的差异，也会使得在环境温度低于零下 20 度的时候 EVA 硬化，与此同时 POE 仍然保持着弹性特征。而水汽透过率
35、的差异也使得 POE更适合易受水汽影响的钙钛矿材料使用。2021 年北卡罗来纳大学与中国科学院的研究小组用一种新型的封装技术制作了一种微型钙钛矿太阳能组件，使用 POE 密封胶进行离子凝胶和钙钛矿设备的封装和分离，组件效率高达 18.5%，且可以防止铅泄露。图表图表21：两种封装材料对比两种封装材料对比 性能指标性能指标 EVAEVA POEPOE（C8C8 为例）为例）分子式 密度 0.96g/cm3 0.88g/cm3 极性 极性 非极性 PH 小于 7 中性 WVTR（水汽透过率，38，90%湿度）20-40g.m2/day 2-5g.m2/day 紫外稳定性 弱 强 玻璃转化温度-20
36、-70 资料来源：全球光伏，中信建投 2.3 界面因素对材料稳定性的影响与提升方向界面因素对材料稳定性的影响与提升方向 2.3.1 影响稳定性问题来源 传输层和电极材料传输层和电极材料中的元素会腐蚀钙钛矿材料，加速器件分解与老化。中的元素会腐蚀钙钛矿材料，加速器件分解与老化。钙钛矿太阳能电池中，除了钙钛矿活性层之外，传输层和电极也是影响器件性能的关键因素。目前，正向结构钙钛矿太阳能电池中通常选择氧化钛（TiO2）、氧化锌（ZnO）和一些掺杂金属氧化物作为电子传输材料，但是在光照情况下 TiO2和 ZnO 会产催化分解钙钛矿材料，而且酸性 ZnO 具有腐蚀作用，加速钙钛矿材料的分解和器件的老化。
37、钙钛矿层的稳定性也会受到电极材料的影响。现阶段最常用的电极材料为金（Au）、银（Ag）、铝（Al）等，但金属原子可以通过扩散作用进入到钙钛矿层中，引起钙钛矿材料发生分解。图表图表22：钙钛矿太阳能电钙钛矿太阳能电池每层材料构成（池每层材料构成（以反式结构为例）以反式结构为例）10 行业深度报告 行业简称行业简称 请参阅最后一页的重要声明 资料来源：CNKI，中信建投 2.3.2 目前实验室已有的改进措施（1）优化传输层与电极材料的稳定性：优化传输层与电极材料的稳定性：现阶段，正向结构钙钛矿器件中电子传输材料多为 TiO2、SnO2、ZnO 以及一些掺杂的氧化物等。传统的 TiO2材料与氧气在有
38、机物存在的情况下经紫外光照激发后会诱发电池内部产生缺陷，在器件制备过程中降低氧气含量（例如氮气保护）可以有效减少缺陷的产生。现在研究采用更新的材料替代现有的电子传输层、空穴传输层与电极材料，减少对钙钛矿层的腐蚀以提高稳定性。（2）增加缓冲层，优化器件结构：）增加缓冲层，优化器件结构：不论是正向结构还是反向结构的钙钛矿太阳能电池，都是类三明治结构，夹于中间的钙钛矿材料很容易受到相邻电荷传输层的影响，空穴传输层和电子传输层也分别会受到来自阳极和阴极的影响。通过在钙钛矿电池中加入缓冲层的方法，可有效降低相邻层之间的影响，提升器件稳定性。2022年普林斯顿大学卢月玲团队在钙钛矿吸光层和电荷传输层之间，
39、特别设计了一种新型的全无机二维缓冲层（厚度相当于几个原子），以阻挡化学成分在这两层之间移动。测试在 110高温下连续运行 2100 小时保持 80%有效性。三、三、实践维度：实验室器件稳定性快速提升，产业化稳步推进实践维度：实验室器件稳定性快速提升，产业化稳步推进 3.1 钙钛矿钙钛矿组件组件稳定性不如晶硅的看法是“过去时”稳定性不如晶硅的看法是“过去时”稳定性问题曾被认为是阻碍钙钛矿太阳能电池投入实际运用的关键因素。稳定性问题曾被认为是阻碍钙钛矿太阳能电池投入实际运用的关键因素。在钙钛矿电池发展早期，稳定性只能维持数个小时，作为一种离子晶体材料，钙钛矿材料非常脆弱，可能存在不耐高温、不耐光照
