钙钛矿电池工作原理、优势、结构、产业化进展及供需如何？

提效快、成本低，钙钛矿潜力十足。

1.钙钛矿电池工作原理

钙钛矿作为一种半导体材料，会产生光生伏特效应，即半导体在光照下会产生电动势。其光电转化过程主要包 括以下几个过程：

1）钙钛矿光电吸收层（Perovskite）具备高光吸收系数，吸收太阳光后容易产生电子-空穴对，并在室温下 被热化后会形成激子，然后发生电荷分离，光生电子跃迁到吸光层的LUMO能级上，光生空穴跃迁到吸光层的 HOMO能级上。

2）分离的自由电荷具有长的载流子寿命和扩散距离使得它们能够在复合前被有效的提取和传输，其中电子传 输层（ETL）提取并传输电子且能够快速地阻挡空穴 ，同时对应的空穴传输层（HTL）提取并传输空穴且也 能够快速地阻挡电子。

3）被提取地载流子经过传输层传输进一步被相应的阳极导电玻璃（photoanode）和阴极金属电极（ counter electrode）所收集并经过负载外电路形成回路。

2.钙钛矿优势：效率进展迅速，理论极限高

晶硅电池效率即将接近极限，下一代钙钛矿潜力充足。晶硅电池经过40余年的发展，实验室转换效率逼近 27%，接近极限；钙钛矿电池具备光电损失小、带隙可调节特点， 叠加叠层技术，可实现接近两倍晶硅电池 效率，潜力充足。

晶硅电池理论效率极限为29.4%，目前最高效率已达到26.8%。晶硅太阳能电池被俄歇复合限制在理论效率为 29.4%,考虑到现实中的光学损失与电学损失，最终可以达到的效率上限可能进一步降低至27%；2017年日本 的Kaneka公司研发的HJT电池以26.7%晶硅电池效率最高记录保持5年，2022年12月隆基HJT效率达26.81%， 成为新世界纪录。

3.钙钛矿电池结构：单结电池+叠层电池各有特点

钙钛矿电池目前研究进展主要分为单结电池和多结叠层电池。钙钛矿单结电池不需要依托PN结就能产生光生 伏特效应，结构简单，仅有五层；由于钙钛矿带隙可调节，因此可以搭配其他半导体材料进行叠层，叠层后的 多结电池可以覆盖大部分带隙，实现光子全方位吸收，实现电池效率成倍增长。

单结电池产业化生产主要为平面反式结构。单结钙钛矿电池结构可分为介孔结构和平面结构，平面结构又可分 为正式结构和反式结构；透明导电电极、电子传输层、钙钛矿光电吸收层、空穴传输层、金属电极为主要结构 要素；由于平面反式结构具备可低温制备、稳定性较高优势，目前广泛用于产业化生产。

钙钛矿/晶硅叠层研究进展领先，两端叠层方式具备产业化生产前景。目前主流钙钛矿叠层技术为：钙钛矿/晶 硅叠层、钙钛矿/钙钛矿叠层、钙钛矿/ CIGS叠层，由于钙钛矿/晶硅叠层具备底电池（晶硅电池）技术成熟稳 定的优势，在诸多叠层中研究进展最快，实验室效率领先。两端叠层方式，是指子电池通过互联界面串联，仅 需一个透明电极，成本较低，在工艺方面具备发展前景。

钙钛矿电池结构—单结

 单结电池结构主要分为介孔结构和平面结构，平面结构又被分为正式结构(n-i-p)和反式结构(p-i-n)。根据有 无介孔骨架电子传输层（mesoscopic layer），区分介孔结构和平面结构；根据透明导电电极上先为电子传 输层，还是先为空穴传输层，区分正式结构和反式结构。  平面反式结构器件可低温制备、稳定性好，是产业化生产的主流结构。介孔结构的介孔层需要高温制备，工艺 难度较大，平面结构没有介孔层，可低温制备，节省能源；反式结构采用无机金属氧化物替代有机物SpiroOMeTAD作为空穴传输层，稳定性较好。

