太阳能技术发展共经历了三个主要阶段：

•第一阶段：太阳能电池主要指单晶硅和多晶硅太阳能电池，其在实验室的光电转换效率已经分别达到25%和20.4%；

•第二阶段：太阳能电池主要包括非晶硅薄膜电池和多晶硅薄膜电池。

【资料图】

•第三阶段：太阳能电池主要指具有高转换效率的一些新概念电池,如染料敏化电池、量子点电池以及有机太阳能电池等。

•第四阶段：晶硅+钙钛矿叠层电池

那么钙钛矿究竟是一种什么物质呢？

它其实是一种ABX3晶型，（以目前研究较多的金属卤素有机无机杂化钙钛矿为例）

A为有机甲胺离子CH3NH3+ ，B为金属离子（例如Pb2+， Sn2+），X为卤素离子（例如Cl-，I- ， Br-）。

整个晶体是由金属离子被六个卤素离子包围所形成的类似正方体作为骨架结构，骨架中间插入无机或者有机离子。

钙钛矿指的不是特定材料，而是一种结构、一类物质。

而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，属于第三代太阳能电池，也称作新概念太阳能电池。钙钛矿太阳能电池的发展虽然只有十余年的时间，但是它的光伏发电效率却能从3%提升至25.5%。相比于前几代光电转换材料，钙钛矿材料兼具了高效率和低成本制备的优势，未来潜能巨大。

钙钛矿电池的工作原理

在光照条件下，钙钛矿化合物能够吸收光子，在吸收光子后其价带电子会跃迁至导带，导带电子随后被注入到TiO2的导带，然后被传输到FTO(氟掺杂氧化锡-透明导电薄膜)，与此同时空穴传输至有机空穴传输层（HTL），从而电子-空穴对分离，在接通外电路时，电子与空穴的移动产生电流。

钙钛矿电池-核心亮点

1.高效率

钙钛矿电池转换效率提升速度明显高于晶硅类。钙钛矿太阳能电池用了10年左右的时间将转换效率从最初的3.8%，提高至25.7%（截至2021年12月26日），而这一进程晶硅类太阳能电池花费了四五十年。

单结PSCs当前最高转换效率达25.7%，理论转化效率可达31%。单结PSCs指只有一个PN结的钙钛矿太阳能电池，多结PSCs指有多个PN结的钙钛矿太阳能电池，多结的PSCs光谱吸收效果更好、效率更高，但成本也更高。理论上单结PSCs最高光电转换效率可达31%，多结PSCs最高光电转换效率可达47%，显著高于晶体硅太阳能电池的29.4%。

2.灵活性

其作为一种化合物，配方可调，不但可以将其带隙尽可能地推向理想值，也可针对不同波长入射光设计不同钙钛矿层并彼此、或是与其他光伏材料叠加，从而捕获尽可能多的光子，实现高水平转化率。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，硅晶只能提纯，优化空间与手段均十分有限

3.原材料纯度要求低且十分易得，用量亦低于晶硅类。

钙钛矿太阳能电池的原材料均为基础化工材料，不含稀有元素。晶硅类太阳能电池对硅料纯度要求需达99.9999%，而钙钛矿材料对杂质不敏感，纯度在90%左右的钙钛矿材料即可制成转换效率在20%以上的太阳能电池，95%纯度的钙钛矿即可满足生产使用需求，原材料更加易得。

晶硅类太阳能电池的生产每年约需要50万吨硅料，而若全部替换为钙钛矿太阳能电池，大约只需要1000吨钙钛矿原料，因此PSCs不存在原材料瓶颈。

4.成本低

晶硅电池在四个不同工厂内分别加工硅料、硅片、电池、组件，此过程需要至少耗时3天。但根据协鑫纳米披露，钙钛矿太阳能电池的生产流程简单，可在45分钟内将玻璃、胶膜、靶材、化工原料在单一工厂内加工成为组件，产业链显著缩短，价值高度集中。

行行查数据显示，钙钛矿太阳能电池的组件生产流程：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，较晶硅类太阳能电池制备大幅简化。

钙钛矿太阳能电池由多个功能薄膜叠加而成，所以制备钙钛矿太阳能电池的基本方法是在基底上一层层累置薄膜。

工艺包括薄膜制备、激光刻蚀、封装三大步，关键在实现大面积高质量薄膜制备。

钙钛矿电池-主要缺点

1.不耐用

稳定性是制约钙钛矿太阳能电池产业化的重要因素

钙钛矿太阳能电池作为历史上发展最快的光伏技术，在效率及成本端均较晶硅类电池有优势，但主要缺点是寿命短（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，距当前主流光伏技术的25年寿命相差甚远。

