鈣鈦礦光伏靶材行業(yè)市場分析

鈣鈦礦光伏靶材行業(yè)市場分析1、鈣鈦礦強勢崛起，高效率+低成本引領(lǐng)變革1.1、鈣鈦礦：極具潛力的新一代光伏技術(shù)鈣鈦礦最初指化學式為CaTiO3的礦物質(zhì)，及擁有CaTiO3結(jié)構(gòu)的金屬氧化物。鈣鈦礦(Perovskite)，是以俄羅斯礦物學家L.A.Perovski的名字命名的。1839年，L.A.Perovski研究存在于烏拉爾山變質(zhì)巖中的鈦酸鈣(CaTiO3)時，首次提出了鈣鈦礦這一晶體結(jié)構(gòu)。經(jīng)過多年發(fā)展，鈣鈦礦材料定義演變?yōu)榫邆浠瘜W通式ABX3的物質(zhì)。其中，A為一價有機（甲基銨，MA+或甲脒，F(xiàn)A+）或無機（Cs+）陽離子，或兩者的混合物；B為Pb2+或Sn2+，或兩者的混合物；X是鹵化物陰離子（I—、Br—或CI—或它們的混合物）。A位陽離子位于中心，B位陽離子和X位鹵化物陰離子形成八面體，占據(jù)體心立方晶格的角位。晶格中的離子半徑?jīng)Q定鈣鈦礦材料的結(jié)構(gòu)，進而影響鈣鈦礦材料的電子性質(zhì)和穩(wěn)定性，并決定鈣鈦礦光伏電池的性能和壽命。通過調(diào)控A、B和X位離子的配比可以優(yōu)化電池的性能和穩(wěn)定性。鈣鈦礦材料具備連續(xù)可調(diào)的帶隙范圍，并覆蓋最佳帶隙。光伏電池的工作原理是把入射光子的能量轉(zhuǎn)換為電子，產(chǎn)生電壓、電流和功率輸出。而帶隙就是電子從它的主原子的一個軌道帶掙脫到軌道帶之外所需的能量，是為電池的電力輸出所提供的能量。帶隙過大，光子將缺乏發(fā)射電子所需的能量，直接穿過太陽能電池，無法產(chǎn)生大量電流；帶隙過小，光子會釋放電子，但只向每個電子傳遞少量能量，導致電壓過低。材料帶隙與能量轉(zhuǎn)換效率息息相關(guān)。晶體硅的帶隙約為1.1eV，理論效率為29.3%。而鈣鈦礦具有連續(xù)可調(diào)的帶隙范圍，人工設計的鈣鈦礦材料，帶隙可以非常接近于最優(yōu)帶隙（1.4eV），因此單層鈣鈦礦電池的理論效率為33%，雙層鈣鈦礦電池的理論可達到43%以上。鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）指利用鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料作為吸光材料的太陽能電池。根據(jù)電荷傳輸方向的不同，鈣鈦礦太陽能電池可分為n-i-p型（透明導電電極/n型電子傳輸層/鈣鈦礦吸光層/p型空穴傳輸層/頂電極）和p-i-n型（透明導電電極/p型空穴傳輸層/鈣鈦礦吸光層/n型電子傳輸層/頂電極），其中，n-i-p型電池根據(jù)電子傳輸層結(jié)構(gòu)的不同又可分為介孔結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)。平面p-i-n型結(jié)構(gòu)制備工藝簡單、成本低，可用于鈣鈦礦疊層器件的制備，且遲滯現(xiàn)象幾乎可以忽略，受到科研關(guān)注，但其最大的問題是效率不高。鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)的透明導電基底、電子傳輸層、鈣鈦礦活性層、空穴傳輸層和頂電極5部分簡介如下：（1）透明導電基底（TCO玻璃）：傳輸太陽光和載流子，其透光率、表面粗糙度、表面方阻等會直接影響器件性能。常用的剛性基底為透明導電玻璃摻氟氧化錫（FTO）和氧化銦錫（ITO），柔性基底為ITO/PEN。（2）電子傳輸層（ETL）：抽取和傳輸電子及阻擋空穴。