01 什么是钙钛矿电池
过去在60多年的时间里，已经有三代太阳能电池发展出来。第一代是以硅材料为基本材料的太阳能电池，是目前最成熟的主流商业电池；第二代是薄膜太阳能电池，以铜铟镓硒(CIGS)、碲化镉(CdTe)电池为代表，相比第一代具有厚度薄、光电转化效率高等的优势，但部分因素也限制了这类电池的发展，如部分材料储量稀少或有毒性，制备过程复杂等；第三代为新型太阳能电池，主要包括钙钛矿太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池和量子点太阳能电池。
钙钛矿电池是第三代光伏太阳能电池，是一种利用含钙钛矿结构的材料，具有优异的光电性能，目前人们正在加快速度推进其在新能源领域得到广泛的应用。
原始的“钙钛矿”是一种钙钛氧化物矿物，其分子式为CaTiO3，最早由一位俄罗斯矿物学家Perovski于1839年发现，后来我们以Perovskite-Solar-Cells来名钙钛矿太阳能电池。
钙钛矿电池主要工作原理大致如下：太阳光入射至器件的钙钛矿吸光层(以CH3NH3PbI3最为常用)，当入射光子的能量大于材料的禁带宽度时，吸光层吸收光子后受激发而产生激子。由于所用吸光材料的价带边低于空穴传输材料的价带边(或HOMO能级)，而其导带边高于电子传输材料的导带边(或LUMO能级)，使得激子在空穴传输层/钙钛矿吸光层/电子传输层两界面上产生分离，将空穴、电子分别注入到空穴传输层和电子传输层中，并分别经对电极和导电基底收集，最终经外电路形成电流并完成工作循环。
简单来说，当光线照射在钙钛矿的吸光层上时，会产生电子和空穴，然后电子和空穴被分别输送到有机太阳能电池材料和金属电极中，形成电流输出，本质上，钙钛矿太阳能电池的发电原理是基于光电转换的。
从原理上讲，钙钛矿太阳能电池的发电原理与传统晶硅太阳能电池的原理是一样的，都是利用材料的光电效应进行发电。
02 钙钛矿电池的主要结构
钙钛矿电池结构简单,目前主要有两种大的结构分类，即单结结构和叠层结构。
单层结构
单结电池结构主要分为介孔结构和平面结构，平面结构又被分为正式结构（n-i-p）和反式结构（p-i-n）。根据有无介孔骨架电子传输层，区分介孔结构和平面结构；根据透明导电电极上先为电子传输层，还是先为空穴传输层，区分正式结构和反式结构。
介孔结构类似三明治层状结构，结构简单，主要分为透明导电电极、介孔电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层、金属电极五层。其中介孔电子传输层是将钙钛矿受光子激发后的电子提取出来，同时阻挡空穴向阴极方向迁徙；其具备较高的光透过率，便于更多光子照在钙钛矿吸收层上；介孔为钙钛矿吸收层提供骨架支撑的作用；主要材料是TiO2。
介孔能够作为骨架支撑钙钛矿，但是高温制备，工艺难度大。介孔有钙钛矿支撑骨架作用，增大钙钛矿吸收层与电子传输层的接触面积，有效提高电子传输效率；介孔层的制备通常需要400-500℃的高温退火处理，增加了工艺难度。
平面结构相对于介孔结构少了介孔层，可低温制备。平面结构直接在致密TiO2电子传输层上旋涂钙钛矿，结构相对介孔结构简单，能够用低温溶液法制备，更利于柔性电池、叠层电池和大面积电池的发展。
正式结构和反式结构主要区别是，光先透过电子传输层还是空穴传输层。对正式结构而言，透明电极上为电子传输层，太阳光穿过透明电极后，透过电子传输层再到吸光层；对反式结构而言，透明电极上为空穴传输层，太阳光穿过透明电极后，透过空穴传输层再到吸光层。
