钙钛矿电池行业研究：崛起的第三代太阳能电池，产业化进程再提速（上篇）

引言

光伏发电已进入了平价时代，下一步即是向光储平价时代迈进，在这个过程中，行业降本增效的诉求更为强烈。实现降本增效的主要路径即是在制造端不断进行技术迭代，我们认为把握新技术发展为光伏行业主要推荐投资主线之一。目前太阳能电池技术正在从传统P 型PERC电池向TOPCon、HJT、xBC 等 N 型技术过渡。更远期来看，从效率来看，晶硅电池理论极限转换效率为 29.43%，单结/叠层钙钛矿电池理论转换效率将达到 33%/45%，钙钛矿电池具有更大的效率提升潜力；从成本来看，在原材料成本低、能耗低、生产效率高等助力下，大规模量产后的钙钛矿组件生产成本仅为晶硅组件极限成本的 50%。钙钛矿电池的发展有望推动行业进一步降本增效，向光储平价时代迈进。钙钛矿电池产业目前仍处于从0到1的阶段，但产业化进程正在不断提速：今年多家企业百兆瓦产线落地投产，预计 GW 级设备招标有望在年内启动，GW级产线有望在明后年落地。从投资角度来看，我们认为钙钛矿主题有望受到持续关注，相关设备及核心辅材将率先迎来投资机遇。

1.定义及原理：钙钛矿指具有ABX3 型化学组成的化合物，发电原理基于光生伏特效应

钙钛矿诞生于 1839 年，广义钙钛矿指具有ABX3 型化学组成的化合物。1839 年，钙钛矿（Perovskite）被俄罗斯科学家发现并以其名字来命名。1978年，Weber 将甲铵离子引入晶体中，便形成了具有三维结构的有机-无机杂化钙钛矿材料（为钙钛矿太阳能电池的重要原材料）。钙钛矿太阳能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。广义的钙钛矿是指具有 ABX3 型的化学组成的化合物，其中A（A=Pb2+, Na+，Sn2+，Sr2+ , K+, Ca2+, Ba2+等）是大半径的阳离子，B（B=Ti4+, Mn4+, Zr4+，Fe3+, Ta5+等）是小半径的阳离子，X（X=F-, Cl-, Br-, I-, O2-等）为阴离子。

ABX3 有机-无机杂化钙钛矿材料更适用于光伏领域，其具有三维结构。在众多钙钛矿材料类型里，具有高介电常数的BaTiO3 或一些金属氧化物钙钛矿（如 PbTiO3、SrTiO3、BiFeO3 等）吸光能力较差，在收集自由电荷方面效率较低，不适用于光伏领域。相比之下，Weber 首次发现的具有三维结构的有机-无机杂化钙钛矿材料具有合成方法简单、光电性能优异等优势，更适用于光伏领域。从钙钛矿材料具体形态结构来看，典型的ABX3有机-无机钙钛矿材料中，A 位为有机阳离子，如甲铵离子，甲脒离子，占据了正方体的八个定点；B 位为二价金属阳离子，如Pb2+、Sn2+等，处于正方体的体心；X 是卤素离子，如 Br-、I-和 Cl-，占据了面心。目前较为常见的钙钛矿太阳能电池原材料为碘铅甲胺（MAPbI3）。

钙钛矿太阳能电池发电原理基于光生伏特效应，利用电子和空穴对产生电流。钙钛矿太阳能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，其工作基于半导体的光生伏特效应，即在光照条件下钙钛矿材料内部处于发射区、势垒区和基区的价带电子会吸收入射光子的能量而跃迁至导带，从而产生电子-空穴对。具体来看，当钙钛矿层受到光照后，内部激子发生分离产生电子和空穴对，电子通过电子传输层导出，空穴通过空穴传输层导出，当器件外加负载便能够形成完整的回路。

