钙钛矿光伏靶材行业分析：产业化风渐起靶材国产化价值显现

钙钛矿光伏靶材行业分析：产业化风渐起，靶材国产化价值显现1、钙钛矿强势崛起，高效率+低成本引领变革1.1、钙钛矿：极具潜力的新一代光伏技术钙钛矿最初指化学式为CaTiO3的矿物质，及拥有CaTiO3结构的金属氧化物。钙钛矿(Perovskite)，是以俄罗斯矿物学家L.A.Perovski的名字命名的。1839年，L.A.Perovski研究存在于乌拉尔山变质岩中的钛酸钙(CaTiO3)时，首次提出了钙钛矿这一晶体结构。经过多年发展，钙钛矿材料定义演变为具备化学通式ABX3的物质。其中，A为一价有机（甲基铵，MA+或甲脒，FA+）或无机（Cs+）阳离子，或两者的混合物；B为Pb2+或Sn2+，或两者的混合物；X是卤化物阴离子（I—、Br—或CI—或它们的混合物）。A位阳离子位于中心，B位阳离子和X位卤化物阴离子形成八面体，占据体心立方晶格的角位。晶格中的离子半径决定钙钛矿材料的结构，进而影响钙钛矿材料的电子性质和稳定性，并决定钙钛矿光伏电池的性能和寿命。通过调控A、B和X位离子的配比可以优化电池的性能和稳定性。钙钛矿材料具备连续可调的带隙范围，并覆盖最佳带隙。光伏电池的工作原理是把入射光子的能量转换为电子，产生电压、电流和功率输出。而带隙就是电子从它的主原子的一个轨道带挣脱到轨道带之外所需的能量，是为电池的电力输出所提供的能量。带隙过大，光子将缺乏发射电子所需的能量，直接穿过太阳能电池，无法产生大量电流；带隙过小，光子会释放电子，但只向每个电子传递少量能量，导致电压过低。材料带隙与能量转换效率息息相关。晶体硅的带隙约为1.1eV，理论效率为29.3%。而钙钛矿具有连续可调的带隙范围，人工设计的钙钛矿材料，带隙可以非常接近于最优带隙（1.4eV），因此单层钙钛矿电池的理论效率为33%，双层钙钛矿电池的理论可达到43%以上。钙钛矿太阳能电池（PSCs）指利用钙钛矿结构材料作为吸光材料的太阳能电池。根据电荷传输方向的不同，钙钛矿太阳能电池可分为n-i-p型（透明导电电极/n型电子传输层/钙钛矿吸光层/p型空穴传输层/顶电极）和p-i-n型（透明导电电极/p型空穴传输层/钙钛矿吸光层/n型电子传输层/顶电极），其中，n-i-p型电池根据电子传输层结构的不同又可分为介孔结构和平面结构。平面p-i-n型结构制备工艺简单、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，受到科研关注，但其最大的问题是效率不高。钙钛矿电池结构的透明导电基底、电子传输层、钙钛矿活性层、空穴传输层和顶电极5部分简介如下：（1）透明导电基底（TCO玻璃）：传输太阳光和载流子，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）和氧化铟锡（ITO），柔性基底为ITO/PEN。（2）电子传输层（ETL）：抽取和传输电子及阻挡空穴。n-i-p型器件结构的电子传输材料主要是金属氧化物（如TiO2、ZnO、Al2O3、SnO2等），p-i-n型器件结构的电子传输材料主要是富勒烯及其衍生物。（3）钙钛矿活性层：钙钛矿太阳能电池的核心层，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。钙钛矿薄膜的质量会对整个器件的性能起到决定性作用。