国泰君安：柔性钙钛矿价值初显，轻质化便携性应用可期

摘要

柔性钙钛矿灵活轻质，实验室效率达到23.6%。柔性钙钛矿不再以透明玻璃作为基底，而采用以PET、PEN、PI等材料为主的柔性基板，因此赋予其轻质、灵活的特点，可应用于多领域并有望采用成熟卷对卷工艺生产。当前柔性钙钛矿实验室转换效率达到23.6%，量产效率略低于刚性钙钛矿器件。随着设备工艺逐渐成熟，量产效率有望迅速提升。

柔性钙钛矿器件拓宽下游应用场景，便捷性轻量化助力系统成本下降。由于柔性钙钛矿质量轻、可挠性，可应用于对轻量化要求较高的领域（老旧屋顶等）、对运输安装人工成本更敏感领域（BAPV等）、及对价格较不敏感的电子消费类领域（电子标签等），有望拓宽钙钛矿光伏应用场景。据测算，至2030年，柔性钙钛矿电池在户用光伏场景下市场规模有望突破180亿元。轻量化特征具备降低系统成本潜力，以美国户用屋顶光伏市场为例，经测算，柔性钙钛矿价格远低于晶硅电池及柔性CIGS电池。

柔性工艺沿袭刚性钙钛矿，封装要求更严格。柔性钙钛矿器件制备工艺与刚性钙钛矿基本一致，对于干法或湿法技术的涂布主要考虑工艺性价比，目前产业端主要以湿法涂布为主。柔性钙钛矿远期可采用卷对卷工艺，进一步提升生产效率，降低生产成本。柔性钙钛矿对激光要求更高，精度控制更加严格。封装工艺可参考OLED封装方式，但制备要求更加简单。具备面板封装材料生产经验厂商或具备材料端先发优势。

柔性钙钛矿迈入产业化，多企业开启100MW产线建设。柔性钙钛矿企业大正微纳目前已经完成MW中试，并开始建设百MW级生产线，标志着柔性钙钛矿进入产业化阶段。目前协鑫光电、纤纳光电、极电光能100MW产线已建成投产，众能光电、无限光能、脉络能源、光晶能源等多厂商已开启100MW产线建设，预计2023年年底建成。

风险提示：柔性钙钛矿电池下游需求不及预期，电池技术提升不及预期，产业链推进不及预期

1、柔性钙钛矿拓宽应用场景，工艺与封装是产业化关键

1.1 柔性钙钛矿实验室光电转化效率达23.6%，灵活轻质特性拓宽光伏应用场景

柔性钙钛矿电池技术拓宽灵活轻质多应用场景。早期的钙钛矿太阳能电池主要以刚性玻璃基底为主，Kumar等人首次于2013年报道了柔性钙钛矿电池，图1：柔性钙钛矿电池效率上升速率显著其光电转换效率为2.62%，从此拉开柔性钙钛矿太阳能电池的序幕。钙钛矿材料吸光能力优异，带隙可调，激子束缚能小，是颇受关注的光伏电池新技术之一。此外，钙钛矿材料也是一种“软晶体”材料，其体积模量与剪切模量的比值超过2.0，使其具备柔性材料的力学特征，能够承受一定程度的压缩、变形和弯曲。当前，实验室柔性太阳能光电转换效率达到23.6%，大面积量产效率略低于刚性钙钛矿电池。柔性钙钛矿电池不再以透明玻璃作为基底，而转用聚合物材料或金属箔作为柔性基板，由于其轻质、灵活等特点，可用于开发柔性自供电电子产品、拓宽分布式光伏应用空间，并可延伸至可穿戴光伏、车用光伏、空间航天应用光伏等领域。此外，柔性钙钛矿电池产业化有望应用成熟卷对卷工艺制备，具备较高降本潜力。

图1：柔性钙钛矿电池效率上升速率显著 

资料来源：CNKI，协鑫光电，大正微纳，国泰君安证券研究

图2：柔性电池实验室效率达到23.6%

资料来源：CNKI，通威股份，隆基绿能，晶科能源，华晟新能源，协鑫光电，大正微纳，国泰君安证券研究

图3：实验室端柔性钙钛矿电池效率略低于刚性钙钛矿电池

资料来源：CNKI《柔性钙钛矿光伏：研究进展、商业化进程和展望》

1.2 柔性特征提升电池制备难度，产业化瓶颈在制备工艺与封装

柔性钙钛矿电池主要区别在于使用柔性聚合物基底。柔性钙钛矿太阳能电池结构与刚性钙钛矿电池基本一致，将底部刚性玻璃基底替换为聚合物基板或金属箔等柔性基材。目前，产业端主要以柔性聚合物衬底为主，其弯曲性好、光学透明度高，化学稳定性较高，而由于大多数聚合物基底难以承受150℃以上高温，钙钛矿电池所有功能层的制备和处理工艺都必须在低温下进行，以保护基底不受到破坏。常用的聚合物衬底主要包括PET、PEN、聚酰亚胺（PI）、聚碳酸酯（PC）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）和热塑性聚氨酯（TPU）。选定基材后，再在表面沉积ITO或IZO等材料以形成高质量TCO功能层。