反式结构尽管效率不及正式结构，但迟滞较小、填充率较高、稳定性更好，适合量产。目前钙钛矿最高效率25.7%是正式结构，反式结构经过多年发展也达到了24.3%的效率，与正式结构差距减小。反式结构的主要优势在于，光先透过空穴传输层，可以使电池迟滞性较小，填充率较高。另外，正式结构空穴传输材料多为有机物Spiro-OMeTAD，同时为了增加导电性通常需要添加对水氧敏感的Li盐、Co盐等，尽管获得了高效率但也牺牲了器件的稳定性；反式结构空穴传输层材料多为无机金属氧化物（如NiOx、CuO等），器件稳定性好。
叠层结构分为窄带隙底电池、互联结/隧穿结、宽带隙顶电池三部分。宽带隙电池作为顶电池吸收较高能量光子，窄带隙电池作为底电池吸收较低能量光子，实现子电池对太阳光谱分段利用，从而避免高能光子的热化损失，提高太阳能利用率和电池光电转换效率。钙钛矿ABX3通过改变A、B、X组分可实现带隙宽度从1.17~2.8eV调节，能够与其他中窄带隙底电池匹配。
两结叠层电池为主要应用方向，钙钛矿/晶硅叠层目前效率最高。叠层的结数越多，理论上可以获得更高的效率，但是考虑到成本，目前两结叠层电池为主要应用方向；钙钛矿/晶硅叠层和钙钛矿/钙钛矿叠层的电池效率较高，分别为32.5%和28%，成为目前叠层电池研究领域的焦点，钙钛矿/CIGS叠层电池效率也获得了很大提升，成为下一代光伏电池很有潜力的竞争者。
钙钛矿/晶硅叠层，是以晶硅作为底电池。晶硅电池带隙较窄，只有1.12eV，作为叠层的底电池，宽带隙（1.67eV-1.75eV）的钙钛矿作为顶电池。
钙钛矿可以与HJT、TOPCon等晶硅电池组成叠层电池，其中HJT与钙钛矿叠层最为适配。晶硅电池工艺成熟，作为底电池较为稳定，相比其他类型叠层具备潜在的低制造成本；HJT由于具备良好的非晶硅钝化层、对称结构以及透明导电氧化物（TCO），与钙钛矿层最为适配。
互联层结构和材质都会造成光电损失。1）互联层结构方面，可以分为平面和陷光结构，平面结构光发射强，不利于透光；陷光结构，光反射弱，但表面凹凸不平，均匀涂抹钙钛矿是一大挑战。2）互联层材质方面，多使用TCO，其中最常见的TCO是铟掺杂氧化锡（ITO），具有优良的电导率和光透射率，然而ITO折射率与硅基底不匹配，造成800nm以上波段光反射损失。
钙钛矿/晶硅叠层拥有叠层结构最高效率32.5%，改善互联层材质和钙钛矿顶电池稳定性是突破口。缘于晶硅底电池的稳定性，钙钛矿/晶硅整体稳定性最强，是最接近产业化的技术路径之一。最高效率达32.5%；a-Si:H和nc-Si:H材料具有横向电导率、寄生损耗和反射损耗低的特点，成为叠层电池中互联层的理想材料；除此之外，和单结电池一样，提升钙钛矿电池本身光电性能，也是叠层电池的核心点，比如通过添加剂工程，降低非辐射复合。
钙钛矿/钙钛矿叠层，是通过人工分别合成宽带隙和窄带隙钙钛矿。由于钙钛矿带隙可调节，将窄带隙（1.25eV左右）钙钛矿作为底电池，宽带隙（1.75eV左右）钙钛矿作为顶电池。
钙钛矿/钙钛矿叠层目前效率逐渐赶上钙钛矿/晶硅叠层，度电成本更低，工艺更简单。钙钛矿/钙钛矿叠层，两个子电池带隙均可以灵活调节，能够最大程度上实现太阳光谱高效利用，使得开路电压超过了钙钛矿/晶硅叠层电池，目前钙钛矿/钙钛矿叠层最高实验室效率为29%。钙钛矿/晶硅叠层度电成本为5.22美分/KWh，钙钛矿/钙钛矿叠层度电成本为4.22美分/KWh，低于晶硅叠层。钙钛矿/钙钛矿叠层是在玻璃上涂抹顶电池，相比钙钛矿/晶硅叠层在晶硅绒面上涂抹钙钛矿工艺简单。
相比钙钛矿/晶硅叠层，全钙钛矿叠层除了需提升宽带隙钙钛矿和互联层性能，还需解决窄带隙钙钛矿不稳定问题。窄带隙钙钛矿主要含锡，锡离子易氧化导致钙钛矿不稳定；窄带隙电池沉积过程中存在溶剂对宽带隙钙钛矿电池降解的风险。目前对窄带隙钙钛矿稳定性的提升，主要采用和宽带隙钙钛矿相似的添加剂工程。
钙钛矿/CIGS叠层。CIGS窄带隙宽度可调，具有较高光吸收系数。将窄带隙CIGS作为底电池，宽带隙钙钛矿作为顶电池，因为CIGS窄带隙宽度可调且具备高的光吸收系数，理论上可以获得比钙钛矿/晶硅叠层结构更高的光电性能。