（4）空穴传输层（HTL）：传输空穴到接触电极及阻挡电子的反向传输、降低复合。n-i-p型钙钛矿太阳能电池常用的空穴传输材料包括有机小分子，p-i-n型器件中常用的空穴传输材料为聚合物及无机金属氧化物（NiOx）等。（5）顶电极：材料有金属（Ag、Au等）和非金属（碳等）。钙钛矿电池将光能转化为电能的原理可简化为“光子进，电子出”。当光子能量高于半导体的能带间隙时，半导体材料吸收光子并产生电子-空穴对，电子-空穴对被P-I-N结的内建电场分离成自由移动的载流子（电子和空穴）。电子和空穴在电场的作用下分别被电子传输层和空穴传输层抽取并定向传输，电子向阴极移动，空穴向阳极移动，最终被两端的电极收集并输送到外部电路。技术路线方面，钙钛矿单结电池进展较快，已有多家企业进入中试阶段。根据钙钛矿光伏电池的结构，可分为三条主流技术路线：钙钛矿单结电池、四端和两端钙钛矿/晶硅叠层电池。（1）钙钛矿单结电池：国内外已有数家企业进入中试阶段，目前和晶硅组件的效率依旧相差甚远。钙钛矿组件的造价未来在大范围量产后，预计将略低于晶硅组件。由于其目前较低的效率，度电成本未来仍可能高于晶硅组件。但钙钛矿单结组件可以切入细分的领域，例如BIPV、柔性组件或者空间应用。（2）四端钙钛矿/晶硅叠层电池：叠层太阳能电池技术旨在突破单结太阳能电池的Shockley–Queisser极限（例如晶硅的理论极限小于30%），在高效转换光子能量的基础上将理论极限推至40%以上。四端叠层将晶硅和钙钛矿电池分开制备，仅在组件端进行整合。目前产业界仅有试验性的尝试。（3）两端钙钛矿/晶硅叠层电池：和四端叠层电池相比，两端叠层电池在成本上的优势更明显，首先可以减少一层透明导电电极的制备，其次良品率由于单片电池面积的减小而大幅上升，同时两端叠层的理论极限上限相对更高。虽然叠层组件制备成本比晶硅组件略高，但由于其更高的能量转换效率，度电成本会更低。目前产业界有英国的牛津光伏进入中试阶段。目前，钙钛矿电池产业化发展也面临着一些难点。主要分三方面：大面积制备、稳定性、环保。（1）大面积制备问题。转换效率较高的钙钛矿电池其尺寸均为实验室级别，未达到商业化尺寸。目前较难生产薄且均匀的大面积钙钛矿层，一旦电池尺寸增大，光电转换效率随之下降。（2）稳定性问题。潮湿环境（包括昼夜温差造成的水蒸气）、氧气氧化、光辐照、紫外线等都会对电池稳定性产生显著影响。目前，钙钛矿电池持续光照实验最长达10000h，若按全天平均日照时长4h计算，理论寿命只有6.8年。考虑到实际日照时间多于4h及其他日常损耗，正常寿命将会小于6.8年，与晶硅电池的理论寿命25年比差距较大。（3）环保问题。目前高性能钙钛矿大多以铅作为原料，并且制备过程中常用的一些溶剂和反溶剂（如氯苯、DMF、DMSO等）具有毒性，会对环境造成危害，不符合绿色可持续发展的长期目标。1.2.1、光电转换效率：相对晶硅光伏，具备更高天花板钙钛矿光伏是第三代光伏技术的代表之一。光伏产业发展至今，其技术路线可分为三代。第一代是以单晶硅、多晶硅为代表的晶硅光伏。第二代是以非晶硅、碲化镉（CdTe）、铜铟镓硒（CIGS）和砷化镓（GaAs）为代表的薄膜光伏。而第三代则是以染料敏化太阳能电池（DSSCs）、有机光伏（OPV）、量子点太阳能电池（QDSCs）和钙钛矿太阳能电池（PSCs）等为代表的新兴光伏技术。