作为一种离子晶体材料，钙钛矿材料可谓是非常脆弱，不同材料与结构可能存在不耐高温、不耐光照、易水解、易氧化、易发生二次反应等缺陷。尽管近两年伴随着钙钛矿材料相关研究的长足进步，这种情况有所缓解，但电池整体衰减率相较于成熟的晶硅组件仍然太高，而且额外的保护措施，如保护涂层或掺杂等，还存在牺牲效率的可能。

2.不好造

目前的钙钛矿电池在大尺寸设备和批量生产的工艺上仍然存在问题。

当前的钙钛矿电池主要处于实验室阶段，而制备工艺显然和工业化生产存在很大不同。当前限制钙钛矿电池大尺寸化的因素，首先是涂覆技术的不成熟，钙钛矿层没法均匀涂抹在设备表面，对器件性能有明显负面影响，需要开发更好的喷涂工艺。

其次则是钙钛矿普遍使用TCO（透明导电氧化物）薄膜收集电流，而此类材料的一些物理性质会造成光损失，且随着面积的增大愈发明显，这导致钙钛矿组件的效率会明显低于单体电池，这也是实际应用中不能接受的，需要有进一步解决方案。

说的更直接一点受限于多方面原因，现阶段的钙钛矿电池根本造不大，造大了的性能也不好。

但近日，南京大学现代工程与应用科学学院谭海仁教授课题组和英国牛津大学学者，运用涂布印刷、真空沉积等技术，在国际上首次实现了大面积全钙钛矿叠层光伏组件的制备，开辟了大面积钙钛矿叠层电池的量产化、商业化的全新路径。该组件稳定的光电转换效率高达21.7%，是目前已知的钙钛矿光伏组件的世界最高效率。该成绩被最新一期的《太阳电池世界纪录表》收录，相关成果近日刊发于国际权威学术期刊《科学》。

3.不环保

现阶段，工业化生产希望最大、性能最好的钙钛矿材料是铅卤钙钛矿，主要得益于其光吸收能力强、光电流传输速度快、缺陷容忍度高等一系列优异综合性能。

但问题在于，铅是一种广为人知的有毒重金属，无论是对环境还是人体都有着毋庸置疑的危害。尽管有些观点称，钙钛矿材料的生产流程只要设计得当就不会产生过多污染，但这也意味着更为复杂的生产工艺与副产物处理流程，在成本上是否足够经济还不太确定。

如何用更为环境友好的配方替代铅卤钙钛矿是一个比较主要的研究方向。当前锡基材料进展相对不错，但其在各方面性能，特别是效率和铅基电池差距很大（最高纪录也仅有14%）。此外，相较于铅，组分中的二价锡更为敏感，很容易被氧化为四价锡导致性能急剧恶化，这还会进一步缩减钙钛矿电池本就不太行的设备寿命。

4.不明白

钙钛矿材料存在一种被称为“深阱态”（deep trap state）的缺陷，顾名思义，它会像陷阱一样困住载流子，导致光能无法转化为电能，而以热量的形式损失，导致发电能力存在性能损失、稳定性欠佳。

尽管有大量研究在尝试分析，这种现象的具体成因仍然不明。

钙钛矿电池-市场格局-研发端

国际上著名的钙钛矿电池研发企业有牛津光伏（Oxford PV）和松下公司（Panasonic）等。

国内本土钙钛矿设备厂商订单部分已成功交付，生产厂商效率不断突破，融资进展顺利，已陆续布局中试线。

据PV-Tech不完全统计，2021年共有17家企业参与钙钛矿产业的投资/融资，共计6项投资项目总投资/融资金额超85亿元。

国内PSCs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，作为目前最大尺寸钙钛矿电池记录的保持者，正致力于开发1m×2m大尺寸钙钛矿组件，在度电成本比晶硅更低的情况下，开启钙钛矿电池的商业化量产。

•极电光能已开始建设150MW试验线，64cm钙钛矿光伏组件转换效率高达20.5%，稳态达20.1%。

•纤纳光电七次刷新小组件世界纪录。

•无限光能获数千万元天使轮融资，融资资金将用于大尺寸钙钛矿太阳能电池模组试验线的建设、扩充研发及量产技术团队，预计将在三季度完成试验线建设，年内实现大尺寸电池模组批量下线。