钙钛矿/CIGS叠层工艺环节存在分流效应，影响电池效率。CIGS电池结构限制了顶部钙钛矿只能是p-i-n（反式）结构；CIGS电池结构通常通过真空方法沉积，如溅射或共蒸发，往往导致表面粗糙度较大，一般表面高度方均根最高可以达到200nm，尽管钙钛矿吸收层的厚度在500-1000nm范围，但是空穴传输层厚度不超过100nm，不足以完全覆盖纳米粗糙表面，导致潜在的分流效应。
钙钛矿/CIGS叠层目前最高实验室效率为24.2%，在三种叠层技术中较为落后。
03 光伏太阳能电池的发展历程与比较
第一代——传统单晶硅电池
相比于结构简单的钙钛矿电池来说，单晶硅电池结构相对复杂，主要有钢化玻璃、EVA、电池片、TPT背板、铝合金边框、接线盒、MC4头组成。其中，电池片主要由晶硅构成。
钢化玻璃其作用为保护发电主体（如电池片），透光其选用是有要求的，第一，透光率必须高（一般91%以上）；第二，超白钢化处理。EVA用来粘结固定钢化玻璃和发电主体（如电池片），透明EVA材质的优劣直接影响到组件的寿命，暴露在空气中的EVA易老化发黄，从而影响组件的透光率，从而影响组件的发电质量除了EVA本身的质量外，组件厂家的层压工艺影响也是非常大的，如EVA胶粘度不达标，EVA与钢化玻璃、背板粘接强度不够，都会引起EVA提早老化，影响组件寿命。
电池片主要作用就是发电，发电主体市场上主流的是晶体硅太阳能电池片、薄膜太阳能电池片，两者各有优劣。晶体硅太阳能电池片，设备成本相对较低，消耗及电池片成本很高，光电转化效率也高；在室外阳光下发电薄膜太阳能电池比较适宜，设备成本相对较高，消耗和电池成本很低，光电转化效率为晶体硅电池片一半多点，但弱光效应非常好，在普通灯光下也能发电，如计算器上的太阳能电池。
背板作用是密封、绝缘、防水（一般都用TPT、TPE等材质必须耐老化，组件厂家都质保25年，钢化玻璃，铝合金一般都没问题，关键就在于背板和硅胶是否能达到要求。）。我们知道，单片电池片的发电效率是非常低的，如一片156电池片的功率只有3W多，远远不能满足我们的需求，所以我们就多片电池片串联起来，已达到我们所要求的功率、电流、电压，而被串联起来的电池片我们称之为电池串。
铝合金保护层压件，起一定的密封、支撑作用。接线盒保护整个发电系统，起到电流中转站的作用，如果组件短路接线盒自动断开短路电池串，防止烧坏整个系统接线盒中最关键的是二极管的选用，根据组件内电池片的类型不同，对应的二极管也不相同。
硅胶密封作用，用来密封组件与铝合金边框、组件与接线盒交界处有些公司使用双面胶条、泡棉来替代硅胶，国内普遍使用硅胶。
薄膜太阳能电池最常用的材料包括铜铟镓硒(CIGS)、硫化铜铟镉(CIS)、有机聚合物等。作为太阳辐射的吸收层位于薄膜太阳能电池的最上层，以下是电池层、底电极(包括钢、铝、镀层等)、背电极(包括不导电和导电胶粘剂等)的排列顺序。在实际生产过程中，会根据实际需要进行一定的调整，如使用透明导电电极、太阳能电池阵列等。
太阳能辐射照射到薄膜太阳能电池的吸收层上，电荷载体在吸收光子的过程中激发，移动到接触区域产生电流，从而形成了电池输出。在电荷移动的过程中，必须保证吸收层的电导率高，电池层的吸光系数大，于是在电池层中通常使用薄膜法制成镀有金属的材料，从而增加光吸收和导电性。通常，电子流经过底部电极，在当中遇到了电子中继印刷，应用正向电子控制(P/N结),电荷已经通过电池的输出。因为这种类型的太阳能电池是以薄膜形式制成的，所以它们称为“薄膜太阳能电池”。
作为第三代光伏太阳能电池，钙钛矿电池从原理上讲，与第一代、第二代太阳能电池在发电原理上一致，都是利用光电效应使得在电池内部产生自由电子和空穴，金属模块收集电流从而发电。
与钙钛矿电池不同的是，第一代与第二代光伏太阳能电池从不同角度看，各有各的硬伤。