40、、易水解、易氧化、易发生二次反应等缺陷。与之相反，目前普遍认为晶硅太阳能电池的寿命在 25 年左右，而在甘肃兰州中国最久的光伏电站建于 1983 年，至今已经 39 年，且现在仍然可以发电。隆基绿能组件则提供 12 年产品质保与 25 年及以上功率质保，承诺至第 25 年底，实际输出功率不低于铭牌功率 84.8%。因此市场形成了钙钛矿组因此市场形成了钙钛矿组件稳定性不如晶硅的认知，但我们认为以目前钙钛矿材料快速发展的情况下，这个认知件稳定性不如晶硅的认知，但我们认为以目前钙钛矿材料快速发展的情况下，这个认知已经已经过时。过时。电极层：电极层：金（Au）、银（Ag）、铝（Al）等空穴传输层：空穴
41、传输层：Spiro-OMeTAD钙钛矿吸光层钙钛矿吸光层：ABX3A：MA、FA、Cs等；B：Pb、Sn等；X：I、Br、Cl等电子传输层：电子传输层：TiO2、SnO2、ZnO或掺杂氧化物导电玻璃：导电玻璃：氧化铟锡导电玻璃（ITO）或氟掺杂氧化锡导电玻璃（FTO）主要材料成分主要材料成分 11 行业深度报告 行业简称行业简称 请参阅最后一页的重要声明 图表图表23：中国最久民用光伏电站中国最久民用光伏电站 图表图表24：隆基绿能隆基绿能 PERC 电池片衰减示意图电池片衰减示意图 资料来源：全国能源信息平台，中信建投 资料来源：隆基绿能官网，中信建投 图表图表25：隆基绿能与隆基绿能与 T
42、CL 中环主要组件质保参数中环主要组件质保参数 产品产品 组件效率组件效率 产品质保（年）产品质保（年）功率质保（年）功率质保（年）隆基绿能产品隆基绿能产品 Hi-MO 5 21.30%12 30 Hi-MO 5m 21.30%12 25 Hi-MO 4m 21.20%12 25 Hi-MO 4 20.90%12 30 TCL 中环产品中环产品 HOGJ-M2-280/285/290-60C 17.82%10 25 HOGJ-M2-295/300-60C 18.44%10 25 HOGJ-M2-335/340/345/350-72C 17.96%10 25 HOGJ-M4-310/315/32
43、0-60C 18.63%10 25 资料来源：隆基绿能官网，TCL中环官网，中信建投 3.2 高效钙钛矿器件实验室稳定性持续提升高效钙钛矿器件实验室稳定性持续提升 在兼具效率与稳定的前提下在兼具效率与稳定的前提下，钙钛矿材料稳定性已有显著提升，钙钛矿材料稳定性已有显著提升。目前研究机构内主要针对钙钛矿光伏电池的某一个方向进行研究与拓展，如采用更新的材料、引入不同的结构、更好的封装等。整体上钙钛矿材料在兼具效率与稳定的前提下，钙钛矿材料稳定性正在实验室中稳步提高。2013 年韩国团队制备的 12.30%效率的钙钛矿太阳能电池在实验室中 35%-55%湿度测试条件下，只能储存480 小时，保持 8
44、6%的有效性。经过近些年的发展，器件的储存稳定性与工作稳定性都有了长足的进步。储存储存稳定性上稳定性上，2022 年桂林电子科技大学团队制备的 21.8%效率钙钛矿器件在氮气中储存 8376 小时（349 天）保持了 84%的有效性；工作稳定性上工作稳定性上，2022 年武汉大学团队制备的 24.01%效率钙钛矿器件在经过 1000 小时最大功率测试（55温度下持续光照）后仍能保持 88%的初始效率。12 行业深度报告 行业简称行业简称 请参阅最后一页的重要声明 图表图表26：钙钛矿实验室效率与稳定性研究进展（部分）钙钛矿实验室效率与稳定性研究进展（部分）发表年份发表年份 器件效率器件效率 测
45、试条件测试条件 时间（小时）时间（小时）测试后效率相对于初始测试后效率相对于初始值值 储存稳定性储存稳定性 2013 12.30%35%-55%湿度 480 86%2015 17.40%50%湿度 500 90%2015 13%空气 720 85%2016 12.10%空气 1440 94%2016 15.10%空气 1200 85.50%2017 15.20%湿度 50%2000 80%2017 19.80%40%湿度 1200 93%2017 20.20%40%湿度 2500 85%2018 20.10%氮气 1680 90%2018 19.90%空气 3600 90%2019 20.06