钙钛矿电池结构—介孔结构

介孔结构类似三明治层状结构，结构简单，主要分为5层：1）透明导电电极：主要作用是将收集到的电子传输 到外电路，同时具备较高光透过率，目前主要采用FTO玻璃。2）介孔电子传输层：将钙钛矿受光子激发后的 电子提取出来，同时阻挡空穴向阴极方向迁徙；具备较高光透过率，便于更多光子照在钙钛矿吸收层上；介孔 为钙钛矿吸收层提供骨架支撑的作用；主要材料是TiO2。3）钙钛矿吸收层：受到光子激发，形成电子-空穴对， 产生光电效应。4）空穴传输层：传输空穴，阻止电子传输；主要材料是有机物Spiro-OMeTAD。5）金属电 极：传输电子，主要材料是银。

介孔能够作为骨架支撑钙钛矿，但是高温制备，工艺难度大。介孔有钙钛矿支撑骨架作用，增大钙钛矿吸收层 与电子传输层的接触面积，有效提高电子传输效率；介孔层的制备通常需要400-500℃的高温退火处理，增加 了工艺难度。

钙钛矿电池结构—平面结构

平面结构相对于介孔结构少了介孔层，可低温制备。平面结构直接在致密TiO2电子传输层上旋涂钙钛矿，结构 相对介孔结构简单，能够用低温溶液法制备，更利于柔性电池、叠层电池和大面积电池的发展。 正式结构和反式结构主要区别是，光先透过电子传输层还是空穴传输层。对正式结构而言，透明电极上为电子 传输层，太阳光穿过透明电极后，透过电子传输层再到吸光层；对反式结构而言，透明电极上为空穴传输层， 太阳光穿过透明电极后，透过空穴传输层再到吸光层。

 反式结构尽管效率不及正式结构，但迟滞较小、填充率较高、稳定性更好，适合量产。目前钙钛矿最高效率 25.7%是正式结构，反式结构经过多年发展也达到了24.3%的效率，与正式结构差距减小。反式结构的主要优 势在于，光先透过空穴传输层，可以使电池迟滞性较小，填充率较高。另外，正式结构空穴传输材料多为有机 物Spiro-OMeTAD，同时为了增加导电性通常需要添加对水氧敏感的Li盐、Co盐等，尽管获得了高效率但也 牺牲了器件的稳定性；反式结构空穴传输层材料多为无机金属氧化物(如NiOx、CuO等)，器件稳定性好。

钙钛矿电池结构—叠层

叠层结构分为窄带隙底电池、互联结/隧穿结、宽带隙顶电池三部分。宽带隙电池作为顶电池吸收较高能量光 子，窄带隙电池作为底电池吸收较低能量光子，实现子电池对太阳光谱分段利用，从而避免高能光子的热化损 失，提高太阳能利用率和电池光电转换效率。钙钛矿ABX3通过改变 A、B、X组分可实现带隙宽度从 1.17~2.8 eV 调节，能够与其他中窄带隙底电池匹配。

两结叠层电池为主要应用方向，钙钛矿/晶硅叠层目前效率最高。叠层的结数越多，理论上可以获得更高的效 率，但是考虑到成本，目前两结叠层电池为主要应用方向；钙钛矿/晶硅叠层和钙钛矿/钙钛矿叠层的电池效率 较高，分别为32.5%和28%，成为目前叠层电池研究领域的焦点，钙钛矿/CIGS 叠层电池效率也获得了很大提 升，成为下一代光伏电池很有潜力的竞争者。

钙钛矿电池结构—钙钛矿/晶硅叠层

钙钛矿/晶硅叠层，是以晶硅作为底电池。晶硅电池带隙较窄，只有 1.12eV，作为叠层的底电池，宽带隙（ 1.67eV-1.75eV）的钙钛矿作为顶电池。 晶硅电池作为底电池较为稳定， HJT与钙钛矿叠层最为适配。晶硅电池工艺成熟，作为底电池较为稳定，相 比其他类型叠层具备潜在的低制造成本； HJT由于具备良好的非晶硅钝化层、对称结构以及透明导电氧化物（ TCO），与钙钛矿层最为适配。