其中，单晶硅太阳电池以纯度高达99.999%的单晶硅棒为原料，也增高了成本，难以大规模使用。为了节省成本，目前应用的单晶硅太阳电池对材料要求有所放宽，部分采用了半导体器件加工的头尾料以及废次单晶硅材料，或者经过复拉制成太阳电池专用的单晶硅棒。
虽然晶硅太阳能电池是目前应用最广泛的太阳能电池之一，但其效率相对较低，只有16%-20%左右。这意味着需要更多的太阳能电池板来达到相同的能量输出，从而占用更多的空间。晶硅太阳能电池的制造成本较高，占据太阳能市场制造成本的65%。这导致晶硅太阳能电池的价格相对较高，不适合低预算的太阳能项目。
晶硅太阳能电池的另一个缺点是其容易受到阴影或其他遮挡物的影响。即使只是局部阴影，也会导致整个电池板的能量输出下降。这使得对于一些建筑物或其他场景的应用不太适合。晶硅太阳能电池的制造过程会产生大量的有害废弃物，如废液和废气。这些废弃物不仅会对生态环境造成负面影响，还会对工人的健康造成威胁。
与晶硅电池相比，薄膜电池解决了弱光性的问题，但是薄膜电池的缺点也是明显的。
首先，碲是地球上的稀有元素，发展碲化镉薄膜太阳能电池面临的首要问题就是地球上碲的储藏量是否能满足碲化镉太阳能电池组件的工业化规模生产及应用。过去碲是以铜，铅，锌等矿山的伴生矿副产品形式，也就是矿渣，以及冶炼厂的阳极泥等废料的形式存在。虽然据相关报道，地球上已知有碲十数万吨，且130~140公斤碲就可以满足1MW碲化镉薄膜太阳能电池的生产需要，但是跟硅的储量根本无法相提并论。
其次，薄膜电池中的重要元素镉乃剧毒物质，长期暴露会造成嗅觉丧失症、牙龈黄斑或渐成黄圈，镉化合物不易被肠道吸收，但可经呼吸被体内吸收，积存于肝或肾脏造成危害，尤以对肾脏损害最为明显。
1、成本优势
材料用量少。钙钛矿光伏电池由于光吸收能力强，材料的用量非常低，钙钛矿组件中钙钛矿层厚度大概是0.4um，而晶硅组件中的硅片厚度通常为180um，差了40-50倍。2021年全球大概有50万吨硅料的产量，倘若把这50万吨硅料完全替换成钙钛矿，大概1000吨就可以满足需求，降本空间十分可观。
组件价格低廉。钙钛矿光伏电池采用溶液法工艺，其前驱液的配制不涉及任何复杂工艺，对纯度要求不高。晶硅材料纯度必须达到99.9999%（6个9）以上才能用于制造太阳能电池，而钙钛矿只需98%（1个9）左右就可以用于制造效率达20%以上的太阳能电池。当下晶硅组件的制造成本在1元/W以上，而钙钛矿组件成本只有一半，约为0.5~0.6元/W，其中钙钛矿材料成本占比仅为5%，玻璃、靶材等占到另外的60%以上，钙钛矿组件未来仍有较大的降本空间。
投资成本低。以1GW产能投资来对比，晶硅的硅料、硅片、电池、组件全部加起来，需要10亿元的投资，而同等规模下，钙钛矿的投资约为5亿元左右，是晶硅的一半。
2、工艺优势
工艺简单，产业链缩短。对于晶硅来说，硅料、硅片、电池、组件需要4个以上不同工厂生产加工，一片组件的制造时间需要3天左右；而对于钙钛矿只需要1个工厂，从玻璃、胶膜、靶材、化工原料进入，到组件成型，总共只需45分钟。
低温制备，能耗低。晶硅在拉单晶的过程中需要900℃以上的温度将硅料融化，而钙钛矿各功能层的加工温度不超过180℃，且大多数环节也无需真空条件。从能耗角度，单晶组件制造的能耗大约是1.52KWh/W，而钙钛矿组件能耗为0.12KWh/W，单瓦能耗只有晶硅的1/10，能量回报周期短。
3、性能优势
光电转化效率高。钙钛矿材料具有较高的光吸收系数和较长的载流子扩散距离。在可见光波长（380~800nm）范围内，钙钛矿的光吸收系数比硅高1-2个数量级，因此钙钛矿薄膜只需要几百纳米就有较强的吸光能力；钙钛矿材料吸收的光子转换成电子后，由于其载流子具有较长的扩散距离（几个微米，远大于钙钛矿薄膜厚度），很容易被电极收集、损耗较小，因此能产生较高的光生电压和电流，综合表现出较高的光电转换效率。
