钙钛矿电池

摘要：钙钛矿电池是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池，属于第三代太阳能电池，也被称为新概念太阳能电池。当前，钙钛矿电池已经步入商业化的关键节点。数据统计，2023年中国钙钛矿电池渗透率约为0.2%。随着钙钛矿电池技术的不断提升，未来我国钙钛矿电池渗透率有望随之增长。

一、定义及分类

钙钛矿电池是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池，属于第三代太阳能电池，也被称为新概念太阳能电池。当前，钙钛矿电池主要有单结钙钛矿电池和叠层钙钛矿电池。如果一个钙钛矿电池只有钙钛矿本身的“三明治”结构，那么就是单结钙钛矿电池。所谓叠层钙钛矿电池，是指钙钛矿层可以堆叠在彼此之上，也可以堆叠在传统晶硅太阳能电池之上，形成能够吸收更宽太阳光谱的“串联”电池。按照不同材料的堆叠，叠层钙钛矿电池的技术路线有晶硅/钙钛矿叠层电池、全钙钛矿叠层电池、薄膜电池（如铜铟镓硒）/钙钛矿叠层电池等。

二、行业政策

近年来，国家陆续出台了多项政策，鼓励钙钛矿电池行业发展与创新。2023年1月，工信部等六部门印发《关于推动能源电子产业发展的指导意见》，提出要统筹开发钙钛矿电池（含钙钛矿/晶硅叠层电池）、非晶硅/微晶硅/多晶硅薄膜电池、化合物薄膜电池等高效薄膜电池技术。开发BIPV构件、车船用构件、户外用品等产品，拓展应用领域。2024年3月，河南省人民政府办公厅印发《河南省加快制造业“六新”突破实施方案的通知》，提出要重点发展晶体硅光伏电池材料和化合物薄膜，开发大尺寸单晶硅、多晶硅太阳能硅材料、多晶硅薄膜等，研发新型高效钙钛矿电池材料和铜铟镓硒等薄膜电池材料，打造“硅烷—颗粒硅—单晶硅片—电池片—组件—电站”产业链。

三、发展历程

钙钛矿最早是1839年德国科学家GustavRose发现，2006年钙钛矿首次应用于光伏电池，2009年日本科学家Miyasaka率先将钙钛矿材料用于染料敏化太阳能电池作为吸光材料，获得了3.8%的光电转化效率。2021年10月，韩国蔚山国家科技研究所的单结钙钛矿电池光电转换效率25.8%，2022年8月中国中科院半导体研究所的光电转换效率25.6%。2020年10月，美国能源部可再生能源实验室的全钙钛矿叠层电池光电转换效率23.1%，中国南京大学谭海仁课题组的光电转换效率突破28.0%。2020年12月，英国牛津光伏的钙钛矿/晶硅叠层电池光电转换效率29.5%；2021年11月德国亥姆霍兹中心将光电转换效率进一步提高29.8%，2022年7月瑞士洛桑联邦理工学院突破31.3%。2023年11月3日，据美国国家可再生能源实验室（NREL）最新认证报告显示，由中国光伏企业——隆基绿能科技股份有限公司自主研发的晶硅-钙钛矿叠层电池效率达到33.9%，这是目前全球晶硅-钙钛矿叠层电池效率的最高纪录。

四、行业壁垒

1、技术壁垒

钙钛矿电池的发展需要长期的技术积累，新进入钙钛矿电池行业的企业通过自主研发实现关键技术的突破和成熟应用均需要较长的时间积累。其中，材料、电芯、模组、电池包、电池管理系统的研发和生产均有较高的技术要求，如没有相应核心技术，钙钛矿电池生产企业将很难生产出有竞争优势的产品。

2、品牌壁垒

钙钛矿电池行业具有较高的品牌壁垒。钙钛矿电池产品的安全性、稳定性、一致性、快速响应能力等因素是客户选择生产厂商的主要依据，产品得到市场检验和得到客户认可通常需要较长时间。钙钛矿电池厂商具备较强的综合实力和良好的品牌效应，才能获取客户的信任。

3、规模壁垒

钙钛矿电池行业具有较高的规模壁垒，其生产具有规模经济的特点，生产规模较大、资金雄厚的企业在原材料采购和生产运营方面具有相当的规模优势。同时，钙钛矿电池的研发需要不断投入，只有规模化企业才能持续保持领先地位。

五、产业链

1、行业产业链分析

钙钛矿电池产业链上游主要包括原材料和设备，其中，原材料主要包括钙钛矿、靶材、TCO玻璃、吸光材料等；设备主要包括镀膜设备、涂布设备、激光设备以及封装设备。产业链中游为钙钛矿电池的生产制造。下游为钙钛矿电池应用领域，主要包括光伏产业、LED、催化剂、金属空气电池、气敏材料、磁制冷材料等。