互联层结构和材质都会造成光电损失。1）互联层结构方面，可以分为平面和陷光结构，平面结构光发射强， 不利于透光；陷光结构，光反射弱，但表面凹凸不平，均匀涂抹钙钛矿是一大挑战。2）互联层材质方面，多 使用TCO，其中最常见的TCO是铟掺杂氧化锡（ITO），具有优良的电导率和光透射率，然而 ITO 折射率与硅 基底不匹配，造成800nm 以上波段光反射损失。

钙钛矿/晶硅叠层拥有叠层结构最高效率32.5% ，改善互联层材质和钙钛矿顶电池稳定性是突破口。缘于晶硅 底电池的稳定性，钙钛矿/晶硅整体稳定性最强，研究进展最快，实验室效率最高，德国HZB研究中心22年12 月认证最高效率32.5%；a-Si:H 和 nc-Si:H 材料具有横向电导率、寄生损耗和反射损耗低的特点，成为叠层电 池中互联层的理想材料；除此之外，和单结电池一样，提升钙钛矿电池本身光电性能，也是叠层电池的核心点， 比如通过添加剂工程，降低非辐射复合。

钙钛矿/钙钛矿叠层，是通过人工分别合成宽带隙和窄带隙钙钛矿。由于钙钛矿带隙可调节，将窄带隙（ 1.25eV左右）钙钛矿作为底电池，宽带隙（1.75eV左右）钙钛矿作为顶电池。 钙钛矿/钙钛矿叠层目前效率逐渐赶上钙钛矿/晶硅叠层，度电成本更低，工艺更简单。钙钛矿/钙钛矿叠层， 两个子电池带隙均可以灵活调节，能够最大程度上实现太阳光谱高效利用，使得开路电压超过了钙钛矿/晶硅 叠层电池，目前钙钛矿/钙钛矿叠层最高实验室效率为 29%（南京大学谭海仁团队）。钙钛矿/晶硅叠层度电 成本为5.22美分/KWh，钙钛矿/钙钛矿叠层度电成本为4.22美分/KWh ，低于晶硅叠层。钙钛矿/钙钛矿叠层 是在玻璃上涂抹顶电池，相比钙钛矿/晶硅叠层在晶硅绒面上涂抹钙钛矿工艺简单。

相比钙钛矿/晶硅叠层，全钙钛矿叠层除了需提升宽带隙钙钛矿和互联层性能，还需解决窄带隙钙钛矿不稳定 问题。窄带隙钙钛矿主要含锡，锡离子易氧化导致钙钛矿不稳定；窄带隙电池沉积过程中存在溶剂对宽带隙钙 钛矿电池降解的风险。目前对窄带隙钙钛矿稳定性的提升，主要采用和宽带隙钙钛矿相似的添加剂工程。

4.技术+政策+资金助力，产业化曙光初现

钙钛矿电池产业化受制，材料稳定性先天缺陷

降本增效显著，但稳定性存在先天缺陷。钙钛矿电池相较晶硅电池有显著降本增效优势，但钙钛矿及电池器件 各材料稳定性存在先天缺陷，容易导致组件在运行过程中寿命衰减。钙钛矿电池组件的不稳定性主要来自于钙 钛矿材料自身的不稳定，以及器件各层材料之间的接触面对器件性能的影响。