弱光性能好。钙钛矿光伏电池弱光下具有优异的光电转化效率，未来有机会将室内照明的弱光和阴天时室外弱的太阳光利用起来发电，这也是钙钛矿光伏区别于传统硅基光伏的一大优势。理论研究表明，弱光下光伏电池的发电效率跟能带间隙有关，在接近2eV带隙时，光伏电池在弱光下的效率高达52%。由于钙钛矿材料带隙可调、光吸收系数高、对杂质不敏感，对应的光伏电池对缺陷态的包容度较高，其在弱光下仍具有优异的光电转换效率。而晶硅的带隙约1.1eV，偏离2eV较多，弱光下发电效率很低。相关的研究表明，钙钛矿光伏电池在200Lux的弱光下仍可输出25%以上的光电转换效率。夏季明朗的室内光照强度为100～550Lux，而100W的白炽灯光照强度约1200Lux，荧光灯的发光效率是白炽灯的3～4倍，这就意味着钙钛矿光伏未来有望在室内弱光条件下为一些低能耗电器提供可靠稳定的电力来源。
光伏特性可调。钙钛矿材料可以通过调节组分，使其能带间隙在1.4~2.3eV之间连续可调，因此可以衍生出区别于硅基光伏的应用，如（1）调整带隙至2eV左右，使其适用于弱光下高效发电；（2）用于建筑玻璃上，将钙钛矿薄膜做成不同颜色或者半透明的状态，做在质轻的柔性基底上实现建筑光伏一体化，即BIPV或者BAPV；（3）制成叠层电池，设计不同带隙的钙钛矿层，并彼此或是与其他光伏材料叠加，从而使不同波长的光能转化成电能，这也是有望推动钙钛矿电池突破肖克利-奎瑟极限的主要方式之一。而相比较之下，晶硅光伏电池只有单一的带隙，性能的优化空间与应用场景均十分有限。
4、政策优势
过去十年钙钛矿光伏在学术界的重大突破推动钙钛矿产业化进程。由于钙钛矿光伏与以晶硅光伏为主导的现有光伏产业链具有较大差异，钙钛矿光伏的崛起势必将重塑整个产业链。目前不仅产业端在积极推动钙钛矿商业化，政策端也不断刺激钙钛矿产业化。
1、不稳定性
稳定性问题一直制约着钙钛矿电池的商业化生产。在实验室操作过程中,人们发现钙钛矿太阳能电池被制备出来后,若放置于室温环境下,效率会随着时间的增长而衰减。其根本原因在于吸收层所用的钙钛矿材料对水汽极度敏感,使得其结构不稳定,易产生不可逆转的降解。
钙钛矿电池的不稳定性导致它的效率检测相比标准硅电池更加困难。因为太阳能模拟器比较小,只能覆盖一个地方,因此现在用的不同的检测方法和流程来对它进行检测,基本上只能在小范围内进行。
钙钛矿电池分解的主要原因是水汽,隔绝水汽是制备过程的关键。目前钙钛矿电池寿命低是因为没有很好的保护方法,所用的封装工艺基本都是沿袭的晶体硅电池,后期针对封装必然要进行优化。
2、含重金属铅
钙钛矿电池制备过程中前驱体溶液含铅。钙钛矿薄膜的厚度与前驱体溶液浓度之间存在直接关系，制造高效钙钛矿太阳电池需要相对高浓度的含铅前驱体。由于钙钛矿电池含铅，并且所含碘化铅具有水溶性，老化钙钛矿电池如未采取合适的回收方式，其中包含的碘化铅浸出进入土壤后，被植物所吸收进入食物链，相对于其他人类活动带入环境中的铅其迁移性要高10倍以上。
目前钙钛矿含铅不可避免。在卤化钙钛矿中存在过量的碘化铅是钙钛矿电池效率超过20％的关键。目前无铅化是钙钛矿材料研究的重要方向之一，但到目前为止尚未找到光电效应能与铅基钙钛矿电池匹配的其他材料电池，锡基钙钛矿可以达到16%左右的效率，但目前技术仍不太成熟。且含铅钙钛矿更适合低温制备，目前仍然是钙钛矿电池商业化的优先选项。
3、制备面积
钙钛矿光伏电池虽然在实验室中获得了较高的光电转换效率，但是实验室中的有效器件尺寸太小（≤1cm2），无法满足市场应用的要求。市面上高效率的晶硅太阳能电池，如M6的硅片，尺寸为16.6cm，而钙钛矿光伏器件尺寸做大后效率下降幅度较大。制备大尺寸高效率钙钛矿光伏组件较难的原因主要有两点：一方面，把钙钛矿薄膜做得又大又均匀比较困难，尺寸放大后钙钛矿薄膜容易出现孔洞和厚度不均匀等现象；另一方面，钙钛矿光伏组件采用金属氧化物作透明电极，其方阻比金属电极的方阻大，尺寸放大后阻抗导致的器件效率衰减较为明显。据松下报道，一块6.25cm2的钙钛矿电池，效率为20.6%，但当35个电池片组合成412cm2的组件时，效率降至12.6%。
