钙钛矿电池制备：镀膜、涂布、激光、封装四大核心设备
财信证券 思瀚 袁玮志 贺剑虹    2024-05-21

1、生产流程简单，所需设备仅有四类

镀膜、涂布、激光、封装设备可覆盖钙钛矿全环节。根据协鑫光电 100MW 产线，生产钙钛矿的具体流程分别为：输入 FTO 玻璃并用 PVD 设备镀阳极缓冲层→激光 P1 划线→钙钛矿涂布结晶→PVD 第二道设备镀阴极缓冲层→激光 P2 划线→PVD 再镀背电极→激光 P3 划线→进行激光 P4 刻画→封装。从制备流程上看，仅需镀膜、涂布、激光、封装设备四类设备即可覆盖钙钛矿所有环节。

2、电极层制备：PVD，CVD 技术

TCO 镀膜玻璃一般作为钙钛矿电池的顶电极。TCO 镀膜导电玻璃主要应用于第二带光伏电池碲化镉薄膜电池及第三代光伏电池钙钛矿电池，由于非晶硅薄膜太阳能电池的半导体层几乎没有横向导电性能，必须使用TCO玻璃作为前电级来有效地收集电池电流，所以 TCO 是钙钛矿电池不可或缺的组成部分。钙钛矿单结电池基于透明玻璃板制作，底层需要用能透光的透明电极，因此可以直接使用透明导电氧化物（TCO）镀膜玻璃作为基板，即表面镀有 TCO 膜层的玻璃板。

TCO 玻璃是指在平板玻璃表面通过物理或化学镀膜方法均匀的镀上一层透明的导电氧化物薄膜的玻璃深加工品，实现对可见光的高透过率和高的导电率，其产业已经非常成熟，在国内外均有供应商。其主要材料一般采用氧化铟锡导电玻璃（ITO）或者氟掺杂的氧化锡导电玻璃（FTO）。

TCO 玻璃具体的导电材料不同，制作方法也有差异：

1）ITO，为掺锡氧化铟薄膜（In2O3:Sn），产品技术成熟，透光性、导电性良好，缺点在于需要稀有金属铟，采用 PVD 方式制作。

2）FTO，为掺氟的二氧化锡薄膜（SnO2：F），导电性稍差，但胜在材料价格低，多用于薄膜电池，可以采用 PVD 制作，但目前产业化主要采用 CVD 的方法。

3）AZO，为掺铝氧化锌（ZnO：Al）,具备良好的透光性及导电性，且价格便宜，但当下量产难度较大，工艺流程尚存在一些问题，因此并未成为主流工艺，主要采用 PVD方法制作。

我国 TCO 玻璃处于起步阶段，一般选用 FTO 作为膜层材料，因此一般使用 CVD方式制备。在线化学气相沉积法（CVD）镀膜一般是在浮法产线锡槽冷端或退火窑前端安装镀膜设备，以连续生产的高温（400~700℃）、洁净、快速拉引的玻璃带为载体，通过原料气体（前驱体）在高温玻璃表面发生化学反应合成镀膜膜层，再经过退火冷却形成质地坚硬的膜层。CVD 工作原理是以热能、等离子体放电等形式的能量使气态前驱体（TCO）在固体（玻璃）表面发生化学反应并沉积在固体表面形成薄膜。

3、传输层制备：PVD 与 RPD 结合

空穴传输层的产业化制作，PVD较好。由于产业化制作钙钛矿电池的稳定性要求高，采用 p-i-n 的反式结构是当下的常规选择，而空穴传输层采用稳定性较高的无机材料相对适合，如氧化镍 NiO 等，因此 PVD 较适合。以 NiOx 为代表的无机 P 型半导体是理想的空穴传输材料，使用溶液法涂覆 NiOx 薄膜时需高温退火，膜质量对合成条件较为敏感，因而不利于大批量的生产。

而 PVD 磁控溅射可在空气环境中沉积 NiOx，氧气氛围中溅射的 Ni 原子与氧反应，在基底上形成 NiOx 薄膜，溅射的 NiOx 膜通常具有良好的结晶取向，因此可使用成本低廉，技术成熟的 PVD 工艺沉积无机空穴传输层。