n-i-p型器件結(jié)構(gòu)的電子傳輸材料主要是金屬氧化物（如TiO2、ZnO、Al2O3、SnO2等），p-i-n型器件結(jié)構(gòu)的電子傳輸材料主要是富勒烯及其衍生物。（3）鈣鈦礦活性層：鈣鈦礦太陽能電池的核心層，吸收一定波長范圍內(nèi)的太陽光，促進光生載流子的解離與輸運。鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量會對整個器件的性能起到?jīng)Q定性作用。（4）空穴傳輸層（HTL）：傳輸空穴到接觸電極及阻擋電子的反向傳輸、降低復合。n-i-p型鈣鈦礦太陽能電池常用的空穴傳輸材料包括有機小分子，p-i-n型器件中常用的空穴傳輸材料為聚合物及無機金屬氧化物（NiOx）等。（5）頂電極：材料有金屬（Ag、Au等）和非金屬（碳等）。鈣鈦礦電池將光能轉(zhuǎn)化為電能的原理可簡化為“光子進，電子出”。當光子能量高于半導體的能帶間隙時，半導體材料吸收光子并產(chǎn)生電子-空穴對，電子-空穴對被P-I-N結(jié)的內(nèi)建電場分離成自由移動的載流子（電子和空穴）。電子和空穴在電場的作用下分別被電子傳輸層和空穴傳輸層抽取并定向傳輸，電子向陰極移動，空穴向陽極移動，最終被兩端的電極收集并輸送到外部電路。技術(shù)路線方面，鈣鈦礦單結(jié)電池進展較快，已有多家企業(yè)進入中試階段。根據(jù)鈣鈦礦光伏電池的結(jié)構(gòu)，可分為三條主流技術(shù)路線：鈣鈦礦單結(jié)電池、四端和兩端鈣鈦礦/晶硅疊層電池。（1）鈣鈦礦單結(jié)電池：國內(nèi)外已有數(shù)家企業(yè)進入中試階段，目前和晶硅組件的效率依舊相差甚遠。鈣鈦礦組件的造價未來在大范圍量產(chǎn)后，預計將略低于晶硅組件。由于其目前較低的效率，度電成本未來仍可能高于晶硅組件。但鈣鈦礦單結(jié)組件可以切入細分的領(lǐng)域，例如BIPV、柔性組件或者空間應用。（2）四端鈣鈦礦/晶硅疊層電池：疊層太陽能電池技術(shù)旨在突破單結(jié)太陽能電池的Shockley–Queisser極限（例如晶硅的理論極限小于30%），在高效轉(zhuǎn)換光子能量的基礎上將理論極限推至40%以上。四端疊層將晶硅和鈣鈦礦電池分開制備，僅在組件端進行整合。目前產(chǎn)業(yè)界僅有試驗性的嘗試。（3）兩端鈣鈦礦/晶硅疊層電池：和四端疊層電池相比，兩端疊層電池在成本上的優(yōu)勢更明顯，首先可以減少一層透明導電電極的制備，其次良品率由于單片電池面積的減小而大幅上升，同時兩端疊層的理論極限上限相對更高。雖然疊層組件制備成本比晶硅組件略高，但由于其更高的能量轉(zhuǎn)換效率，度電成本會更低。目前產(chǎn)業(yè)界有英國的牛津光伏進入中試階段。目前，鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展也面臨著一些難點。主要分三方面：大面積制備、穩(wěn)定性、環(huán)保。（1）大面積制備問題。轉(zhuǎn)換效率較高的鈣鈦礦電池其尺寸均為實驗室級別，未達到商業(yè)化尺寸。目前較難生產(chǎn)薄且均勻的大面積鈣鈦礦層，一旦電池尺寸增大，光電轉(zhuǎn)換效率隨之下降。（2）穩(wěn)定性問題。潮濕環(huán)境（包括晝夜溫差造成的水蒸氣）、氧氣氧化、光輻照、紫外線等都會對電池穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。目前，鈣鈦礦電池持續(xù)光照實驗最長達10000h，若按全天平均日照時長4h計算，理論壽命只有6.8年?？紤]到實際日照時間多于4h及其他日常損耗，正常壽命將會小于6.8年，與晶硅電池的理論壽命25年比差距較大。（3）環(huán)保問題。