钙钛矿是一种对称的立方八面体晶格结构，后来科学家们将拥有这种晶格结构的一类物质统称为钙钛矿。这类材料通常具有ABX3的化学式，其中A、B、X都对应着不同的离子，通常，A代表有机胺阳离子，B代表金属阳离子，如铅Pb离子、锡Sn离子，X代表卤素阴离子。因此，钙钛矿指的不是特定材料，而是一种结构，一类物质。
图1：钙钛矿的晶体结构和A、B、X离子
钙钛矿太阳能电池（PSCs）是第三代高效薄膜电池的代表，具有高效率、高柔性、低成本的发展潜力，被誉为“光伏领域新希望”。钙钛矿电池还可通过与HJT叠层进一步提升光电转换效率，是未来产业化的重点研究方向。
钙钛矿太阳能电池产业化进程中最主要的问题在于解决稳定性问题、大面积制备问题和环保性问题。
图2：三代太阳能电池
钙钛矿电池的主要优势有：高效率、低成本优势、降耗。
钙钛矿光电转换效率提升速度明显很快，下图中斜率是很大的。钙钛矿在10年左右的时间里，从最初的3.8%提高至25.7%（更新至2021年12月26日)。
图3：钙钛矿电池效率（红色）提升速度很快
单结钙钛矿电池理论转化效率可达 31%。单结指只有一个PN结，多结指有多个PN结，多结光谱吸收效果更好、效率更高，但成本也更高。多结钙钛矿最高光电转换效率可达47%，相比晶硅电池的理论最高效率29.4%来说，确实很高。
图4：不同太阳能电池技术的效率范围与极限
TOPCon、HJT是晶硅电池领先PERC电池的新一代技术。虽然当前市场主流技术仍是 PERC，但目前产能扩张主要集中在TOPCon和HJT。而随着TOPCon 、HJT的成熟，晶硅-钙钛矿叠层电池也成为了研究发展的重点方向。
这里就要说下，相比TOPCon，钙钛矿与HJT具有更好的叠层电池匹配度。根据禁带宽度从小到大、光谱波段由长到短，可依次将不同材料从底向顶罗列起来，形成叠层电池。HJT具有1.1eV的窄带隙，非常适合作为底电池，与之相匹配的顶电池带隙在1.6-1.9eV之间。钙钛矿通过调整元素成分，可以获得一个从1.5-2.2eV可调控的禁带宽度，当调节至合适带隙，可形成高效率的叠层电池。
图5：钙钛矿-HJT叠层电池产品结构示意图
钙钛矿-HJT叠层电池能更加合理地利用全光谱范围内的光子，减少能量损失，是突破单结电池效率极限的重要方法，目前研究表明，极限效率在44-45%，比HJT电池有很大的提升。
钙钛矿电池未来在原材料、生产环节、能耗上具有一定的成本优势。
图6：钙钛矿电池产业链示意图
钙钛矿电池产业链环节，相对晶硅电池的硅料-硅片-电池-组件来说，明显缩短。钙钛矿电池可在单一工厂内，将玻璃、胶膜、靶材、化工原料等加工成为组件。
钙钛矿对原材料纯度的要求更低。对钙钛矿原料的需求也比较低。从组件制造成本来看，晶硅电池的主要成本就是电池片（晶硅），而钙钛矿电池组件的主要成本确实电极材料和封装材料，钙钛矿只占5%左右。
钙钛矿可低温溶液制备，主要工艺有旋涂、喷涂、刮涂等溶液工艺实现成膜，生产过程中的能耗较低。
图7：晶硅组件和钙钛矿组件的制造成本结构
此外，钙钛矿产能投资在未来也存在优势。钙钛矿1GW产能投资约5亿元，晶硅1GW的产能（硅料、硅片、电池、组件）投资在10亿左右。协鑫纳米钙钛矿的第一条100MW设备产线投资为1亿元，目前看与晶硅电池持平。
但钙钛矿电池稳定性、大面积制备、环保性是目前制约发展的重要因素。
稳定性是钙钛矿电池产业化最需要解决的问题。钙钛矿太阳能主要缺点是寿命（稳定性低）。目前钙钛矿太阳能电池的T80寿命（效率下降到初始值的 80%）约4000小时，距晶硅电池25年寿命相差甚远。
从原因来看，钙钛矿太阳能电池不稳定的原因可以分为吸湿性、热不稳定性、离子迁移等内在因素，和紫外线、光照等外在因素。
图8：钙钛矿电池不稳定性原因
目前钙钛矿大面积组件效率仍远低于小面积，实验室很多超记录的效率都是很小的组件。小面积与大面积存在显著的效率差距的原因主要有：
1、溶液处理法下大面积薄膜的覆盖率、均匀性、平整度控制难度更高；
2、钙钛矿层的缺陷增加，对光诱导载流子的提取和传输产生负面影响；
3、透明电极的电阻随面积增大而近似线性增加，使电池的串联电阻增加，性能下降。
同时，钙钛矿存在环境污染风险，也是产业化待解决的问题。钙钛矿电池中含有铅元素，铅元素在国际许多国家和地区都被列为禁止使用的材料。研究者们在努力向无铅化钙钛矿探索，但相应会带来转换效率降低。
各大厂家已在钙钛矿设备、电池、材料、检测端纷纷布局。
钙钛矿制备过程较晶硅电池更简单，当前处于设备工艺验证阶段。钙钛矿电池组件生产流程主要为：沉积透明导电层（TCO）、沉积电子传输层（ETL）、沉积钙钛矿层、沉积空穴传输层（HTL）、背电池制备、组件封装。较晶硅电池制备简化不少。
钙钛矿主要设备厂商迈为股份、晟成光伏、捷佳伟创、杰普特、德沪涂膜等，订单方面都有进展。
德沪涂膜是核心涂膜设备供应商，首套大面积核心涂膜设备系统已经被客户验收成功。晟成光伏与协鑫光电联合开发叠层电池工艺与相关设备。众能光电激光划线刻蚀设备出货50台套，PVD设备出货30台套。
迈为主要做钙钛矿电池激光设备、真空设备，为客户定制的单结钙钛矿电池激光设备已经交付使用。捷佳伟创主要为钙钛矿中试设备，中标了首个钙钛矿中试设备采购订单。
协鑫集成、纤纳光电、极电光能、众能光电、万度光能等本土钙钛矿电池厂商产业化进度正在资本的助力下快速发展，预计2023年国内钙钛矿电池总产能可以达到1GW，也是一个重要的里程碑。
钙钛矿生产主要厂商协鑫光电、纤纳光电、极电光能均已完成超亿元融资。协鑫光电已投建全球首条100MW大面积组件中试线，极电光能也已开始建设150MW试验线，纤纳光电完成由三峡资本领投的C轮融资，并已在衢州投100MW钙钛矿电池集中式电站。
图9：钙钛矿电池生产厂商最新融资情况
钙钛矿电池具有质量轻、厚度低、可弯曲、半透明等特性，十分适合制备成柔性电池，以便与航空、军事、建筑、可穿戴式发电器件集成在一起，并极大拓宽了应用场景。
钙钛矿电池在光伏建筑BIPV领域被寄予厚望，此外还可用于电动汽车移动发电电源及其它光伏+高性能场景，预计未来总市场规模超千亿。
钙钛矿与晶硅叠层太阳电池和组件产品可应用于集中式发电站。
钙钛矿电池发展在资本的助力下，如火如荼。叠层电池创新也为新能源行业注入了新的效率增长路线。
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