钙钛矿电池结构、分类、 优势及商业化进展如何？

第三代太阳能电池，商业化进程有望提速。

1. 钙钛矿为第三代太阳能电池，发展前景广阔

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（具有 ABX3 的 化学通式）作为吸光材料的太阳能电池。钙钛矿结构的化学通式为 ABX3，其中 A 位一般为原子半径较小的阳离子（如 Cs+、MA+、FA+等），B 位为原子半径较大的过 渡金属离子（如 Sn2+、Pb2+等），X 为卤素阴离子（I -、Br-、Cl-等）。钙钛矿材料拥 有优越的电荷传输性质、长载流子扩散距离、全光谱吸收和高吸光系数，因而可 以有效吸收太阳光并高效地产生光生载流子,同时减少在光电转换过程中的能量 损失，是较为理想的光电材料。

当前常用的高效率的钙钛矿太阳能电池的结构通常是以透明导电玻璃作为 基底，再是电子传输层（ETL）、钙钛矿吸光层、空穴传输层（HTL）、金属电极。 虽然钙钛矿电池可分为正式、反式；介孔、平面等多种结构，但是其工作原理是 一致的：当钙钛矿吸光层受到光照后，内部激子发生分离产生电子和空穴对，电 子通过电子传输层导出，空穴通过空穴传输层导出，当器件外加负载便能够形成 完整的回路。

根据电子传输层与空穴传输层的位置不同，钙钛矿太阳能电池可分为正式结 构电池（n-i-p）与反式结构电池（p-i-n），其中 n 代表电子传输层（ETL），i 代 表钙钛矿吸光层，p 代表空穴传输层（HTL）。相比于正式器件，反式结构器件具 有多种优点，例如制备工艺更加简单、可低温成膜、无明显迟滞效应、适合与传 统太阳能电池（硅基电池等）结合制备叠层器件等。但是，反式结构器件也存在 一些显著的不足，例如开路电压与理论值差距较大，通常为 1.10 V（类似带隙的 正式钙钛矿电池开路电压大于 1.20 V），导致反式结构光电转化效率相对偏低。 根据电荷传输层的形貌结构，钙钛矿太阳能电池可分为介孔结构和平面结构。 介孔结构相较于平面结构有散光效果好(增加光程增强吸收)、电子传输层与光吸 收层的接触面积大(利于电子的抽取和传输)等优势，但是由于界面粗糙度显著增 大而容易造成界面或光吸收层内缺陷的增多，且制备工艺复杂，能耗较高，因此 应用范围不及平面结构广泛。

钙钛矿为第三代太阳能电池，发展前景广阔。从 1954 年光伏电池诞生世界 第一块太阳能电池，光伏电池技术迭代已经走过三代：（1）第一代是以晶硅为主 的太阳能电池，主要应用场景为集中式光伏电站，目前技术最为成熟，但光电转 化效率已经接近上限，提效降本空间较为有限，边际成本大幅升高；（2）第二代 以薄膜太阳能电池为主，典型代表为铜铟镓硒（CIGS）、碲化镉（CdTe）太阳能电 池，主要应用场景为分布式光伏，实验室小面积试件光电转化效率高于晶硅电池， 但实际应用中光电转化效率低于晶硅，且造价较为昂贵；（3）第三代为新型太阳 能电池，主要包括：钙钛矿电池、染料敏化电池和量子点电池。第三代钙钛矿电 池具备第二代薄膜电池效率提升速率快、成本低、材料可设计性强的优势，同时 随着商业化推进，有望弥补第二代面临的量产表现与理论优势条件差距大的问题。

2.钙钛矿电池具有效率上限高、成本低、可叠层、柔性四大优势

钙钛矿电池光电转化效率上限远高于晶硅电池，是具有革命性的新材料。学 术界通常认为晶硅电池的理论极限为 29.4%，技术极限约为 27.5%，而当前晶硅 太阳能电池实验室最高效率已经达到 26.7%，已非常接近其理论效率天花板。打 破传统晶硅转化效率上限的方式包括新材料与新工艺，钙钛矿是具有革命性的新 材料，而叠层技术是具有革命性的新工艺，单节钙钛矿效率可达 33%，钙钛矿/ 晶硅双节钙钛矿效率可达 45%，三节钙钛矿效率可达 45%。

钙钛矿太阳能电池成熟期投资成本、生产成本较晶硅电池均有优势。投资成 本方面，由于晶硅太阳能电池需要经历硅料、硅片、电池、组件四个环节，因此 需要四个工厂来生产，耗时至少三天，单 GW 投资成本之和约 10 亿元；而钙钛矿 太阳能电池流程可在一个工厂完成，45 分钟即可走完生产流程，成熟期后单 GW 投资成本只需 5 亿元（当前约为 7 亿元+）。生产成本方面，由于钙钛矿材料占成 本比例较小，协鑫光电 100MW 生产线的组件成本小于 1 元/W，预计 5-10GW 级别 的量产生产线的组件成本约为 0.5-0.6 元/W，远低于晶硅极限生产成本 1 元/W。