目前高性能鈣鈦礦大多以鉛作為原料，并且制備過程中常用的一些溶劑和反溶劑（如氯苯、DMF、DMSO等）具有毒性，會對環(huán)境造成危害，不符合綠色可持續(xù)發(fā)展的長期目標。1.2.1、光電轉(zhuǎn)換效率：相對晶硅光伏，具備更高天花板鈣鈦礦光伏是第三代光伏技術(shù)的代表之一。光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今，其技術(shù)路線可分為三代。第一代是以單晶硅、多晶硅為代表的晶硅光伏。第二代是以非晶硅、碲化鎘（CdTe）、銅銦鎵硒（CIGS）和砷化鎵（GaAs）為代表的薄膜光伏。而第三代則是以染料敏化太陽能電池（DSSCs）、有機光伏（OPV）、量子點太陽能電池（QDSCs）和鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）等為代表的新興光伏技術(shù)。這些新興技術(shù)尚未大批量進入市場，但因低成本、低能耗、質(zhì)輕和制造靈活等優(yōu)點廣受關(guān)注。鈣鈦礦光伏電池的實驗室光電轉(zhuǎn)換效率在10年間快速追趕晶硅光伏電池。目前光伏電池技術(shù)中應用最為廣泛的是第一代晶硅電池。而鈣鈦礦光伏電池則憑借優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換效率，在第三代太陽能電池中脫穎而出。鈣鈦礦光伏電池的實驗室光電轉(zhuǎn)換效率從2009年的3.8%提高至2021年的25.7%，而這一進程晶硅光伏電池花費了四五十年。鈣鈦礦電池的理論轉(zhuǎn)換效率天花板相對晶硅電池較高，未來提升潛力大。目前，主流光伏晶硅電池的光電轉(zhuǎn)換效率已接近天花板，晶硅組件的實驗室最高轉(zhuǎn)換效率為26.7%，量產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率約為23-25%，理論轉(zhuǎn)換效率上限為29.3%；而鈣鈦礦單結(jié)電池的實驗室光電轉(zhuǎn)化效率為25.7%，理論轉(zhuǎn)換效率可以達到33%，鈣鈦礦疊層電池的理論轉(zhuǎn)換效率更達到45%，具有較高的天花板。預計未來伴隨鈣鈦礦技術(shù)的逐步成熟，鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)換效率具備較高的提升空間。1.2.2、成本端：產(chǎn)業(yè)鏈顯著縮短，規(guī)?；当拘@著鈣鈦礦光伏產(chǎn)業(yè)鏈較晶硅光伏顯著縮短，原材料到組件僅需45分鐘。據(jù)協(xié)鑫納米，100兆瓦的鈣鈦礦單一工廠，從玻璃、膠膜、靶材、化工原料進入，到組件成型，總共只需45分鐘。而對于晶硅來說，硅料、硅片、電池、組件需要四個以上不同工廠生產(chǎn)加工，一片組件完工大概需要三天以上的時間，用時差異大。從原材料視角，鈣鈦礦原材料豐富、材料用量少、純度要求低。相比于晶硅問世至今材料未發(fā)生變化，鈣鈦礦的材料可以不斷迭代。鈣鈦礦是直接帶隙材料，吸光能力遠高于晶硅，晶硅組件中硅片厚度通常為180微米，而鈣鈦礦組件中鈣鈦礦層厚度大概是0.3微米，存在三個數(shù)量級的差異，因此，相比于全球每年大概50萬噸的硅料產(chǎn)量，鈣鈦礦僅需大概1000噸即可滿足需求。純度要求方面，相比于硅料99.9999%的純度要求，鈣鈦礦僅需95%即可滿足使用要求。鈣鈦礦在產(chǎn)能投資、單瓦能耗等方面均具有優(yōu)勢。產(chǎn)能投資方面，晶硅光伏的硅料、硅片、設備、組件加起來，約在10億元/GW，而鈣鈦礦光伏的產(chǎn)能投資，在達到一定成熟度后，約為5億元/GW，是晶硅光伏的1/2。