图4：柔性钙钛矿电池在柔性基底上制备

资料来源：CNKI《柔性钙钛矿太阳能电池的力学稳定性研究进展》

表1：常用的柔性聚合物衬底的性能参数

资料来源：CNKI《柔性钙钛矿光伏：研究进展、商业化进程和展望》

工艺与封装是柔性钙钛矿电池产业化关键。当前，制约柔性钙钛矿太阳能电池效率提升的瓶颈主要集中在制备工艺与封装上。工艺端，由于柔性基底耐热性弱、表面能低且润湿性差等缺点，柔性基底上沉积的钙钛矿薄膜通常表现出较差的晶体质量，制备大晶粒尺寸、低陷阱密度、高覆盖率和高结晶度的高质量钙钛矿薄膜是当前的主要挑战之一。目前解决方案主要聚焦于新型墨水工艺调控、新型退火工艺开发、界面调控工艺等（图5）。封装端，柔性钙钛矿电池需要用高阻隔封装膜来取代刚性组件中的封装玻璃，而当前高阻隔封装膜产业链不成熟、成本较高，对薄膜封装的研究及产业化将具有重要意义（图6）。

图5：采用墨水工艺、退火工艺、界面调控以提高柔性钙钛矿电池效率

资料来源：《Multipass inkjet printed planar methylammonium lead iodide perovskite solar cells》，《Hysteresis-Suppressed High-Effi ciency Flexible Perovskite Solar Cells Using Solid-State Ionic-Liquids for Effective Electron Transport》，《柔性钙钛矿光伏：研究进展、商业化进程和展望》

图6：针对电致发光二极管的几种薄膜封装方式 

资料来源：CNKI《有机和钙钛矿电致发光器件的薄膜封装研究》

2、新场景助力柔性钙钛矿产业化推进，轻量化助力组件及工程降本

2.1 柔性钙钛矿电池经济性有望随规模化放大

叠层电池方案多样，按照底电池可分为钙钛矿-钙钛矿叠层、钙钛矿-晶硅叠层、钙钛矿-薄便捷性、轻量化特征助力降低系统成本。与刚性钙钛矿光伏器件相比，柔性钙钛矿光伏器件辅材及基膜占比更高，主要由于其摒弃玻璃封装，转而用高水汽阻隔膜。而随着该类材料产业链逐渐完善、柔性钙钛矿电池逐渐放量，远期成本有望与刚性钙钛矿光伏器件持平。以美国户用屋顶光伏市场为例，我们对晶硅光伏组件、柔性铜铟镓硒薄膜电池组件及柔性钙钛矿组件进行经济性测算，以100MW产线柔性产品作为测算依据，由于铜铟镓硒薄膜电池与柔性钙钛矿电池均具备轻量化特征，运输、安装、人工等成本大幅缩减，而受材料、设备投资等因素影响，柔性钙钛矿电池组件成本远低于柔性铜铟镓硒电池，在考虑10%利润的水平下，柔性钙钛矿电池组件价格仅需1.98美元/W，与晶硅及柔性CIGS相比经济优势显著。

膜电池（CIGS）叠层。按照连接方式可分为两端和四端叠层。当前，产业化主要方向聚焦于钙钛矿-钙钛矿叠层及钙钛矿-晶硅叠层，也有部分公司率先进行四端钙钛矿-晶硅叠层布局。

图7：柔性组件辅材及基膜占比略高

资料来源：CNKI，国泰君安证券研究

图8：柔性组件随规模化放量降本速度有望加快

注：由于柔性组件通常光电转换效率更低，因此对两组件光电转换效率假设如下：刚性组件：15%（100MW）、18%（1GW）、23%（5-10GW）；柔性组件：12%（100MW）、15%（1GW）、20%（5-10GW）

