编者按：钙钛矿作为新一代薄膜太阳能电池，其理论极限效率高达45%，目前实验室效率已经突破30%，同时原料和制造成本远低于晶硅电池，随着产业链不断进步，技术成熟，有望成为下一代主流技术。本文由瑞鹏资产赵圣斌为您具体解析钙钛矿太阳能技术。
钙钛矿太阳能技术解析
一、钙钛矿材料介绍
钙钛矿是一种分子通式为ABX3 的晶体材料，呈八面体形状，光电转换效率高，是最具潜力的下一代光电材料之一。
钙钛矿是一种具有很强光-电转换效率的材料结构，应用广泛关注度高。钙钛矿最早是1839 年德国科学家发现了元素组成为CaTiO3 矿物，后来人们将具有这种晶体结构的物质统称为钙钛矿。在钙钛矿八面体结构中，A 是较大的阳离子，B 是较小的阳离子，X是阴离子，每个A 离子被B 和X 离子一起构成的八面体所包围。
钙钛矿材料由于其光吸收系数高、载流子迁移率大、合成方法简单等优点，被认为是下一代最具前景的光电材料之一。
图1：钙钛矿结构示意图
光伏领域是钙钛矿结构材料的主要应用领域之一。钙钛矿结构可设计性强，具有非常好的光伏性能，是光伏近年来的热门研究方向。LED 领域是钙钛矿结构材料的另一重要应用领域，是下一代照明或显示器LED 的重要发展路径。除了光伏、LED 领域之外，钙钛矿还在金属-空气电池、固体氧化物燃料电池、催化剂、磁制冷材料、自旋电子学器件、氧分离膜、气敏材料、多功能导电陶瓷材料等方面具有广泛的应用，是极具发展潜力的新兴材料。
二、钙钛矿太阳能电池简介
当前太阳能电池发展包括三代：
第一代：以单晶硅、多晶硅为代表的硅晶太阳能电池，目前该技术已经发展成熟且应用最为广泛，但存在单晶硅太阳能电池对原料要求过高，以及多晶硅太阳能电池生产工艺过于复杂等问题。
第二代：薄膜太阳能电池，以碲化镉（CdTe）、砷化镓（GaAs）为代表的的太阳能电池成为研究热点，该技术与晶硅电池相比，所需材料较少且容易大面积生产，成本方面优势较明显。
第三代：基于高效、绿色环保和先进纳米技术的新型薄膜太阳能电池，如染料敏化太阳能电池（DSSCs）、钙钛矿太阳能电池（PSCs）和量子点太阳能电池（QDSCs）等。
图2 太阳能电池技术的发展
钙钛矿太阳能电池（PSCs）是利用钙钛矿结构材料作为吸光材料的太阳能电池，属于第三代太阳能电池。钙钛矿太阳能电池的工作原理：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，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。有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池禁带宽度约为1.5eV，消光系数高，几百纳米厚的薄膜即可充分吸收800nm 以下的太阳光。
三、光伏领域的新希望
钙钛矿太阳能电池（PSCs）是第三代高效薄膜电池的代表，凭借良好的吸光性、电荷传输速率、巨大的开发潜力，实现了高效率、高柔性、低成本，被誉为“光伏领域的新希望”。钙钛矿太阳能电池还可通过与HJT 叠层进一步提升光电转换效率，是未来产业化的重点发展方向。
优点1：光电转换效率
晶硅类太阳能电池经过几十年的发展，目前已经接近效率极限，仍无法满足“光储平价上网”的产业目标。
图3 晶硅太阳能电池光电转换效率
PSCs 光电转换效率提升速度明显高于晶硅类。钙钛矿太阳能电池（PSCs）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%。
钙钛矿带隙宽度可调，可制备高效叠层电池。钙钛矿可制备2 结、3 结及以上的叠层电池，其中2 结叠层电池有钙钛矿-钙钛矿和钙钛矿-晶硅叠层电池两种，转换效率可提高到40%左右，3 结及以上钙钛矿叠层电池的理论转换效率更是能达到50%左右。
优点2：组件成本较晶硅大幅降低
PSCs 产业链显著缩短，原材料到组件仅需45 分钟。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。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。
图4 钙钛矿与晶硅的工艺流程对比
PSCs 产能投资是晶硅的二分之一，1GW仅为5 亿元。协鑫光电总经理范斌指出，晶硅1GW 的产能（硅料、硅片、电池、组件）投资在11.6 亿；而协鑫纳米钙钛矿的第一条100MW 设备产线投资在1 亿元，未来如规模量产后将进一步降低。
PSCs 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。
图5 钙钛矿太阳能电池优势
发展制约：稳定性、大面积制备、环保性待突破
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。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。
目前PSCs 大面积模块的效率仍远低于小面积，是制约产业化的另一难题。小面积电池与大面积模块之间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）尺寸增大时，钙钛矿层的缺陷也增加，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。
总结：随着目前光伏市场主流技术PERC 效率逐步接近天花板，HJT、TOPCon、xBC技术发展如火如荼，钙钛矿太阳能电池作为下一代光伏新势力，光电转换效率持续提升，将成为光伏厂商未来布局的重中之重。瑞鹏资产将持续关注钙钛矿领域的技术发展，寻找优质投资标的。