这些新兴技术尚未大批量进入市场，但因低成本、低能耗、质轻和制造灵活等优点广受关注。钙钛矿光伏电池的实验室光电转换效率在10年间快速追赶晶硅光伏电池。目前光伏电池技术中应用最为广泛的是第一代晶硅电池。而钙钛矿光伏电池则凭借优异的光电转换效率，在第三代太阳能电池中脱颖而出。钙钛矿光伏电池的实验室光电转换效率从2009年的3.8%提高至2021年的25.7%，而这一进程晶硅光伏电池花费了四五十年。钙钛矿电池的理论转换效率天花板相对晶硅电池较高，未来提升潜力大。目前，主流光伏晶硅电池的光电转换效率已接近天花板，晶硅组件的实验室最高转换效率为26.7%，量产转换效率约为23-25%，理论转换效率上限为29.3%；而钙钛矿单结电池的实验室光电转化效率为25.7%，理论转换效率可以达到33%，钙钛矿叠层电池的理论转换效率更达到45%，具有较高的天花板。预计未来伴随钙钛矿技术的逐步成熟，钙钛矿电池的光电转换效率具备较高的提升空间。1.2.2、成本端：产业链显著缩短，规模化降本效应显著钙钛矿光伏产业链较晶硅光伏显著缩短，原材料到组件仅需45分钟。据协鑫纳米，100兆瓦的钙钛矿单一工厂，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，一片组件完工大概需要三天以上的时间，用时差异大。从原材料视角，钙钛矿原材料丰富、材料用量少、纯度要求低。相比于晶硅问世至今材料未发生变化，钙钛矿的材料可以不断迭代。钙钛矿是直接带隙材料，吸光能力远高于晶硅，晶硅组件中硅片厚度通常为180微米，而钙钛矿组件中钙钛矿层厚度大概是0.3微米，存在三个数量级的差异，因此，相比于全球每年大概50万吨的硅料产量，钙钛矿仅需大概1000吨即可满足需求。纯度要求方面，相比于硅料99.9999%的纯度要求，钙钛矿仅需95%即可满足使用要求。钙钛矿在产能投资、单瓦能耗等方面均具有优势。产能投资方面，晶硅光伏的硅料、硅片、设备、组件加起来，约在10亿元/GW，而钙钛矿光伏的产能投资，在达到一定成熟度后，约为5亿元/GW，是晶硅光伏的1/2。单瓦能耗方面，晶硅光伏的最高工艺温度在1500度以上，而钙钛矿光伏的最高工艺温度在150度左右，因此，钙钛矿组件的制造能耗显著低于晶硅组件制造能耗，单晶硅光伏组件的能耗约是1.52KWh/W，而钙钛矿组件能耗仅为0.12KWh/W，约为晶硅组件制造能耗的1/10。钙钛矿电池产线建设具备规模化降本优势。钙钛矿不同规模产能的成本差异较大，随着产线产能的提高，平均建设成本将显著降低。以纤纳光电为例，其目前运行的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，产线建设总成本具备显著的规模化降本效应。1.3、政策推动产业化，多家公司陆续布局钙钛矿产能国家出台多项政策推动钙钛矿光伏的研发及产业化进程。2021年11月，《“十四五”能源领域科技创新规划》将“研发大面积、高效率、高稳定性、环境友好型的钙钛矿电池，开展晶体硅/钙钛矿、钙钛矿/钙钛矿等高效叠层电池制备及产业化生产技术研究”列入重点任务之一。2022年6月，《科技支撑碳达峰碳中和实施方案（2022—2030年）》提出坚持研发高效稳定钙钛矿电池等技术。2023年1月，《关于推动能源电子产业发展的指导意见》提出推动钙钛矿及叠层电池等先进技术的研发应用，提升规模化量产能力。多家企业发力布局钙钛矿产能建设。