46、%60%湿度 840 85%2021 24.40%85%湿度&85%1056 94%2022 25.60%空气 5000 80%2022 21.80%氮气 8376 84%工作稳定性工作稳定性 2014 12.80%空气中全光照 1000 2016 21.10%N2 保护 250 90%2017 20.20%氩气 60 1000 2018 21.30%氩气 25 1000 87%2019 20.52%85 1000 91%2021 23.19%空气光照 600 80%2021 24.40%85%湿度&85%1056 94%2022 24.01%氮气 55 1000 88%2022 17.40%
47、110 2100 80%资料来源：论文整理，中信建投 13 行业深度报告 行业简称行业简称 请参阅最后一页的重要声明 图表图表27：实验室钙钛矿太阳能电池稳定性气泡图（纵轴表示效率，面积表示相对稳定性）实验室钙钛矿太阳能电池稳定性气泡图（纵轴表示效率，面积表示相对稳定性）资料来源：CNKI，中信建投 钙钛矿封装后组件稳定性可以得到进一步提升。钙钛矿封装后组件稳定性可以得到进一步提升。钙钛矿器件制备完成后，需要加盖背板玻璃、POE 胶膜、接线盒等完成封装。好的封装材料可以有效地隔绝氧气、水分等外界因素影响，以提高钙钛矿电池寿命。2016年 Nature Communication 的论文中实现
48、14.06%效率的钙钛矿器件在光照、45与氩气保护情况下工作 300 小时稳定，而加盖玻璃密封后的组件可以实现大于 10000 小时的工作稳定且无衰减。2020 年 Joule 中的论文实现 14.89%效率的玻璃密封组件在光照与 55下工作超过 9000 小时没有衰减。图表图表28：实验室中保持稳定工作实验室中保持稳定工作 9000h 无衰减的密封组件。（红色框线内为衰减程度）无衰减的密封组件。（红色框线内为衰减程度）资料来源：CNKI，中信建投 3.3 产业内已有产品产业内已有产品提供与晶硅电池相同质保年限提供与晶硅电池相同质保年限 目前钙钛矿商业化进展目前钙钛矿商业化进展顺利顺利，已有厂
49、商组件提供与晶硅电池相同质保。已有厂商组件提供与晶硅电池相同质保。目前钙钛矿组件效率的最高记录为22.72%，由华北电力戴松元团队于 2022 年创造并发表于 Nature。国内企业在钙钛矿太阳能电池组件高性能技术开发、面积放大与稳定性攻关等各方面，均有一定的技术积累，走在前列的公司有苏州协鑫光电、杭州纤纳光电、极电光能和湖北万度光能等。纤纳光电称其组件可以通过 IEC 标准测试，协鑫光电的产品正在测试过程中，其它厂家产品稳定性情况暂未公布。10%12%14%16%18%20%22%24%26%28%30%20102012201420162018202020222024储存时间（小时）工作时间
50、（小时）14 行业深度报告 行业简称行业简称 请参阅最后一页的重要声明 已有头部玩家实现了稳定性的重大突破已有头部玩家实现了稳定性的重大突破。纤纳光电于 2022 年 5 月 20 日发布的钙钛矿组件，具有功率高、稳定性好、温度系数低、热斑效应小、不易隐裂等特性，可进行 12 年产品材料与工艺质保，25 年线性功率输出质保，与部分晶硅组件质保年限相同。图表图表29：不同公不同公司在钙钛矿领域研究进展司在钙钛矿领域研究进展 公司公司 年份年份 组件面积组件面积cm2 组件效率组件效率 组件稳定性组件稳定性 测试机构测试机构 Panasonic 2020 804 17.90%-日本产业技术综合研究