04 钙钛矿电池的发展历程
早期人们发现的钙钛矿氧化物材料时，只知道钙钛矿具有优异的铁电、磁性和超导特性，并不具备优异的光电特性；直到1978年，Weber开发出了一种有机金属卤化物，这种有机金属卤化物具有与CaTiO3一样的晶体结构，因此也被称为钙钛矿材料。得益于Gratzel等人在1991年发明的染料敏化太阳能电池的结构，日本科学家Miyasaka等人在2009年将有机金属卤化物钙钛矿作为光敏剂应用在光伏电池中。然而，早期的钙钛矿光伏电池并没有引起很多的关注，一方面效率仅为2.2%，另一方面这些器件寿命很短，其中的极性电解质溶液使电池性能迅速衰减。
早在2010年，HenrySnaith创立了全球首家钙钛矿光伏电池公司OxfordPV，开启了钙钛矿光伏商业化的进程；同年范斌等人也成立了中国首家从事钙钛矿光伏电池的公司厦门惟华光能，而彼时钙钛矿光伏技术和市场还未成熟，惟华光能在2016年被光伏巨头协鑫集团所收购。
2015年,牛津大学教授HenrySnaith等多位专家合作论文中预测,未来如果将最好的硅组件和钙钛矿器件合理地整合在一起,在不用大幅改动两者制造技术的情况下就可以获得超过30%的效率。近几年,钙钛矿电池技术与晶硅和CIGS薄膜技术相结合成为研究热点。钙钛矿CIGS叠层结构最早由斯坦福大学在2015年制备,效率18.6%,当时研究者希望五至十年内达到25%甚至30%。2020年初,由美国国家可再生能源实验室(NREL)发布,德国海姆霍兹柏林材料所(HZB)研发出了效率为29.15%的钙钛矿/硅两端TSCs(1.06cm2),打破了之前由牛津光伏创造的28%的记录,使得光电转换效率超过30%的可能性进一步提高。
2018年钙钛矿/晶硅叠层电池取得了突破性进展,EPFL制备出了基于双面制绒硅底电池的叠层电池,获得25.2%的转换效率。英国OxfordPV公司基于同样的思路将钙钛矿/晶硅叠层电池效率提高到28%。如能进一步减少器件中载流子复合,提高开路电压；改善器件电学传输特性,获得更高填充因子,则这种叠层电池效率有望突破晶硅电池29%的理论效率极限。
05 钙钛矿电池的市场与上下游分析
1、导电层
基材为柔性材料、不锈钢板、玻璃等，基材上的导电氧化物一般为氧化铟锡（ITO导电玻璃）、氟掺杂SnO2（FTO透明导电玻璃）。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地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，TCO导电玻璃包括ITO、FTO、AZO镀膜玻璃，分别使用锡掺杂氧化铟（In2O3）、氟掺杂氧化锡（SnO2）和铝掺杂氧化锌（ZnO）作为靶材。FTO导电性能比ITO略差，但具有成本相对较低，激光刻蚀容易，光学性能适宜等优点，已经成为薄膜光伏电池的主流产品。目前金晶科技TCO导电膜玻璃已经成功下线，并且与国内部分碲化镉、钙钛矿电池企业建立业务关系，得到认可开始供货。除金晶科技外，TCO玻璃企业还包括亚玛顿、耀皮玻璃、南玻A、旗滨等。
2、空穴传输层
目前常见的空穴传输材料（HTM）主要为有机小分子、有机聚合物和无机半导体三类。常用的有机小分子主要包括Spiro-OMeTAD及其改性材料等；常用的有机聚合物包括PEDOT:PSS（可以溶液成膜，适合柔性衬底）、PTAA、P3HT（聚-3己基噻吩）等，其中P3HT为主流；常用的无机HTM主要有CuI、CuSCN、CuOx、NiOx、MoOx、VOx。有机小分子与聚合物相比，具有良好的流动性，但制备困难，价格昂贵；有机聚合物具备更好的成膜性和更高的迁移率。相较于有机HTM，无机HTM的空穴迁移率更高，导电性及稳定性更好，而且成本低。