电子传输层的产业化制作，RPD 较好。由于目前产业化的钙钛矿电池以 p-i-n 的反式结构为主，反式结构中电子传输层是在钙钛矿层上进行制作，因此需要防止镀膜环节时可能产生的对钙钛矿层的损伤。RPD 设备精度高，成膜质量好，能够有效防止对衬底的损伤。也有技术是先用 RPD 或 ALD 制备一个很薄的阻隔层，再用溅射 PVD 做传输层。有探索使用溶液涂布法的方式，但目前产业化条件尚不具备。

然而涂布法在制备空穴传输层方面需要高温退火，成膜质量难以控制，在电子传输层则无法控制对钙钛矿层的损伤，有使用带有 C60 的复合材料成功的案例，但不具备普遍性。更重要的是，采用现有的大面积薄膜制备技术（例如狭缝涂布法、喷涂法和喷墨打印法），基于溶液法制备纳米级厚度的薄膜，容易出现大量由气泡、难溶颗粒或表面不浸润区等引起的针孔等微孔洞型物理缺陷，无法在大面积范围内实现均匀的覆盖。因此在传输层制备环节使用涂布法虽然能实现理论上的降本，但实际上还有很长的路要走。

4、钙钛矿层制备：湿法经济性显著，干法成膜效果好

钙钛矿吸光层的制备是钙钛矿电池的核心环节。钙钛矿层镀膜阶段，需要精准控制钙钛矿层的厚度和平整度，成膜和结晶的物理和化学一致性好坏决定了面板的发电效能。目前主要包含干法和湿法两种类型的工艺，各有优势，由于处于产业化前期，因此制备路线并不统一。

钙钛矿层湿法工艺包括刮刀涂布法、狭缝涂布法、喷墨打印法和喷涂法，目前狭缝涂布最优。刮刀涂布法是一种利用刮刀与基底的相对运动，通过刮板将前驱体溶液分散到预制备基底上的一种液相制膜方法。这种方法以刮刀拖动溶液在衬底上快速移动成膜，所制备的膜层厚度由溶液浓度、刮板与基底缝隙宽度和刮涂的速度决定。

狭缝涂布法是将糊状聚合物、熔融态聚合物或聚合物熔液涂布于纸、布、塑料薄膜等上，在一定压力下，将溶液沿着模具缝隙压出并转移到基材上的涂布技术，狭缝涂布通过控制系统狭缝宽度、移动速度和输液速度的调整，对薄膜质量进行更精细化的调控。喷墨打印法和喷涂法是通过在喷头内部施加压力的方法将钙钛矿前驱体溶液从喷头内挤出并在基底上成膜的技术，喷涂法常用的喷头有高压气喷头和超声喷头等，而喷墨打印法是利用喷头压电材料形变将溶液挤出。

相对其他三种方法，狭缝涂布更有利于控制钙钛矿层大面积制备的均匀性，是目前主流的钙钛矿量产涂布工艺。溶液涂布法原料利用率高，速度快，成本低，设备兼容度高，从产业化角度来看是目前较为理想的选择。狭缝涂布的材料利用率可以达到 90%以上。在使用狭缝涂布法大面积制备钙钛矿薄膜的过程中，涂布厚度和均匀性要求极高，需要设备和工艺的完美结合，十分考验设备厂商的技术能力，优秀厂商容易形成较高的技术壁垒。

钙钛矿层干法工艺主要以蒸发镀膜为主，难度较大，但成膜效果优秀。真空蒸镀为钙钛矿层制作主要干法工艺。蒸镀法为在真空腔室内，通过电阻加热、电子轰击等方法使钙钛矿层材料靶材受热蒸发，材料气体逸散到基片的表面沉积形成薄膜。

相比于湿法工艺，气相沉积法可以通过控制蒸发源精确调控钙钛矿中各组分的化学计量比，从而保证薄膜的均匀性。但是干法工艺对真空环境要求极高，需要较长的抽真空时间，且材料利用率低（不足 25%）。蒸镀法目前主要受限于高成本，推进速度较慢，不过由于不使用分子泵等高真空设备，成本依旧低于常见的物理气相沉积法，如磁控溅射等。