钙钛矿具有带隙可调的优点，可用于制备叠层电池，以进一步增加转化效率。 通过调整 A、B 和 X 含量可以获得不同组分钙钛矿材料，对应钙钛矿材料的带隙 及能级分布也各不相同。通过对钙钛矿进行组分调控，可实现禁带宽度从 1.2- 3eV 的调节，能够与其他中窄带隙底电池，如晶体硅太阳能电池、钙钛矿太阳能 电池等带隙匹配来制备叠层电池，实现上、下两个电池吸收不同波段的光能，从 而进一步提升转化效率。

钙钛矿可用柔性基板，应用范围可拓展至 BIPV 领域。传统晶硅电池刚性强、 透光性差、难以弯折，因此并不适用于 BIPV，尤其是光伏幕墙领域。应用场景与 BIPV 更为契合的第二代薄膜电池产品，又面临着实际应用中转化效率低，且造价 较为昂贵的问题。待技术成熟后，钙钛矿既可以采用刚性基板方案，与传统晶硅 电池竞争集中式光伏市场；亦可采用柔性基板方案，与第二代薄膜电池竞争分布 式光伏市场。并且从光电转化效率与成本而言，取代第二代薄膜电池的难度要远 低于取代传统晶硅电池的难度，因此我们认为 BIPV 有望成为大规模钙钛矿产线 的优先应用场景与拓展方向。

3.效率、稳定性为商业化核心因素，正处于快速改善阶段

制约钙钛矿商业化的重点影响因素包括成本与效率，其中增效为当下的核心 要素，主要通过提升转换效率与稳定性实现。目前钙钛矿企业降本的路径主要包 括通过提高量产的规模从而摊低单位产能的成本、研发与优化生产线上的设备等； 提效主要通过提升转换效率（增加单位时间发电量）与稳定性（降低衰减速度， 增加工作年限）实现，具体的路径包括技术、材料及设备等系统性细节的改进。 钙钛矿电池（小面积）实验室效率提升迅速，已经远超晶硅电池极限效率。 钙钛矿技术自 2009 年被提出以来，经过十几年的发展，单节钙钛矿电池实验室 效率已从 3.8%提升至 25.7%。叠层电池方面，德国柏林亥姆霍兹中心（HZB）科 学家最新研发的钙钛矿/晶硅叠层电池的光电效率高达 32.5%；经中国计量院第 三方测试认证，北京曜能科技有限公司自主研发的小面积钙钛矿/晶硅两端叠层 电池稳态输出效率达到 32.44%，时隔三个月再次刷新国内转换效率纪录；经日本 JET 第三方认证，仁烁光能团队研发的全钙钛矿叠层电池稳态光电转换效率达到 29%，打破了谭海仁团队在 2022 年 6 月创造的 28%（0.049cm2）的世界纪录。

随着技术、材料及设备的改进，大面积钙钛矿生产线转化效率亦有望持续提 升。事实上，由于大面积试件的工艺与稳定性尚存在一些问题，会导致组件效率 出现损失，当前投产/在建的百 MW 级别钙钛矿产线，转化效率多在 16%-20%的区 间，距实验室转化效率尚存在较大差距。但我们认为，随着技术、材料及设备等 系统性细节的改进，大面积钙钛矿生产线转化效率将持续提升，以协鑫光电为例， 公司规划自身组件效率于 2023 年达 18%；于 2024 年达 20%；于 2025 年达 22%。

钙钛矿材料稳定性尚存在问题，随时间推移会影响转化效率。由于体/表界 面缺陷、A 位阳离子稳定性、离子迁移、相稳定性、应力、器件中各功能层、周 围环境等因素影响，钙钛矿材料对水、氧、热、光、电等外界因素非常敏感，随 着工作时间的推延会影响组件的转化效率。以光照为例，其不仅能够辅助水、氧 分解钙钛矿，而且能够引起钙钛矿材料中离子的迁移和重新排布，从而导致钙钛 矿器件效率的大幅度下降。

近年来钙钛矿稳定性研究进展迅速。针对外在因素，如湿度、温度、光照、 氧气以及冰雹等，研究人员主要通过改善封装技术来提升器件稳定性；针对内在 因素，热不稳定性可以通过调节无机组分来改善，离子迁移可以通过薄膜体缺陷、 晶粒边界、界面钝化和薄膜结晶度提高来改善。当前国内外的研究中，最大光功 率输出点 MPP 处的长期运行稳定性已经达到几千个小时。

纤纳光电α组件已顺利通过 IEC61215、IEC61730 稳定性全体系认证。 IEC61215 和 IEC61730 是国际电工委员会出具的针对太阳能电池的基础标准，是 产品上市的前提条件。纤纳光电的产品稳定性突破历经两个阶段。其中第一阶段， 公司中试级组件 IEC 稳定性核心项目获认证，第二阶段，公司百兆瓦级量产钙钛 矿商用α组件稳定性通过认证。在批量下线的 α 组件（1245mm×635mm）上，第三 方机构系统进行了湿冻、热循环、湿热、爬电、脉冲电压等几十项系列测试，其 中纤纳α组件可以在双 85 测试下工作 1000 小时，还提供 25 年产品材料与工艺 质保，12 年线性功率输出质保，稳定性得到验证。