3、钙钛矿吸光层
基本材料是钙钛矿前驱液，一般由碱金属卤化物钙钛矿和有机金属卤化物钙钛矿组成。一般采用有机无机混合结晶材料——如有机金属三卤化物CH3NH3PbX3（X=Cl\Br\I）作为光吸收材料。其中最常见的是CH3NH3PbI3（甲胺铅碘）。制作金属卤化物钙钛矿所需原材料储量丰富，价格低廉，且前驱液的配制不涉及任何复杂工艺，对纯度要求不高，后续组件对加工环境要求也不高。
4、电子传输层
电子传输材料（ETM）主要可分为金属氧化物（常用TiO2、ZnO等）和复合材料，主要涉及钛60、BCP、PCDM、二氧化硒、二氧化钛等材料。目前使用和研究最多的ETM为TiO2，但由于TiO2电子迁移率和电子扩散距离与钙钛矿材料及常用HTM的空穴迁移率、扩散距离相比不太匹配，成为电池结构中电荷捕集效率的瓶颈。目前，研究者以介孔Al2O3为骨架，TiO2纳米颗粒和石墨烯复合物代替TiO2作为ETM在低温条件下（小于150℃）获得了15.6%的转换效率。
5、电极层
一般使用金属电极（Al、Au、Ag）、透明导电电极、TCO等，涉及材料主要是钛、铜箔和不锈钢箔。电极选择的材料不同，其技术路线和制备方法也不同。
钙钛矿电池组件生产共需要镀膜设备、激光设备、涂布设备、封装设备四种设备。钙钛矿组件生产中材料、工艺、设备互相配合铸就钙钛矿企业的核心竞争力。目前4类设备，已有部分国产化选择。百MW级产线的核心总投资额约1.2亿元，其中镀膜设备：激光设备：涂布设备：封装设备投资比例为50%：25%：15%：10%。
1、镀膜设备：镀膜设备价值最高，为未来降本主要途径
镀膜设备主要涉及PVD、PRD、ALD三种，PVD技术又分为真空蒸镀法、溅射法和离子镀法。背电极主要使用蒸镀PVD，目前已经比较成熟，还可使用PRD等离子反应设备制作。电子传输层主流使用RPD设备，或先用RPD或ALD设备制作阻隔层，再用溅射PVD做传输层。空穴传输层主流使用溅射PVD，也可使用蒸镀PVD；玻璃基板衬底：使用溅射PVD形成导电层，技术较为成熟。生产百MW级钙钛矿需要镀膜设备3台，其中包括2台PVD，单价1000万/台；1台PRD，单价2000万/台。
相应的设备企业有捷佳伟创、迈为股份、京山轻机、众能光电、晟成光伏等。其中捷佳伟创于2022年7月量产钙钛矿太阳能电池生产关键量产设备RPD，并顺利出货了GW级HJT电池产线设备。晟成光伏于2021年5月与业内钙钛矿电池领先企业开展开发战略合作，目前公司研发的钙钛矿电池团簇型多腔式蒸镀设备现已量产，并成功应用于多个客户端。
2、涂布设备：主流方法采用狭缝涂布机制备
涂布设备主要用于制作钙钛矿吸光层。目前国内钙钛矿层制备工艺主要采用狭缝涂布机进行制备，有协鑫光电、纤纳光电、无限光电、极电光能、万度光能几家企业布局；协鑫光电、纤纳光电、无限光电、极电光能等厂商同时进行旋涂机、蒸镀PVD工艺布局；刮刀涂布、喷涂、CVD、丝网印刷机属于少数技术选择方向。
德沪涂膜产业化进程领先，2022年大尺寸电子级狭缝涂布设备市场市占率达70%以上。公司目前为国内最大的钙钛矿电池制造用核心狭缝涂布设备供应商，在大尺寸电子级狭缝涂布设备领域市场占有率达70%以上，技术指标与全球同类企业产品相当；并向供应协鑫100MW钙钛矿产线供应大尺寸核心狭缝涂布设备。
3、激光设备：产业化进程较快，国内厂商已实现量产
激光工艺涉及到整个钙钛矿薄膜电池的制备流程，起分片效果。钙钛矿电池需要分别进行3次平行激光刻蚀（P1-P3），并完成P4的清边，整体价值量约10~20%。在P1-P3的刻蚀环节，激光设备主要用于激光划线，刻划钙钛矿吸收层、钙钛矿层及电极层，去除TCO层以及进行清边绝缘。