目前，钙钛矿产能规划活跃，参与者多为未上市公司，上市公司中，也有协鑫科技、奥联电子、杭萧钢构等旗下公司（分别为协鑫光电、奥联光能、合特光电）进行积极布局。目前，协鑫光电已建成全球首条100MW量产线，组件尺寸1m×2m。当前产线处于工艺开发和设备改造阶段，下线组件效率已实现稳步提升，预计2023年底实现18%以上的转化效率，有望成为全球首条跑通量产的100MW产线；纤纳光电多次蝉联钙钛矿小组件世界效率纪录榜首；极电光能150MW试验线已开始投产，是目前全球已投产且产能最大的钙钛矿光伏生产线。据我们不完全统计，截至2023年2月，现有企业规划的钙钛矿总产能已达28GW，2023年钙钛矿产能有望落地880MW，2024年有望落地超3GW。2、靶材：钙钛矿靶材占比提升，国产化价值凸显2.1、靶材：泛半导体领域制备功能薄膜的核心原材料靶材是半导体、显示面板、光伏等领域制备功能薄膜的核心原材料，具备十分重要的作用。靶材，又称“溅射靶材”，是在溅射过程中被高速金属等离子体流轰击的目标材料，纯度为99.95%以上，更换不同靶材可得到不同的膜系，从而实现导电或阻挡等功能。溅射工艺原理介绍：一般来说，溅射靶材主要由靶坯、背板等部分构成，其中，靶坯是高速离子束流轰击的目标材料，属于溅射靶材的核心部分，在溅射镀膜过程中，靶坯被离子撞击后，其表面原子被溅射飞散出来并沉积于基板上制成电子薄膜；由于高纯度金属强度较低，而溅射靶材需要安装在专用的机台内完成溅射过程，机台内部为高电压、高真空环境，因此，超高纯金属的溅射靶坯需要与背板通过不同的焊接工艺进行接合，背板起到主要起到固定溅射靶材的作用，且需要具备良好的导电、导热性能。面板及光伏领域的靶材，对比半导体有不同的高标准。半导体芯片对溅射靶材的金属材料纯度、内部微观结构等方面都设定了极其苛刻的标准，需要掌握生产过程中的关键技术并经过长期实践才能制成符合工艺要求的产品。而对比半导体芯片，面板及光伏领域对于溅射靶材的纯度和技术要求略低一筹，但随着靶材尺寸的增大，面板及光伏对溅射靶材的焊接结合率、平整度等指标提出了更高的要求。2.2、钙钛矿电池中靶材成本占比显著提升，价值凸显钙钛矿光伏成本中靶材成本占比显著提升，协鑫光电100MW项目中靶材成本占比高达37.2%。在新一代晶硅光伏技术中，HJT技术路线因导电性问题，新引入了透明导电薄膜（TCO），TCO膜的制备通常使用ITO（氧化铟锡），需要使用稀有金属铟，而铟是伴生矿，产量弹性小、价格高，因此HJT技术路线在晶硅光伏中靶材成本占比相对较高。据前瞻产业研究院，2018年，HJT电池成本构成中，靶材成本占比约为4%。然而，相较晶硅技术路线，钙钛矿技术路线因无硅料成本，且生产温度低、能耗成本下降等因素，靶材成本占比进一步大幅提升。根据协鑫纳米公布的其100MV钙钛矿组件成本构成，总成本约为0.94元/W，其中靶材价值量占比高达37.2%；其次为玻璃及封装材料，占比31.9%。钙钛矿电池制作工序中，ITO导电玻璃、空穴传输层、电子传输层、金属背电极的制作均会用到各类靶材。其中，涉及靶材的主要工序及材料情况如下：1）TCO玻璃：透明导电氧化物镀膜（TransparentConductiveOxide，TCO）玻璃，是在平板玻璃表面通过物理或者是化学镀膜的方法均匀镀上一层透明导电氧化物薄膜，主要包括铟（In）、锡（Sn）、锌（Zn）和镉（Cd）氧化物及其复合多元氧化物薄膜。