钙钛矿电池行业产业链

钙钛矿

武汉低维材料研究院有限公司

山东鸿瑞世嘉新能源科技有限公司

西昌裕鑫新材料科技有限公司

深圳市惠能材料科技研发中心（有限合伙）

靶材

济源豫金靶材科技有限公司

东莞市欧莱溅射靶材有限公司

深圳市矽谷溅射靶材有限公司

深圳市富明溅射靶材有限公司

TCO玻璃

北京物华天宝镀膜科技有限公司

包头北科科技开发有限公司

深圳市添程塑胶原料有限公司

安徽省杨庄新能源开发有限公司

吸光材料

广西里尔新材料有限公司

北京宏泰创新科技有限公司

深圳市首骋新材料科技有限公司

天合光能（常州）科技有限公司

上游

宁德时代新能源科技股份有限公司

隆基绿能科技股份有限公司

天合光能股份有限公司

晶科能源股份有限公司

中游

光伏产业

LED

催化剂

金属空气电池

气敏材料

磁制冷材料

下游

2、行业领先企业分析

（1）宁德时代新能源科技股份有限公司

宁德时代新能源科技股份有限公司成立于2011年，是国内率先具备国际竞争力的动力电池制造商之一，企业专注于新能源汽车动力电池系统、储能系统的研发、生产和销售，致力于为全球新能源应用提供一流解决方案，核心技术包括在动力和储能电池领域，材料、电芯、电池系统、电池回收二次利用等全产业链研发及制造能力。企业已与国内多家主流车企建立合作关系，并成功在全球市场上占据一席之地，也成为国内率先进入国际顶尖车企供应链的锂离子动力电池制造厂商。据统计，2024年一季度，企业总营收同比下降10.41%至797.71亿元，主要是原材料成本下降，导致电池价格相应下行。在钙钛矿电池领域，目前，企业将钙钛矿叠层电池技术看作是未来光伏电池技术的发展方面，并加快对钙钛矿电池的研发和产业化落地进行积极布局。未来，宁德时代将持续进军光伏领域，并加快通过中试生产，在钙钛矿光伏电池上持续发力。

（2）隆基绿能科技股份有限公司

隆基绿能科技股份有限公司成立于2000年，致力于成为全球最具价值的太阳能科技公司。企业以“善用太阳光芒，创造绿能世界”为使命，秉承“稳健可靠、科技引领”的品牌定位，聚焦科技创新，构建单晶硅片、电池组件、分布式光伏解决方案、地面光伏解决方案、氢能装备五大业务板块。形成支撑全球零碳发展的“绿电”+“绿氢”产品和解决方案。2022年11月19日，企业通过认证的26.81%的电池效率，是目前全球硅基太阳能电池效率的最高纪录，不分技术路线。2023年5月，在上海国际光伏展会（SNEC 2023）上，企业对外公布其晶硅-钙钛矿叠层电池效率达到31.8%。2023年6月，经欧洲太阳能测试机构ESTI权威认证，企业在商业级绒面CZ硅片上实现了晶硅-钙钛矿叠层电池33.5%的转换效率。2023年11月，企业自主研发的晶硅-钙钛矿叠层电池效率达到33.9%，刷新世界纪录。从企业经营情况来看，2023年，企业组件及电池营收同比增长16.91%至991.99亿元，主要是企业太阳能组件销量上涨。

六、行业现状

目前，国内新兴钙钛矿电池企业纷纷涌现，钙钛矿电池产业化进程持续推进。钙钛矿技术目前尚处于产业化早期，电池结构、材料体系、制备工艺、生产设备仍在持续迭代中，钙钛矿电池厂商积极验证技术方向，加速推进钙钛矿电池量产进程。当前，钙钛矿电池已经步入商业化的关键节点。数据统计，2023年中国钙钛矿电池渗透率约为0.2%。随着钙钛矿电池技术的不断提升，未来我国钙钛矿电池渗透率有望随之增长。

七、发展因素

1、有利因素

（1）宏观经济稳定增长

2023年以来，我国经济运行稳中有进、稳中向好。数据统计，2023年国内生产总值126.06万亿元，比2022年增长5.2%，CPI同比上涨0.2%，进出口总值41.76万亿元人民币，同比增长0.2%。与此同时，我国供给侧结构性改革取得重要进展，经济发展的质量和效益不断提升。随着供给侧结构性改革继续向纵深推进，促进经济回稳的积极因素将不断积累，有利于钙钛矿电池行业的快速发展。