單瓦能耗方面，晶硅光伏的最高工藝溫度在1500度以上，而鈣鈦礦光伏的最高工藝溫度在150度左右，因此，鈣鈦礦組件的制造能耗顯著低于晶硅組件制造能耗，單晶硅光伏組件的能耗約是1.52KWh/W，而鈣鈦礦組件能耗僅為0.12KWh/W，約為晶硅組件制造能耗的1/10。鈣鈦礦電池產(chǎn)線建設具備規(guī)?；当緝?yōu)勢。鈣鈦礦不同規(guī)模產(chǎn)能的成本差異較大，隨著產(chǎn)線產(chǎn)能的提高，平均建設成本將顯著降低。以纖納光電為例，其目前運行的20MW產(chǎn)線投資額為5050萬元，新建的100MW產(chǎn)線投資額為1.21億元，產(chǎn)能提升至原先5倍，投資額僅提升至原投資額的2.4倍，產(chǎn)線建設總成本具備顯著的規(guī)?；当拘?.3、政策推動產(chǎn)業(yè)化，多家公司陸續(xù)布局鈣鈦礦產(chǎn)能國家出臺多項政策推動鈣鈦礦光伏的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化進程。2021年11月，《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》將“研發(fā)大面積、高效率、高穩(wěn)定性、環(huán)境友好型的鈣鈦礦電池，開展晶體硅/鈣鈦礦、鈣鈦礦/鈣鈦礦等高效疊層電池制備及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)研究”列入重點任務之一。2022年6月，《科技支撐碳達峰碳中和實施方案（2022—2030年）》提出堅持研發(fā)高效穩(wěn)定鈣鈦礦電池等技術(shù)。2023年1月，《關(guān)于推動能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導意見》提出推動鈣鈦礦及疊層電池等先進技術(shù)的研發(fā)應用，提升規(guī)?；慨a(chǎn)能力。多家企業(yè)發(fā)力布局鈣鈦礦產(chǎn)能建設。目前，鈣鈦礦產(chǎn)能規(guī)劃活躍，參與者多為未上市公司，上市公司中，也有協(xié)鑫科技、奧聯(lián)電子、杭蕭鋼構(gòu)等旗下公司（分別為協(xié)鑫光電、奧聯(lián)光能、合特光電）進行積極布局。目前，協(xié)鑫光電已建成全球首條100MW量產(chǎn)線，組件尺寸1m×2m。當前產(chǎn)線處于工藝開發(fā)和設備改造階段，下線組件效率已實現(xiàn)穩(wěn)步提升，預計2023年底實現(xiàn)18%以上的轉(zhuǎn)化效率，有望成為全球首條跑通量產(chǎn)的100MW產(chǎn)線；纖納光電多次蟬聯(lián)鈣鈦礦小組件世界效率紀錄榜首；極電光能150MW試驗線已開始投產(chǎn)，是目前全球已投產(chǎn)且產(chǎn)能最大的鈣鈦礦光伏生產(chǎn)線。據(jù)我們不完全統(tǒng)計，截至2023年2月，現(xiàn)有企業(yè)規(guī)劃的鈣鈦礦總產(chǎn)能已達28GW，2023年鈣鈦礦產(chǎn)能有望落地880MW，2024年有望落地超3GW。2、靶材：鈣鈦礦靶材占比提升，國產(chǎn)化價值凸顯2.1、靶材：泛半導體領(lǐng)域制備功能薄膜的核心原材料靶材是半導體、顯示面板、光伏等領(lǐng)域制備功能薄膜的核心原材料，具備十分重要的作用。靶材，又稱“濺射靶材”，是在濺射過程中被高速金屬等離子體流轟擊的目標材料，純度為99.95%以上，更換不同靶材可得到不同的膜系，從而實現(xiàn)導電或阻擋等功能。