激光企业产业化进程较快。帝尔激光的激光设备在钙钛矿太阳能电池TCO层、氧化物层、电极层的生产制程中均有应用，目前已有小批量订单并已完成交付。迈为股份2021年已经交付用于单结钙钛矿电池的激光设备，未来将对单结钙钛矿会加大装备布局。德龙激光2020年推出针对钙钛矿薄膜太阳能生产整段设备（包括P1、P2、P3激光划线设备以及P4激光清边设备），目前设备已投入客户量产线使用，率先实现百兆瓦级规模化量产。
4、封装设备：光伏组件供应商有望受益
为了避免外部环境因素和分解泄漏等导致钙钛矿结构或其他功能层被破坏，封装是一种最有效的解决方法。目前钙钛矿太阳能电池常见封装技术有两种：第一代封装技术通过使用蒸发金属喷射器和焊接金属带将电流从电池传导到外部，并密封金属带边缘。第二代封装技术通过透明的氧化铟锡电极将钙钛矿电极与金属电极分开，以保证电极与印刷电路板之间有一定的横向间隙。封装面直接是ITO电极，可以更好地密封整个器件。
钙钛矿通常用POE而非EVA封装。由于钙钛矿材料比较敏感，因此钙钛矿电池在封装的要求相比晶硅电池更高，一般采用POE胶膜而不能采用EVA胶膜。
其中光伏组件供应商有望受益：弗斯迈能为钙钛矿组件龙头厂商提供整线解决方案，主要提供精确裁覆膜设备、贴绝缘胶带机器、贴导电胶带机、汇流条贴数机、层压机等封装设备。众能光电拥有层压机、用于光电器件钝化的ALD设备。京山轻机与华中科技大学合作达成合作，共同开发光伏原子镀膜装备。
1、供给端
目前钙钛矿还未大量生产，部分厂家已经进入中试阶段。从供给端来看，预计2025年钙钛矿组件市场空间达37.5亿元，2030年达950亿元。按照各家厂商发布的量产规划，2023年合计钙钛矿组件产能1.25GW，2025年7.4GW，预计组件市场空间约37.5亿元，2030年钙钛矿组件产能预计142GW，对应市场空间约950亿元，2022-2030CAGR达128%。
目前，钙钛矿需求高增带动设备及原材料需求空间广阔，预计2030年设备及原材料空间达239/490亿元。若2030年钙钛矿组件产量为95GW，产能对应设备市场空间为239亿元，其中镀膜/激光/涂布/封装设备分别为120/60/36/24亿元；对应钙钛矿材料市场空间28亿元，玻璃市场空间259亿元（FTO玻璃182亿元，背板玻璃77亿元），封装材料市场空间98亿元（POE胶膜及丁基胶各49亿元），靶材市场空间105亿元，玻璃及靶材因单位成本占比较高，价值量空间较大。
2、需求端
在需求端，光伏装机需求向好叠加渗透率高增，钙钛矿组件市场空间广阔。假设2023/2025/2030年全球光伏装机分别为375/585/1319GW，组件在地面电站渗透率由2023年的0%逐步提升至2030年的3.0%，2025/2030年全球地面电站钙钛矿需求分别为2.3/25.0GW；在分布式中的渗透率由2023年的0.2%提升至2030年的9.4%，2025/2030全球分布式钙钛矿需求分别2.3/70.5GW，2025/2030整体市场空间为2.6/95.5GW，2022-2030CAGR达146%，市场空间广阔。
06 结语
凭借超高的光电转换效率，未来钙钛矿与晶硅叠层的电池技术有望成为光伏领域的终极技术形态。
随着相关产业链的公司不断加入，在大家的共同努力下，钙钛矿组件未来的生产成本有望大幅降低。未来随着钙钛矿产业化进程不断提速，钙钛矿设备与组件企业有望持续受益。
目前研发效率的快速进步，正在为钙钛矿电池的产业化铺路。同时不同的技术与设备路线均有企业布局，钙钛矿的产业化探索正在大规模铺开，产业化将加速发展。
简介
华扬资本成立于2006年，是一家深度赋能型的投资公司。