（2）国家政策有利益行业发展

近年来，国务院、国家发展改革委、财政部、工信部等多个中央部门出台了多项钙钛矿电池鼓励政策，明确支持钙钛矿电池行业发展，并相继出台了《“十四五”可再生能源发展规划》《关于推动能源电子产业发展的指导意见》《关于推进钙钛矿太阳能电池产业发展的实施方案》等政策，旨在通过政策引导和市场激励，加速钙钛矿电池技术的研发、应用和产业化进程，为新能源产业的持续健康发展注入强大动力。

（3）钙钛矿电池成本较为低廉

钙钛矿具有更低的生产成本。据估算，相同产能，钙钛矿电池投资大约为晶硅电池一半。晶硅的1GW硅料、硅片、电池、组件合计接近10亿元的投资规模，而钙钛矿电池1GW的产能投资，在达到一定成熟度后，约为5亿元左右。与此同时，在原料来源方面，钙钛矿电池原料用量少，且不存在稀缺性。晶硅组件中的硅片，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，原材料用料极少。每块晶硅材料组件消耗1kg硅材料，同样大小的钙钛矿组件仅消耗2g钙钛矿材料。

2、不利因素

（1）钙钛矿电池的稳定性较差

光伏电池稳定性越好、寿命越长，则其度电成本越低。目前市场上成熟光伏产品寿命通常达到20年以上，而目前学术界和产业界仍然缺乏对钙钛矿光伏寿命标准化度量的共识。当前钙钛矿光伏产业化最大的障碍即材料稳定性较弱、电池寿命较短，封装后的电池在正常使用条件下T90寿命（剩余效率为初始效率的90%）超过10000小时仍然是一个不小的挑战。

（2）钙钛矿电池难以实现大面积制备

实现高效率钙钛矿电池的大面积制备是其产业化的另一大挑战。随着电池面积增大，钙钛矿电池相比其他光伏电池，能量转换效率下滑幅度更明显。大面积电池模组和小面积器件效率失配的主要原因有：大面积钙钛矿薄膜容易出现孔洞；器件面积增大时，串联电阻增大、并联电阻减小；大面积界面层质量不易控制。目前小面积（＜1cm²）的钙钛矿电池主要通过溶液涂旋法制备，而当器件面积扩展到100cm²以上时，由于旋涂技术固有的边缘效应、扩展性差、原料浪费等缺陷导致这类方法不再适用。

（3）钙钛矿电池面临环保问题

钙钛矿电池制备过程中前驱体溶液含铅。钙钛矿薄膜的厚度与前驱体溶液的浓度之间存在着直接的关联。为了制造高效的钙钛矿太阳电池，需要使用相对较高浓度的含铅前驱体。然而，钙钛矿电池含铅，特别是其中的碘化铅，具有显著的水溶性特性。如果老化的钙钛矿电池未能采取合适的回收方式，碘化铅就有可能浸出并进入土壤，进而被植物吸收，最终进入食物链。因此，钙钛矿电池面临一定的环保问题。

八、竞争格局

在全球范围内，钙钛矿电池的研发和产业化进程正在加速。以美国、中国、欧洲为主导的研究团队和公司，正通过材料创新、工艺优化、系统集成等方式，不断刷新钙钛矿电池的性能记录。当前，国内钙钛矿电池厂商可分为上市企业和非上市企业两大竞争派系。上市企业主要包括宁德时代、隆基绿能、天合光能、晶科能源等企业，多具有晶硅电池背景，正向钙钛矿/晶硅叠层电池方向努力；非上市企业主要包括协鑫光能、纤纳光电、万度光能、极电光能等，以单结钙钛矿电池为主要产业化方向。

九、发展趋势

钙钛矿太阳能电池的理论光电转换效率高达33%，突破传统晶硅电池29%的上限。在制备工艺和结构方面，钙钛矿太阳能电池与晶硅电池有所不同，且其制备流程显著缩短，设备投资成本更低。未来，随着技术的进步和创新，钙钛矿太阳能电池的性能将进一步提升，成本将进一步降低。与此同时，目前，我国钙钛矿领域蓬勃发展。在学术方面，我国钙钛矿太阳能电池研发团队齐发力，产研结合探索最具竞争力和性价比的技术路线。在产业方面，国内钙钛矿设备厂商订单先行，部分已成功交付，国内钙钛矿太阳能电池生产厂商效率不断突破，融资进展顺利，纷纷布局中试线。未来，我国钙钛矿电池产业化进程将持续加速。