濺射工藝原理介紹：一般來說，濺射靶材主要由靶坯、背板等部分構(gòu)成，其中，靶坯是高速離子束流轟擊的目標材料，屬于濺射靶材的核心部分，在濺射鍍膜過程中，靶坯被離子撞擊后，其表面原子被濺射飛散出來并沉積于基板上制成電子薄膜；由于高純度金屬強度較低，而濺射靶材需要安裝在專用的機臺內(nèi)完成濺射過程，機臺內(nèi)部為高電壓、高真空環(huán)境，因此，超高純金屬的濺射靶坯需要與背板通過不同的焊接工藝進行接合，背板起到主要起到固定濺射靶材的作用，且需要具備良好的導電、導熱性能。面板及光伏領(lǐng)域的靶材，對比半導體有不同的高標準。半導體芯片對濺射靶材的金屬材料純度、內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)等方面都設定了極其苛刻的標準，需要掌握生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)并經(jīng)過長期實踐才能制成符合工藝要求的產(chǎn)品。而對比半導體芯片，面板及光伏領(lǐng)域?qū)τ跒R射靶材的純度和技術(shù)要求略低一籌，但隨著靶材尺寸的增大，面板及光伏對濺射靶材的焊接結(jié)合率、平整度等指標提出了更高的要求。2.2、鈣鈦礦電池中靶材成本占比顯著提升，價值凸顯鈣鈦礦光伏成本中靶材成本占比顯著提升，協(xié)鑫光電100MW項目中靶材成本占比高達37.2%。在新一代晶硅光伏技術(shù)中，HJT技術(shù)路線因?qū)щ娦詥栴}，新引入了透明導電薄膜（TCO），TCO膜的制備通常使用ITO（氧化銦錫），需要使用稀有金屬銦，而銦是伴生礦，產(chǎn)量彈性小、價格高，因此HJT技術(shù)路線在晶硅光伏中靶材成本占比相對較高。據(jù)統(tǒng)計，2018年，HJT電池成本構(gòu)成中，靶材成本占比約為4%。然而，相較晶硅技術(shù)路線，鈣鈦礦技術(shù)路線因無硅料成本，且生產(chǎn)溫度低、能耗成本下降等因素，靶材成本占比進一步大幅提升。根據(jù)協(xié)鑫納米公布的其100MV鈣鈦礦組件成本構(gòu)成，總成本約為0.94元/W，其中靶材價值量占比高達37.2%；其次為玻璃及封裝材料，占比31.9%。鈣鈦礦電池制作工序中，ITO導電玻璃、空穴傳輸層、電子傳輸層、金屬背電極的制作均會用到各類靶材。其中，涉及靶材的主要工序及材料情況如下：1）TCO玻璃：透明導電氧化物鍍膜（TransparentConductiveOxide，TCO）玻璃，是在平板玻璃表面通過物理或者是化學鍍膜的方法均勻鍍上一層透明導電氧化物薄膜，主要包括銦（In）、錫（Sn）、鋅（Zn）和鎘（Cd）氧化物及其復合多元氧化物薄膜。按膜層成分來分，TCO玻璃可分為ITO-TCO玻璃、摻雜氟的二氧化錫（FTO-TCO）玻璃、摻鋁氧化鋅透明導電膜（AZO-TCO）玻璃。2）空穴傳輸層（HTL）：常用的制備工藝為濺射PVD、蒸鍍PVD或刮涂法。氧化鎳材料常選用PVD法，PTAA等有機物常使用刮涂制備或噴霧熱解法制備?？昭▊鬏攲颖挥糜谠鰪娾}鈦礦層的空穴傳輸效率，并充當水分和金屬離子屏障以緩解鈣鈦礦材料的降解。常用的空穴傳輸材料主要為有機小分子、有機導電高分子共軛聚合物和無機半導體三類，其中無機半導體中的氧化鎳由于價格低廉而被產(chǎn)業(yè)端廣泛應用。3）電子傳輸層（ETL）：若選擇有機材料會使用蒸鍍工藝，若選擇金屬氧化物作為電子傳輸層則常選用氣相沉積。電子傳輸材料與鈣鈦礦光敏層的電子選擇性接觸對提高光電轉(zhuǎn)化效率具有重要作用。常用的電子傳輸層材料包括無機氧化物（TiO2、ZnO、SnO2）和富勒烯及其衍生物，其中無機材料常被用于正式電池結(jié)構(gòu)，有機材料常被用于反式電池結(jié)構(gòu)。目前，產(chǎn)業(yè)端多使用SnO2及富勒烯作為電子傳輸層材料。