国泰君安证券:钙钛矿辅材前景可观重视TCO玻璃和POE胶膜的成长机会

在钙钛矿电池产业逐步商业化落地的过程中,稳定性、光电转换效率和降本所需的大面积追求是能否实现经济性、同晶硅电池同台竞技所必须考虑的三大因素。由于钙钛矿材料较晶硅更不稳定,对于材料本体的深刻理解和快速迭代,成为钙钛矿产业能否真正起量的重要条件。严密封装能够显著提升钙钛矿电池稳定性,可以参考OLED封装对钙钛矿器件加以保护。另一方面,对材料和界面的调控是解决钙钛矿稳定性的根本。

钙钛矿辅材前景可观,重视TCO玻璃和POE胶膜的成长机会。钙钛矿电池产业链尚未成形,多层结构的材料选择多样。钙钛矿组件BOM成本中,玻璃和辅材占比高达60%,且确定性最强。随着钙钛矿组件效率及寿命提升、规模化降本提速,以TCO玻璃及POE胶膜为首的材料龙头有望通过规模化护城河迅速实现盈利增厚。TCO玻璃产业核心壁垒在产能指标控制、工艺良品率,且高度依赖规模化上量,POE行业壁垒则在原材料、催化剂及工艺部分的国外技术垄断。

核心功能层材料小而美,合成及纯化是核心。钙钛矿电池核心功能层所用材料尚未统一,包含电子/空穴传输层材料、钙钛矿材料及所用添加剂、溶剂、钝化层材料等。相较而言,当前钙钛矿传输层材料成本占比最高,类似OLED面板行业传输层所需材料,合成及纯化是核心,OLED面板材料厂商具备研发及制备经验,钙钛矿行业崛起有望打造二次成长曲线。

钙钛矿产业链初具雏形,快速迭代助力产业发展。当前,制造出大面积、高效率、长稳定、高良品率的钙钛矿电池组件仍然是行业首要追求。钙钛矿电池头部企业处于百兆瓦级中试阶段,协鑫光电、纤纳光电和极电光能走在产业化前列,传统晶硅电池龙头企业纷纷布局叠层电池,锂电龙头宁德时代入局钙钛矿产业。目前头部企业产线仍处于调试探索阶段,提效稳定是破局关键。

风险提示:钙钛矿电池技术提升不及预期、产业推进不及预期、下游应用需求不及预期。

钙钛矿产业发展建立在对材料深刻理解上,以解决稳定性、效率、大面积三大核心。在钙钛矿真正实现产业落地时,稳定性、效率和降本要求的大面积成为必须考虑的因素,而三者相辅相成,又互相掣肘。这需要对钙钛矿电池的本征特性有较为深刻的理解。钙钛矿太阳电池的效率损失以及稳定性问题和电池内载流子的非辐射复合有很大关系,就钙钛矿电池的多层结构而言,非辐射复合主要包括体复合和界面复合,这主要是由深能级缺陷、不合理的能级排列等因素引起的。钙钛矿薄膜作为多晶薄膜,本身又具备软离子晶体的特征,虽然对杂质缺陷等有较好容忍度,但在制备过程中的快速结晶不可避免在薄膜内部和界面产生大量缺陷,成为非辐射复合的重要来源。在相同工艺条件下,对大面积的追求下,势必会造成某些缺陷,拉低转换效率和稳定性。而对于缺陷的填补,又可能同时提升稳定性和光电转换效率。因此,对于材料本体的深刻理解、钙钛矿体系的快速迭代,成为钙钛矿产业真正实现商业化落地必不可少的重要条件。

钙钛矿较晶硅电池更不稳定。钙钛矿电池能否真正产业化取决于其稳定性,主要包括材料本征稳定性和组件稳定性。钙钛矿层作为离子晶体,同晶硅电池的分子晶体不同,粒子间离子键强较弱,且对离子大小有着严格的要求,非常小的晶格膨胀或畸变都会使材料对称性和结构稳定性大幅降低。因此钙钛矿对热、水、氧气、光照较为敏感,例如,CH3NH3PbI3在100℃下加热20min后,会分解成PbI2、CH3CH2和HI,CH3CH2和HI挥发后剩余PbI2固体。而太阳能电池实际运用时要求85℃的热稳定性,钙钛矿材料热稳定性是对其产业化发展的关键挑战。此外,电荷传输层(电子/空穴传输层)也对光照、水汽等较为敏感。