蒸发镀膜可分单源/双源/多源等方式，多源蒸镀有望成为新发展方向。单源真空蒸镀制备工艺相对简便，产业化难度较低，但由于蒸发速率较快容易导致薄膜的晶体质量不高，过快的膜料蒸发速率对于精确调控膜层的厚度及实现高结晶度的钙钛矿晶体带来诸多困难。

双源和多源真空蒸镀工艺具有相似之处，通过优化真空装备系统及改进蒸镀工艺，已经基本克服了无机前驱体残留和碘甲胺蒸汽分子沉积速率难以控制的问题。多源真空蒸镀还能够实现多元素及多组分掺杂，从而提升钙钛矿薄膜的光伏性能，在今后的真空蒸镀大面积钙钛矿活性层薄膜领域极具潜力。

5、激光环节：P0-P4 共 5 个小环节，对设备精度要求高

钙钛矿电池制备中的激光工艺主要分为激光划线和激光清边工艺，共 4 次激光加工。P0 环节是激光打标，从 P1 开始是 3 次平行激光划线（P1-P3），使材料气化并形成槽线，将整面膜层分割成一个个相互串联的宽约 4-12mm 的子电池，从而形成阻断电流导通的单独模块，以实现增大电压和串联电池的效果。P4 则是激光清边环节，目的是对电池片边缘进行清理，将靠玻璃边缘约 10mm 宽度的膜层清除，形成绝缘区域，作为后段封装区域。

死区是激光划线后的产物，激光划线的核心技术指标是将死区做到最小。激光划线工艺将钙钛矿模组分割成多个相互串联的子电池。每个子电池中都存在 P1、P2、P3 线，P1 线最外侧到 P3 线最外侧的区域是不能发电的，俗称死区。

剩下的区域是有效发电区。死区宽度越大，电池中发电无效区占比越大，子电池的效率也就越低，因此，钙钛矿光伏电池激光划线工序，其中一个核心技术指标就是将死区做到最小。除产品本身设计线宽对死区宽度有影响外，线与线的间距需尽量做小，但是 P1/P2/P3 线之间，不可相交或并线，因此激光设备加工系统的控制精度越高，死区越小，对钙钛矿电池的效率影响越小。

6、钙钛矿设备空间测算

当前钙钛矿设备投资较高，GW 级产线建成后有望实现明显降本。由于目前钙钛矿设备仍处于探索期，以定制化需求、试验性需求为主，设备产能也较小，目前 100MW 线设备投资额 1 亿元左右，换算至 GW 产线相当于投资额 10 亿。

根据协鑫光电产线设计，其 100MW 大面积钙钛矿光伏组件生产线主要包括 2 台涂布机，3 台镀膜设备（2 台 PVD设备和 1 台 RPD）以及 4 台激光机，预计每台涂布机、PVD 设备、RPD 设备、激光设备的价格分别为 1500、1000、2000、400 万元，另有封装设备 1 台，价值量 1200 万元，因此 目 前 每 100MW 的 总 设 备 金 额 为 0.98 亿 元 ， 价 值 量 占 比 分 别 为20.4%/30.6%/20.4%/16.3%/12.2%。我们预计实现 GW 级量产后，由于规模效应和产线优化，设备投资有望实现明显下降。

中性预测下，2026 年钙钛矿设备市场空间有望达到 112 亿元。目前钙钛矿经济性有待提高，我们预计单 GW 设备投资额有望逐步下降。我们认为 2024 年在技术或效率上实现明显超预期的可能性不会很大，因此在乐观、中性、悲观估计下分别新增 2.5GW、2GW、1.5GW 产能，对应 25、20、15 亿元设备市场空间。

我们结合中商情报网的预测数据，预测 2025 年在乐观、中性、悲观估计下分别新增 5GW、4GW、3GW 产能，对应 42.5、34、22.5 亿元设备市场空间；2026 年在乐观、中性、悲观估计下分别新增 22GW、16GW、12GW 产能，对应 154、112、84 亿元设备市场空间。