2.3、全球靶材處于外資壟斷，國產(chǎn)化成果初顯靶材產(chǎn)業(yè)鏈主要包括金屬提純、靶材制造、濺射鍍膜和終端應用四大環(huán)節(jié)。其中，靶材制造和濺射鍍膜環(huán)節(jié)是整個濺射靶材產(chǎn)業(yè)鏈中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。靶材制造工藝主要包括熔煉鑄造法和粉末燒結(jié)法。其中，常用的熔煉方法有真空感應熔煉、真空電弧熔煉和真空電子轟擊熔煉等；常用的粉末冶金工藝包括熱壓、真空熱壓和熱等靜壓（HIP）等。兩種工藝都有著各自的優(yōu)缺點。全球靶材市場處于外資寡頭壟斷的格局。由于濺射鍍膜工藝起源于國外，所需要的濺射靶材產(chǎn)品性能要求高、專業(yè)應用性強，因此，長期以來全球濺射靶材研制和生產(chǎn)主要集中在美國、日本少數(shù)幾家公司，產(chǎn)業(yè)集中度高，以霍尼韋爾（美國）、日礦金屬（日本）、東曹（日本）等為代表。這些企業(yè)，經(jīng)過幾十年的技術(shù)積淀，憑借其雄厚的技術(shù)力量、精細的生產(chǎn)控制和過硬的產(chǎn)品質(zhì)量居于全球濺射靶材市場的主導地位，占據(jù)絕大部分銷售市場份額。突破技術(shù)壟斷，我國靶材產(chǎn)業(yè)國產(chǎn)化取得巨大進展。近年來，受益于國家從戰(zhàn)略高度持續(xù)地支持電子材料行業(yè)的發(fā)展及應用推廣，我國國內(nèi)開始出現(xiàn)專業(yè)從事濺射靶材研發(fā)和生產(chǎn)的企業(yè)。通過將濺射靶材研發(fā)成果產(chǎn)業(yè)化，積極參與濺射靶材的國際化市場競爭，我國濺射靶材生產(chǎn)企業(yè)在技術(shù)和市場方面都取得了長足的進步，目前已經(jīng)改變了濺射靶材長期依賴進口的不利局面。其中，國產(chǎn)高純金屬鉬靶材、ITO靶材已實現(xiàn)技術(shù)突破，依靠國內(nèi)原材料高純鉬粉、高純銦等既有資源優(yōu)勢，已經(jīng)具備相對有競爭力的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢。3、投資分析3.1、隆華科技：靶材國產(chǎn)化先行者成功轉(zhuǎn)型為新材料平臺型公司。隆華科技的傳統(tǒng)業(yè)務以節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)為主，2015年起正式啟動轉(zhuǎn)型升級，全力布局新材料產(chǎn)業(yè)。目前公司在新材料領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)布局基本完善，已經(jīng)形成了“電子新材料”+“高分子復合材料”的兩大產(chǎn)業(yè)板塊。全資子公司豐聯(lián)科光電率先打破高端靶材海外壟斷，光伏靶材通過隆基等客戶認證。2022年6月，公司全資子公司四豐電子與晶聯(lián)光電進行了資產(chǎn)整合，設立“豐聯(lián)科光電（洛陽）股份有限公司”。豐聯(lián)科光電擁有豐富的靶材產(chǎn)品系列組合，研發(fā)生產(chǎn)的高純鉬及鉬合金靶材、ITO靶材、銀合金靶材等科技產(chǎn)品，填補了中國在相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)空白，率先打破長期以來高端靶材依賴進口的局面。顯示面板領(lǐng)域，公司成功進入京東方、TCL華星、天馬微電子、韓國LGD、臺灣群創(chuàng)光電及友達光電等多家國際一流半導體