图4:(a)钙钛矿材料在水汽氛围下的分解循环图;(b)钙钛矿材料在不同湿度下的XRD图;(c)FAPbI3在水汽下分解各阶段

封装路径参考OLED,严密封装是解决钙钛矿器件稳定先决条件。由于钙钛矿材料对湿度、光照等条件的敏感性,钙钛矿器件对封装的要求比晶硅器件更为严格。例如,晶硅电池对水汽和氧透过率要求仅在10-1g/(m2·d)和10-1cm3/(m2·d),而钙钛矿则需要接近10-6g/(m2·d)和10-5cm3/(m2·d),接近柔性OLED显示的封装要求。因此,可以参考OLED行业封装对钙钛矿行业封装进行改进。当前OLED行业主要有三种封装方式:1)Frit刚性封装:即以玻璃胶作为封装材料,通过激光焊接的方法瞬间封接基板和玻璃盖板,防止空气渗入,例如三星手机主要采用该方法,但该方法难以用于钙钛矿领域;2)Getter &; Dispenser封装,在盖着的玻璃下端有一层吸水层,四周为密封胶,将密封胶固化以完成封装。即使水透过密封胶,也能被封装结构内的getter吸收,该方法被部分钙钛矿企业应用;3)TFE(Thin Film Encapsulation)封装,该方法被认为是现实技术发展的重要方向,特别是应用于柔性、对水汽非常敏感的AMOLED中。TFE为有机无机交叉多层阻水结构,例如通过PVD、CVD、ALD等方法沉积阻水无机层、通过印刷或蒸镀制备有机缓冲层等,再用玻璃进行封装。该方法目前已经被用在多数钙钛矿企业中,并获得较好封装效果。

1.2材料及界面是解决钙钛矿稳定性的关键,底层理解及快速迭代助力产业推进

对核心功能层材料的理解及工艺迭代助力效率及稳定性的突破。钙钛矿材料的稳定性和效率来自于多层材料结构本身,对其结晶过程及界面调控是解决关键。例如,平整致密、晶粒尺寸大的钙钛矿薄膜是实现高效太阳电池的基础,需要通过添加剂工程、退火工程等对结晶加以调控。也可以对ABX3更换或部分引入不同大小的离子,实现对容忍因子的调节,进而获得更具稳定晶体结构的钙钛矿材料。另一方面,降低钙钛矿材料和界面缺陷态暴露也是提高材料稳定性的核心,钙钛矿电池界面处的缺陷态浓度比薄膜体缺陷浓度高1-2个数量级。因此,例如通过界面钝化等方式减少缺陷抑制非辐射复合、形成稳定界面缓解钙钛矿降解,对提升器件稳定性至关重要。无论哪种方法,都需要对材料结构及光电转换传输机理进行深入的理解,涉及到配方的调控、工艺的调控,需要通过在实验室及产线的快速迭代加以解决。

钙钛矿产业链亟待成形,钙钛矿辅材有望快速增长。钙钛矿电池产业链仍处于萌芽阶段,材料可按照钙钛矿电池基本结构拆分成六大类,包括TCO玻璃、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层、金属电极与封装材料。当前TCO玻璃主流材料采用FTO玻璃,空穴传输层以NiOx为主,钙钛矿材料则多选用FAPbI3,电子传输层主要为富勒烯及衍生物或金属氧化物(反式/正式不同),金属电极一般用金、银、铂,也可以直接通过溅射方式镀一层ITO导电,封装材料则多选用POE、丁基胶等。晶硅光伏组件BOM成本拆分中,晶硅电池片成本占据64%的高位,而钙钛矿电池组件BOM成本中,玻璃和辅材则占据60%以上份额。我们预计,随着钙钛矿组件效率及寿命的提升、规模化降本提速,玻璃和辅材在总成本中占比进一步提升,规模化放量可能将大幅增厚其盈利水平。

导电玻璃层工艺沿袭薄膜电池行。

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