资料来源：CNKI，国泰君安证券研究

表2：美国户用光伏市场经济性测算

注：1考虑美国市场关税及中间商溢价等，所有组价价格计算均上浮20%；2以100MW产线作为测算基础

资料来源：PV infolink，NREL，国泰君安证券研究

2.2 轻量化、可挠性打开柔性钙钛矿电池应用空间

柔性钙钛矿电池技术拓宽灵活轻质多应用场景。柔性钙钛矿光伏器件的可挠性和产品轻量化使其应用场景更加灵活多样。例如：1）对轻量化要求较高的光伏应用领域，如老旧屋顶、高塔型建筑用光伏等；2）对运输安装人工成本更敏感光伏应用领域，如户用屋顶光伏、户用立面光伏等一系列BAPV场景；3）对价格较不敏感的电子消费类领域：如电子标签、便携式充电装置、可穿戴光伏产品等。当前钙钛矿电池效率和寿命与晶硅光伏产品仍存在一定差距，柔性钙钛矿与刚性光伏电池下游场景形成互补之势，且对性能、成本的要求可能更为宽容，有望助力柔性钙钛矿电池产业化推进。

2030年钙钛矿户用光伏市场规模有望突破180亿元。当前，具备柔性特征的薄膜电池在美国户用市场已体现出吸引力。以薄膜电池龙头First solar为例，受下游火爆市场需求拉动，近年产能迅速拉动，2023年预计产能同比提升33%以上，预计2026年产能将达到21.4GW。新增在手订单数量提升显著，2022年达到48GW，预计远期总订单量将达到78.3GW。对First solar收入进行拆分，2022年美国市场占据87%主要市场。我们预测，利用柔性钙钛矿轻量化优势，钙钛矿电池有望在户用光伏市场率先起量，且在美国等人力安装成本较高地区显现出经济型。我们对全球钙钛矿户用光伏细分领域市场规模进行测算，假设美国/欧洲/日本渗透率在2030年分别达到17%/8%/13%/，柔性钙钛矿电池出货有望达到25GW，以0.7元/W进行测算，2030年钙钛矿户用光伏市场规模有望突破180亿元。

图9：柔性钙钛矿应用场景多样

资料来源：公司官网，国泰君安证券研究

图10：First Solar在手订单数量显著提升 

注：2023年新增在手订单统计截至日为2023Q2。 

资料来源：First solar年报，国泰君安证券研究

图11：First Solar净销售额中美国占比87%

资料来源：First solar年报，国泰君安证券研究

表3：全球钙钛矿户用光伏市场规模测算

资料来源：SEIA，SPE，国家能源局，国泰君安证券研究

3、柔性钙钛矿制备要求更严格，封装材料助力产业落地

3.1 柔性工艺可从刚性切换，激光要求更严格

湿法涂布是当前柔性器件产业化选择，卷对卷工艺为远期目标。柔性钙钛矿器件制备工艺与刚性器件基本一致。目前，多先将柔性基底通过PDMS等黏粘层粘附在玻璃上，使柔性基底和玻璃表面形成保型接触，再在其上制备其他功能层，制备完成后，将钙钛矿器件剥离下来。该方法可以解决超薄轻质薄膜上的加工可行性，又使得兼容大面积和高质量钙钛矿相关各层沉积工艺变得简单易行。在制备过程中，湿法涂布技术与干法涂布技术均可使用，成本及效率为最终考虑关键，目前柔性钙钛矿厂商如大正微纳采用全湿法涂布。中长期看，柔性器件可通过连续卷对卷工艺制备，有望加快生产节奏、实现自动化、集成化、高效化。但在大面积制备时，如何提升功能层致密度、减少功能层材料在不同的应力变化下粘附-剥离等核心问题仍有待解决。

工艺制约在界面调控与基底选择。受传统柔性基底无法耐受150℃以上高温的影响，器件制备需在较低的温度下进行，但这会对钙钛矿材料的成膜过程造成影响。诸如柳木玻璃、聚酰亚胺等材料能够解决柔性器件对于高温的敏感性，然后局限性在于他们的弯折性较弱，可能在卷对卷工艺中效果会大打折扣。此外，由于薄膜器件各功能层间热膨胀系数存在较大差异，受不同工艺段温度要求的不同，可能引起界面间的缺陷和微裂纹，影响器件稳定性及光电转换效率。因此，开发高质量功能层的低温加工工艺或提高衬底耐高温属性十分关键。

图12：柔性组件随规模化放量降本速度有望加快

资料来源：CNKI，国泰君安证券研究

图13：柔性组件随规模化放量降本速度有望加快

资料来源：CNKI，国泰君安证券研究

表4：钙钛矿电池涂布设备企业布局动态一览

资料来源：公司公告，国泰君安证券研究

柔性基底对激光要求更高。钙钛矿电池需要通过激光划线实现串联，受柔性钙钛矿材料、大面积器件影响，钙钛矿对激光刻蚀精度要求更高，1m*2m幅面需要控制切割精度在10um以下。而由于柔性器件基底对于激光更为敏感，易产生脱落裂开，对刻蚀精度及能量频率提出更高的要求，工艺条件区别于刚性的硅半导体、面板等领域，激光设备需要激光企业同钙钛矿企业合作开发。