按膜层成分来分，TCO玻璃可分为ITO-TCO玻璃、掺杂氟的二氧化锡（FTO-TCO）玻璃、掺铝氧化锌透明导电膜（AZO-TCO）玻璃。2）空穴传输层（HTL）：常用的制备工艺为溅射PVD、蒸镀PVD或刮涂法。氧化镍材料常选用PVD法，PTAA等有机物常使用刮涂制备或喷雾热解法制备。空穴传输层被用于增强钙钛矿层的空穴传输效率，并充当水分和金属离子屏障以缓解钙钛矿材料的降解。常用的空穴传输材料主要为有机小分子、有机导电高分子共轭聚合物和无机半导体三类，其中无机半导体中的氧化镍由于价格低廉而被产业端广泛应用。3）电子传输层（ETL）：若选择有机材料会使用蒸镀工艺，若选择金属氧化物作为电子传输层则常选用气相沉积。电子传输材料与钙钛矿光敏层的电子选择性接触对提高光电转化效率具有重要作用。常用的电子传输层材料包括无机氧化物（TiO2、ZnO、SnO2）和富勒烯及其衍生物，其中无机材料常被用于正式电池结构，有机材料常被用于反式电池结构。目前，产业端多使用SnO2及富勒烯作为电子传输层材料。2.3、全球靶材处于外资垄断，国产化成果初显靶材产业链主要包括金属提纯、靶材制造、溅射镀膜和终端应用四大环节。其中，靶材制造和溅射镀膜环节是整个溅射靶材产业链中的关键环节。靶材制造工艺主要包括熔炼铸造法和粉末烧结法。其中，常用的熔炼方法有真空感应熔炼、真空电弧熔炼和真空电子轰击熔炼等；常用的粉末冶金工艺包括热压、真空热压和热等静压（HIP）等。两种工艺都有着各自的优缺点。全球靶材市场处于外资寡头垄断的格局。由于溅射镀膜工艺起源于国外，所需要的溅射靶材产品性能要求高、专业应用性强，因此，长期以来全球溅射靶材研制和生产主要集中在美国、日本少数几家公司，产业集中度高，以霍尼韦尔（美国）、日矿金属（日本）、东曹（日本）等为代表。这些企业，经过几十年的技术积淀，凭借其雄厚的技术力量、精细的生产控制和过硬的产品质量居于全球溅射靶材市场的主导地位，占据绝大部分销售市场份额。突破技术垄断，我国靶材产业国产化取得巨大进展。近年来，受益于国家从战略高度持续地支持电子材料行业的发展及应用推广，我国国内开始出现专业从事溅射靶材研发和生产的企业。通过将溅射靶材研发成果产业化，积极参与溅射靶材的国际化市场竞争，我国溅射靶材生产企业在技术和市场方面都取得了长足的进步，目前已经改变了溅射靶材长期依赖进口的不利局面。其中，国产高纯金属钼靶材、ITO靶材已实现技术突破，依靠国内原材料高纯钼粉、高纯铟等既有资源优势，已经具备相对有竞争力的产业优势。3、投资分析3.1、隆华科技：靶材国产化先行者成功转型为新材料平台型公司。隆华科技的传统业务以节能环保产业为主，2015年起正式启动转型升级，全力布局新材料产业。目前公司在新材料领域的产业布局基本完善，已经形成了“电子新材料”+“高分子复合材料”的两大产业板块。全资子公司丰联科光电率先打破高端靶材海外垄断，光伏靶材通过隆基等客户认证。2022年6月，公司全资子公司四丰电子与晶联光电进行了资产整合，设立“丰联科光电（洛阳）股份有限公司”。丰联科光电拥有丰富的靶材产品系列组合，研发生产的高纯钼及钼合金靶材、ITO靶材、银合金靶材等科技产品，填补了中国在相关领域的技术空白，率先打破长期以来高端靶材依赖进口的局面。显示面板领域，公司成功进入京东方、TCL华星、天马微电子、韩国LGD、台湾群创光电及