2.发展历程：诞生十余年，单结转换效率从3.8%跃升至 25.7%

钙钛矿太阳能电池诞生十余年，单结转换效率从3.8%跃升至25.7%。从钙钛矿太阳能电池的发展历程来看，2009 年，日本科学家Kojima和Miyasaka 将钙钛矿这种材料应用到染料敏化太阳能电池中，并实现了3.8%的光电转换效率，钙钛矿太阳能电池正式诞生。2012 年，研究小组使用固态 spiro-OMeTAD 作为空穴传输层以替代传统的液体电解质并制备出全固态钙钛矿太阳能电池，转换效率达到 9.7%，同年转换效率首次超过10%，自此实现了钙钛矿电池的固态化。2013-2015 年，得益于两步沉积法、氧化铝取代二氧化钛、采用阳离子交换等途径，钙钛矿太阳能电池转换效率相继突破 15%和 20%。随后 5 年内，转换效率平均每年提升1-1.5pct，2019年实现了 25%的突破。目前，单结钙钛矿电池转换效率记录为25.7%，由韩国 Seok 团队于 2021 年创造。钙钛矿太阳能电池诞生十余年以来，实现了光电转换效率从 3.8%到 25.7%（不考虑叠层）的快速提升，效率爬坡进展亮眼。从理论极限效率来看，单结钙钛矿太阳能电池最高转换效率有望达到 33%，超过晶硅电池 29.4%的极限效率。

钙钛矿叠层电池实验室最高转换效率高达32.5%，理论极限效率为45%。钙钛矿/钙钛矿、钙钛矿/晶硅、钙钛矿/薄膜等叠层电池为当前研发的热点之一，构建叠层电池能大幅提升光电转换效率。具体来看，钙钛矿电池的光谱响应范围在 300~800 纳米，即可见光波段，而晶硅电池、铜铟镓硒（CIGS）等薄膜电池可以吸收利用红外光。因此，将钙钛矿电池和晶硅、CIGS 等电池组成叠层电池，能够充分利用各波段的光照，获得更高的光电转换效率。从最高转换效率来看，全钙钛矿叠层电池最高转换效率达29%，由仁烁光能团队于 2022 年研发；钙钛矿/晶硅叠层电池最高转换效率记录为32.5%，由德国柏林亥姆霍兹中心（HZB）的科学家于2022 年创造；钙钛矿/薄膜叠层最高转换效率为 24.16%，由美国国家可再生能源实验室于2020年研发。从理论极限效率来看，叠层电池的理论转换效率可达45%。

3.分类及结构：第三代新型太阳能电池，反式平面型为较常见结构

钙钛矿太阳能电池属于第三代新型电池，未来发展潜力巨大。太阳能电池可以分为以下三类：1）第一代晶硅电池，包括多晶硅、单晶硅电池，目前技术成熟度和商业化进程均位居各类太阳能电池之首，但该类别电池仍具有难以解决的问题，例如其制备依赖于高纯度的硅料，高纯度硅料价格昂贵，叠加硅基电池制备及封装工艺繁琐；2）第二代化合物薄膜电池，包括铜铟镓硒太阳能电池（CIGS），碲化镉薄膜太阳能电池（GdTe），砷化镓太阳能电池（GaAs），磷化铟太阳能电池（InP）等。该类电池较晶硅电池具有转换效率高和质量轻等优点，但该类电池的的活性层含有部分稀有元素和重金属元素，价格昂贵且难以实现大规模量产；3）第三代新型电池，包括钙钛矿太阳能电池（PSC），染料敏化太阳能电池（DSSC），有机太阳能电池（OSC），量子点太阳能电池等。该类电池具有原料无毒且储量丰富、成本低、工艺简单且可柔性制备等优点，产业化发展潜力巨大，目前发展仍处于中试线阶段。

