钙钛矿电池基本结构、优势、产业化瓶颈及方向分析

钙钛矿电池效率、成本优势兼备。

1.降本增效背景下，光伏电池持续迭代

降本增效驱动下，光伏电池基本经历了三个发展阶段： 第一阶段：晶硅电池，主要包括单晶硅电池和多晶硅电池两类，目前已实现商业化，但单晶硅电池生产成本高、制备工艺复 杂、能耗高且会造成环境污染。 第二阶段：薄膜电池，主要包括非硅基薄膜电池、多晶硅薄膜电池、铜铟镓硒和砷化镓薄膜电池等，比硅基电池更能容忍较 高的缺陷密度，在高温下能量转换效率衰减更小，弱光环境仍可以工作，但生产成本高、需要稀缺元素。 第三阶段：新型电池，主要包括染料敏化电池、钙钛矿电池和有机太阳电池等，具有能耗低、成本低、环境友好、原料丰富、 制备工艺简单等优势。

电池结构简洁，钙钛矿层是光电转换核心

反式结构是主流应用，正式结构可以低温制备。钙钛矿电池的基本结构可分为 正式结构（演化自染料敏化电池）、反式结构（演化自有机太阳电池），正式 结构最大优势在于电子传输层可以低温制备，反式结构制备工艺简单、成本较 低，目前反式结构是主流应用。根据阳极结构的不同，正式结构电池可分为平 面型和介孔型，两者基本结构几乎一致，自下而上分别为TCO玻璃、电子传输 层（ETL）、活性钙钛矿层、空穴传输层（HTL）和金属电极，差别在于，介 孔型比平面型多了一层厚度为几百纳米的半导体多孔层。

钙钛矿层是光电转换的核心。钙钛矿层吸收光子产生电子-空穴对，由于钙钛矿 材料的激子束缚能很小，在室温下就能分离为自由的载流子，并分别被传输层 材料传输出去、再被电极收集，形成电流做功，完成整个光电转换过程。

2.钙钛矿电池理论转换效率更高

晶硅电池转换效率提升空间有限。根据前瞻产业研究院数据，晶硅电池理论极限效率为29.43%，TOPCon电池理论极限效率为 27.5%，HJT电池理论极限效率为28.2%-28.7%；目前TOPCon量产效率已达24.6%，HJT平均量产效率已超24%，晶硅电池量产 效率提升空间有限，未来十年内或触及瓶颈。

钙钛矿电池转换效率快速提升、空间更大。用于光伏电池的钙钛矿材料，其A位通常是某种有机基团，B位是金属阳离子X位 是卤族阴离子，共同构成有机无机杂化钙钛矿，以CH3NH3PbI3为例，Pb和6个I组成一个[PbI6]八面体，8个[PbI6]八面体组成 网络架构，CH3NH3+位于网络最中间，起到平衡作用。受益于特殊物相结构，有机无机杂化材料不仅能使半径差别悬殊的离 子稳定共存，还赋予了诸多优异的电化学性能，包括窄禁带宽度、高吸收系数、高载流子迁移率和扩散长度等，这些特性使 得极薄的钙钛矿膜层可以充分利用太阳光谱。另外，钙钛矿材料对杂质的容忍度极高，避免了晶硅常见的LID、PID和LeTID 等光照/升温导致的效率衰减。钙钛矿电池转换效率提升快，且理论转换效率较高，单结可达31%，超过晶硅电池极限，2结叠 层可达40%左右，3结叠层可达50%左右。

3.全钙钛矿是最终方案，TCO/靶材/设备是降本关键

产业化瓶颈：大面积制备

大面积制备是商业化前提，钙钛矿层是最大短板。光伏降本增效背景下，大尺寸电池已成为趋势，然而随着面积增大，钙钛 矿电池的转换效率下降较为明显。主要原因包括：1）各层薄膜的非均匀大面积沉积；2）P2划线边缘处的钙钛矿退化；3）电 池子单元连接中的死区；4）组件串联电阻增加、并联电阻减小。钙钛矿电池大面积制备面临诸多难题，其中最主要的是钙钛 矿薄膜制备。

各方案均存在局限性，后续优化空间较大。旋涂法常用于制备小面积钙钛矿，可通过调整旋涂仪的转速来控制膜层厚度，成 膜稳定且较为均匀，但在大面积制备中，旋涂法的材料利用率较低，难以结合卷对卷大面积制备工艺。目前，大面积钙钛矿薄 膜制备方法主要包括狭缝涂布法、刮涂法、喷涂法及喷墨打印法等，但均存在局限性，标准化方案尚未确定，材料、设备等环 节需要同步优化。

产业化瓶颈：稳定性

稳定性是最大瓶颈，短期难以突破。根据《太阳能钙钛矿电池技术发展和经济性分析》（潘莹，2022年）目前钙钛矿电池持 续光照时间最长约10000h，若按平均日照时长4h计算，理论寿命仅6.8年，相比晶硅电池25年的理论寿命，差距较大。稳定性 是钙钛矿电池的最大瓶颈，目前尚无良好解决方案。

方向：叠层电池助力进一步增效

两端器件已成为主流。通过将宽带隙电池和窄带隙电池串联，能够充分利用全光谱范围内的光子，减少能量损失，是突破单 节电池效率极限的重要方法。钙钛矿叠层电池主要分为两端器件和四端器件，其中两端器件仅需要一个透明电极，有利于减 少寄生吸收，同时封装成本更低，已成为主流叠层路线。

四端器件：独立制备两个子电池，然后堆叠，相互之间只有光学耦合作用；优点是子电池独立制备，可分别采用最优工艺； 不足是对电极要求较高，四个电极得有三个是透明电极。

两端器件：在底电池上直接生长钙钛矿电池，中间通过复合层或隧道结实现串联；优点是仅需一个宽光谱透明电极，且封装 成本更低；不足是传统绒面结构的晶硅底电池提升了顶电池的制备难度，引入蒸镀设备、投资成本提升。

方向：TCO、靶材、设备是降本关键

TCO、靶材及折旧构成主要成本。TCO玻璃及封装材料成本占比约34%；其次是靶材（传输层/金属电极）成本占比约31%； 钙钛矿材料用量较少，成本占比仅3.1%；折旧成本占比约16%；能耗成本占比约13%。

工艺优化与组分选择是靶材降本的主要方式。靶材是传输层和金属电极的基础材料，通过制备工艺的选择与优化，提升靶材 利用率，能够降低材料成本，也能通过材料选择实现降本，目前空穴传输层、电子传输层、金属电极的低成本材料分别是无 机半导体、ZnO、铜或合金。

规模化、国产化及方案优化是设备降本的主要方式。一方面，随着钙钛矿电池加速放量，规模化及国产化是设备降价的关键 动力，其中蒸镀和涂布设备降价空间较大。另一方面，钙钛矿电池制备方案尚未标准化，随着大面积、稳定性等问题逐步解 决，投资成本有望成为设备方案的重要决定因素，其中钙钛矿层、空穴传输层和顶电极降本空间较大。