2020年上海光伏展上，协鑫、爱旭和赛维展出了钙钛矿叠层电池相关产品。

2021年安徽华晟完成了异质结/钙钛矿叠层电池中试开发；隆基公布异质结-钙钛矿叠层电池专利，该叠层电池包括底电池、空穴传输层、钙钛矿吸收层以及透明导电层。泰州锦能新能源在湖南常德规划钙钛矿铜铟镓硒叠层电池项目，南京大学在全钙钛矿叠层电池效率高达26.4%，创造世界纪录。

钙钛矿电池-市场格局-设备端

钙钛矿电池设备研发，助力钙钛矿电池成熟商用钙钛矿电池原料用量少，不稀缺，其关键技术壁垒将建立在设备端。

从设备端来看，钙钛矿太阳能电池的制备主要工艺为涂布及PVD（物理气相沉积），生产流程比晶硅类大幅简化，目前处于设备工艺验证阶段。

国产设备厂商有德沪涂膜、众能光电、捷佳伟创、晟成光电（京山轻机子公司）、迈为股份、帝尔激光等

•德沪涂膜深耕狭缝涂布设备，供应协鑫100MW量产线；

•众能光电已对外销售刮涂/涂布一体机、磁控溅射、热蒸发镀、ALD和激光刻蚀机等工艺单机以及光伏组件整线近100台套；

•2022年6月，晟成光伏钙钛矿电池团簇型多腔式蒸镀设备量产，成功应用多个客户端；

•2022年7月，捷佳伟创钙钛矿电池RPD设备（立式反应式等离子体镀膜设备）出厂发货；

•迈为股份、帝尔激光积极推进钙钛矿激光设备。

产业链主要企业还包括亚玛顿、金辰股份、罗博特科、隆基股份、宁德时代、东方日升、通威股份、晶科能源、中来股份、聆达股份、金风科技、杰普特、拓日新能、无限光能、杭萧钢构等。

随着学术界不断刷新钙钛矿电池光电转换效率，初创企业如雨后春笋，传统巨头也准备加深护城河，钙钛矿电池已经来到商业化的前夜。各家企业着力解决大尺寸面积，高性能高稳定性钙钛矿电池组件制造问题。

钙钛矿电池-未来发展关键点

中信证券研究所认为，钙钛矿未来发展的关键点在于：

•1）提升叠层电池器件中钙钛矿顶电池的稳定性和大面积制备是叠层电池迈向产业化的基础；

•2）钙钛矿光电器件装备的研发，激光、蒸镀、磁控和SALD设备和配套工艺方面的积累；

•3）钙钛矿技术产业化发展，需要材料、设备及镀膜等合作开发新型的镀膜材料及相关镀膜设备

•4）传统钙钛矿吸光材料在长期光照加热条件下结构极易被破坏，导致电池性能迅速衰减，稳定性是个世界难题，这一点纤纳光电近期有所突破，但仍需很长的路要走。

钙钛矿电池-思考

在光电转换效率上，钙钛矿确实表现出了远胜于传统晶硅电池的水平。

2021年11月底，柏林亥姆霍兹中心(HZB)的研究人员开发出了一种认证效率高达29.8%的钙钛矿/硅串联电池，打破了2020年12月由英国牛津的Oxford PV公司创下的前纪录29.52%。这两组数据甚至都已经超越晶硅电池29.43%的理论极限，达到了全新领域。

当然有人会说这不是纯钙钛矿电池，那么也有韩国蔚山国家科学技术研究所（UNIST）大学的25.8%效率的单结钙钛矿电池和南京大学研究团队26.7%效率的全钙钛矿叠层电池。还有许多其他路线的钙钛矿电池都能达到22.5%的晶硅电池国标要求。

但效率从来不是光伏电池唯一需要解决的问题，这些了不起的成绩，都是有前提的。

首先，作为实验室项目这些成果对工业生产的指导意义终究有限。

其次是这些电池的尺寸很小，HZB和Oxford PV的电池尺寸分别只有1cm2、1.12cm2（这种尺寸在实验室电池中甚至不算小）；寿命也非常的短，例如500小时标准光照后，UNIST的设备效率就会下降至90%水平。一言以蔽之，都离不开实验室。

这些数据在晶硅电池25年的使用寿命与平米级的组件尺寸面前，只有学术价值，还不值得工业上的关注。

这揭示了当前一种不太好的趋势：在谈及光伏领域的成果时过分强调转化效率，孤立地将之作为衡量标准，有意无意忽视其它条件。这显然过度简化了新技术在投入工业生产时面对的复杂性。