钙钛矿太阳能电池根据电荷传输方向不同分为n-i-p 型（正式结构）和p-i-n 型（反式结构），根据传输层结构不同分为介孔结构和平面结构。具体来看：1）n-i-p 介孔型，此结构从下到上分别是：透明导电基底，致密的TiO2电子传输层，TiO2 介孔层，钙钛矿层，空穴传输层和金属电极。早期的钙钛矿太阳能电池多采用此结构，但该结构中空穴传输材料会填充在TiO2介孔层和钙钛矿形成的孔洞中，导致有电子传输能力的TiO2 颗粒与空穴传输层材料接触，最终致使开路电压下降，叠加该类电池需要经过高温烧结，耗能严重且不利于产业化，布局该类电池的企业包括万度光能；2）n-i-p 平面型，又名正式平面结构，此结构从下至上分别是：透明导电基底，n 型电子传输层，钙钛矿层，p 型空穴传输层和金属电极。与介孔结构相比，平面型结构具有制备工艺简单、开路电压更高等优势；3）p-i-n 平面型，又名反式平面结构，此结构从下至上分别是：透明导电基底，p 型空穴传输层，钙钛矿层，n 型电子传输层和金属电极。该类结构制备工艺简单、可低温制备、成本低，可用于钙钛矿叠层器件的制备，且迟滞现象几乎可以忽略，但具有效率不高的缺点，布局该类电池的企业包括协鑫光电、极电光能等。目前反式平面结构为钙钛矿电池产业化进程中较为主流的选择。

1.优点：成本低+转换效率高+应用场景广泛

钙钛矿太阳能电池具有成本低的优势，钙钛矿组件成本是晶硅组件极限成本的 50%。钙钛矿太阳能电池具有成本低的显著优势，其低成本主要表现在：1）原材料成本较低，a）钙钛矿层原材料均为基础化工材料，储量较丰富且价格较低；b）原材料用量少，钙钛矿层厚度仅有500nm左右，单晶硅电池硅片平均厚度在 150 微米；c）钙钛矿材料对于提纯要求不高，对比硅基太阳能电池必须使用 99.9999%高纯硅，太阳能级钙钛矿材料纯度要求95%以上即可；2）制备过程可低温进行，能耗较低，钙钛矿电池可以采用溶液法制备，生产工艺流程温度不超过 150℃，而晶硅材料的铸锭和拉晶都需要1500℃以上高温，生产能耗差距较大，每瓦单晶组件制造的能耗约是1.52KWh，而每瓦钙钛矿组件能耗约为 0.12KWh，单瓦能耗只有晶硅的1/10；3）生产效率高，钙钛矿电池从原材料到最后的组件制备，整个生产流程仅需要约 45 分钟，生产效率大幅提升。从钙钛矿组件成本构成来看，钙钛矿占比约为 5%，玻璃、靶材等占到另外的2/3，总成本约为0.5-0.6元/瓦，是晶硅组件极限成本的 50%。

钙钛矿太阳能具有高转换效率和发电量的优势，叠层更具效率发展潜力。钙钛矿太阳能电池理论极限效率高达33%，实验室最高效率为25.7%；叠层极限效率更是高达 45%，实验室最高效率为29%。钙钛矿太阳能电池的高转换效率及发电量主要得益于：1）钙钛矿材料带隙更接近最优带隙，Shockley-Queisser限制下，单结太阳电池转换效率的理论值最高为33.7%（对应带隙 1.34 eV），传统的铅基钙钛矿材料的禁带宽度在1.5 ~ 1.7eV范围内，传统晶硅电池的带隙约为 1.12eV，钙钛矿的带隙更为接近最优带隙。以CH3NH3PbI3 为例, 钙钛矿薄膜作为直接带隙半导体, 禁带宽度为1.55eV,电导率为 10−3 S/m3, 载流子迁移率为 50 cm2/(Vs), 吸收系数105, 消光系数较高, 几百纳米厚薄膜就可以充分吸收800 nm以内的太阳光，对蓝光和绿光的吸收明显要强于硅电池，且钙钛矿晶体具有近乎完美的结晶度, 极大地减小了载流子复合, 增加了载流子扩散长度；2）带隙可调，适合叠层电池的制备，叠层电池具有更高的转换效率天花板，叠层电池理论极限转换效率高达 45%；3）钙钛矿的温度系数趋近于0：晶硅组件的温度系数是-0.3%/℃左右，即温度每上升 1 度，功率下降0.3%；而钙钛矿的温度系数为-0.001%/℃，趋近于 0，故而其实际发电效率显著高于晶硅。