图14：钙钛矿电池激光划线工序

资料来源：信息技术与标准化《钙钛矿太阳能电池的产业化进程与展望》

表5：钙钛矿电池激光设备企业布局动态一览

资料来源：公司公告，国泰君安证券研究

3.2 封装工艺兼顾成本及性能，参考刚性钙钛矿及柔性OLED

柔性钙钛矿封装追求性价比。柔性钙钛矿电池对封装提出更高要求，POE胶膜+丁基胶封边形式或不再满足稳定性要求。柔性钙钛矿器件一般通过高阻隔膜+POE胶膜的层压工艺制备，在个别更高要求应用领域，则需要参考柔性OLED封装方式。当前，柔性OLED多采用无机层+有机层+无机层多层叠加的TFE封装方式，有机层用INK材料通过喷墨打印进行。考虑到钙钛矿器件对于成本的敏感性及水汽的要求稍低，其可能采用ALD/PECVD+层压的方式封装，且仅需一层无机层+一层有机层即可基本达到水汽阻隔要求。根据专利披露，大正微纳采用柔性PDMA、PDMS、PET等作为封装材料，将有机硅胶均匀地铺设于封装材料和钙钛矿电池之间再进行固化。华能研究院采用两层的方法，通过甲基丙烯酸甲酯‑丙烯酸正丁酯共聚物层和氧化铝层加以密封橡胶对柔性钙钛矿器件进行封装。由于柔性钙钛矿产业链尚未形成，具备面板封装材料生产经验的厂商具备先发优势。目前，奥来德薄膜封装材料已实现稳定供货，打入头部OLED厂商。鼎龙股份OLED柔性封装材料正在进行开发验证及下游推广。此外，万顺新材也具备面板用高阻隔膜生产能力。

图15：钙钛矿电池封装要求更类似于OLED

资料来源：Polymer《Films   Containing Amide Moieties》

图16：（a）柔性钙钛矿封装结构示意图；（b）不同材料水蒸气透过率示意图

资料来源：《柔性钙钛矿光伏：研究进展、商业化进程和展望》

表6：柔性钙钛矿封装方式分为单层和两层封装

资料来源：中国专利局，国泰君安证券研究

表7：柔性OLED封装材料及高阻隔膜企业布局动态一览

资料来源：公司公告，国泰君安证券研究

4、光伏龙头布局晶硅叠层，多路线推动产业发展

柔性钙钛矿迈入产业化，多企业开启100MW产线建设。当前，柔性钙钛矿厂商大正微纳目前已经建设完成MW级柔性钙钛矿产线中试，预计于2023年投资建设百MW级柔性钙钛矿组件生产基地。柔性电池组件具有高柔性、轻重量、便携性等优点，在未来的可穿戴电源和与架构集成领域具备较大潜力。当前，钙钛矿电池产业化节奏较快，包括协鑫光电、纤纳光电、极电光能在内的多家企业百MW级钙钛矿电池产线已建成投产，多厂商开启百MW级产线建设，如众能光电、无限光能、脉络能源、光晶能源等。光伏上市公司多选择晶硅-钙钛矿叠层路线。隆基绿能在商业级绒面CZ硅片上实现了钙钛矿-晶硅叠层电池33.5%的转换效率，通威股份小尺寸钙钛矿-晶硅叠层电池实验室第三方认证效率达到27.19%。目前，叠层电池也向百MW级迈进。

表8：钙钛矿电池企业布局动态一览

资料来源：公司公告，国泰君安证券研究

5、风险提示

柔性钙钛矿电池下游需求不及预期。柔性钙钛矿电池下游应用依赖于户用光伏、电子消费类产品用光伏的兴起。如果下游需求不及预期，柔性钙钛矿产业化推进也将受到影响。

柔性钙钛矿电池技术提升不及预期。当前柔性钙钛矿电池效率只超过10%。如果钙钛矿电池技术提升不及预期，或使下游应用经济性难以体现，从而影响钙钛矿电池规模化上量。

钙钛矿电池产业链推进不及预期。当前钙钛矿电池尚未形成产业链，上游成本较高，部分原料需要定制生产。钙钛矿产业的降本同样依赖于产业链的完善。如果钙钛矿电池产业链推进不及预期，或对钙钛矿经济性提升产生影响。

注：本文来自国泰君安发布的《钙钛矿电池产业链深度报告（五）：柔性钙钛矿价值初显，轻质化便携性应用可期》，报告分析师：肖洁、鲍雁辛

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