钙钛矿太阳能电池具有轻质和柔性特点，下游应用场景广泛。钙钛矿太阳能电池下游应用场景广泛主要得益于钙钛矿材料吸光系数大，厚度较薄就能实现对太阳光的有效利用（传统晶硅电池硅片厚度在150微米左右，钙钛矿层厚度在 500 纳米左右），钙钛矿材料特性决定了钙钛矿电池的制作可采用轻薄、柔性基底。轻质和柔性特点使钙钛矿太阳能电池适用于更广泛的应用场景，比如 BIPV、汽车光伏等。此外，钙钛矿太阳能电池的带隙可调性使其具有室内光伏电池理想的宽带隙，将钙钛矿电池的下游应用范围拓展至弱光及室内光伏，进而可以广泛应用于工业物联网、智能家居和智能出行等领域。目前已有相关企业布局该应用领域的研究，经国家光伏产业计量测试中心认证，广东脉络能源科技有限公司研发的钙钛矿室内光伏电池光电转换效率在 1000lux U30 光源照射下达到44.72%，为当前世界最高值。

2.产业化痛点：稳定性差导致寿命短、大面积制备效率低

钙钛矿太阳能电池具有不稳定，主要系钙钛矿材料本身和各功能层相互影响所致。影响钙钛矿太阳能电池稳定性的因素主要包括：1）钙钛矿材料本身具有不稳定性（决定性因素）。钙钛矿材料易在水、氧气、热、光等环境作用下加快分解；2）器件中各功能层（空穴传输层、电子传输层、电极）与钙钛矿层易产生相互影响。在正式结构中，多用TiO2和ZnO等金属氧化物做电子传输层，这两种材料在光照下会产生光生空穴并催化分解钙钛矿材料。Spiro-OMeTAD 是空穴传输层的常用材料，其对碘离子比较敏感，钙钛矿材料中的碘离子扩散到 Spiro-OMeTAD后，会降低其电荷传输性能。金属顶电极为目前较主流的选择，但金属原子可以通过扩散作用进入到钙钛矿层中，引起钙钛矿材料发生分解，且光生伏特效应所形成的内建电场会加剧原子的扩散，从而加速分解。此外，钙钛矿材料中的卤素离子会扩散到金属电极并造成腐蚀，从而影响性能。任何一个环节材料性能失效都会导致产品性能衰减，从而影响电池的稳定性。

钙钛矿太阳能电池稳定性差致使其寿命较短，成为制约产业化的重要因素之一。根据《太阳能钙钛矿电池技术发展和经济性分析》中指出，目前钙钛矿电池持续光照实验最长达到 10000h，若按照全天平均日照时长4h计算，理论寿命也只有 6.8 年。若再考虑到每天实际日照时间会多于4h，以及其他日常损耗，正常寿命将会小于 6.8 年，与目前晶硅电池的理论寿命25 年相比，仍然有很大差距。虽然纤纳光电的组件已顺利通过IEC61215、IEC61730 稳定性全体系认证（经德国电气工程师协会VDE权威认证），行业内仍缺少更多数据的佐证，终端客户对寿命的顾虑未完全消除。

钙钛矿太阳能电池大面积制备效率低，存在效率与面积不可兼得的问题。目前实现较高转换效率的钙钛矿电池均是较小的实验室尺寸（小于1平方厘米），单结钙钛矿太阳能电池转换效率记录25.7%实现于0.1平方厘米的尺寸，商业化尺寸电池目前平均转换效率在16%左右。电池面积增加时必然会导致转换效率下降，晶硅、碲化镉薄膜、染料敏化太阳能电池和有机太阳能电池的器件面积每增加一个数量级，其转换效率大约下降0.8%，而钙钛矿太阳能电池转换效率下降幅度更大，主要原因系：1）制备大面积钙钛矿薄膜时，由制备工艺的局限性导致钙钛矿薄膜均匀性变差，孔洞增加，缺陷增多。实验室制备钙钛矿薄膜主要采用溶液旋涂法，该方法中反溶剂的使用量是影响钙钛矿层质量的关键因素之一，且本身具有边缘效应，会导致钙钛矿薄膜的厚度不均匀；2）尺寸增大时电池的非光活性死区（栅线区、刻蚀区）面积增大，使得有效光照面积减小，进而导致组件短路电流密度减小；3）与串并联结构设计和组件工艺相关，导致组件串联电阻增大，转换效率降低。