离子晶体结构，钙钛矿材料具备不稳定性。钙钛矿自身的不稳定性可分为：1）物理不稳定性，即材料本身分 解能较低，离子容易发生扩散，温度或者组分的差异会导致钙钛矿材料发生成分偏析或者相分离，影响钙钛矿 层的光电性能和长期稳定性；2）化学不稳定性，即钙钛矿具有离子键合特性，并且组成离子均为离子势较小 的“软”离子, 且含有较易分解的有机铵离子, 这使得钙钛矿体系形成能较小、缺陷密度较高、各组分反应活 性大，容易与环境中的水分子、空气发生反应，光照下发生相分离，同时大量缺陷的存在也使得离子迁移很容 易发生，是钙钛矿太阳能电池存在“迟滞”现象的重要原因，离子迁移的累积会造成钙钛矿晶体结构的崩塌， 极大地损害器件的长期稳定性 。

钙钛矿电池产业化受制，大面积制备有难度

实验室效率进展迅速，产业化阶段电池效率随组件面积放大而衰减。目前钙钛矿电池实验室效率进展迅速，然 而大多为1cm以下的小面积薄膜，产业化阶段随组件面积放大，制作工艺难度提升，电池效率呈现衰减趋势。 制备大面积钙钛矿薄膜电池，设备、工艺、配方三个环节都不可或缺。

涂布均匀度需要设备与工艺精密配合。目前商业化主流采用狭缝涂布，生产节奏较快，涂布机自带封闭，对环 境容忍程度高。涂布工艺核心是根据不同膜厚、溶液特性来涂抹，针对不同材料体系，其粘度、配方不同，涂 布的速度以及对均匀度要求也不同。涂布设备难点在于：1）涂布模头精度要求非常高，价值昂贵且多为进口。 锂电池涂布机精度50微米，而狭缝涂布机（以德沪为例）精度达到20纳米；2）泵抽取溶液、转动轴电机速度 均匀；3）调令以及集成系统、控制系统需要配合材料体系和制备工艺。

结晶过程控制晶体生长以提高稳定性与寿命。结晶环节是组件尺寸放大和大规模连续制造的最主要挑战。晶体 的尺寸、均一性和贯穿率直接体现了结晶环节的工艺水平，不均匀结晶会导致电池内部电阻率升高、转换效率 下降，同时晶粒越大缺陷影响越小，电池效率越高。目前各厂商结晶环节各有优势，已有方式：1）在涂布环 节进行结晶预处理、采用在线结晶方式改善后续晶体生长；2）采用两步法，先蒸镀后涂布，利用有机组分扩 散反应提高结晶质量；3）利用自身经验储备自研及改进结晶所用设备、退火炉等，提高加热均匀度。

5.PART5 市场空间广阔，钙钛矿前景星辰大海！

供给端：2025/2030钙钛矿市场空间分别为38/950亿元

2025年钙钛矿组件市场空间达37.5亿元，2030年达950亿元。按照各家厂商发布的量产规划，2023年合计 钙钛矿组件产能1.25GW，2025年7.4GW，预计组件市场空间约37.5亿元，2030年钙钛矿组件产能预计 142GW，对应市场空间约950亿元，2022-2030CAGR达128%。

供给端：钙钛矿材料端空间测算

钙钛矿需求高增带动设备及原材料需求空间广阔，预计2030年设备及原材料空间达239/490亿元。若2030年 钙钛矿组件产量为95GW，产能对应设备市场空间为239亿元，其中镀膜/激光/涂布/封装设备为别为 120/60/36/24亿元；对应钙钛矿材料市场空间28亿元，玻璃市场空间259亿元（FTO玻璃182亿元，背板玻 璃77亿元），封装材料市场空间98亿元（POE胶膜及丁基胶各49亿元），靶材市场空间105亿元，玻璃及靶 材因单位成本占比较高，价值量空间较大。

需求端：BIPV钙钛矿电池为理想材料

BIPV为光伏未来应用的重要场景：光伏建筑一体化（BIPV）为将光伏组件集成到建筑上的分布式发电系统， 主要应用场景包括屋顶、幕墙、窗户、围栏等，其中立面和光伏屋顶为主要应用方向。

钙钛矿为BIPV应用的理想材料：1）钙钛矿组件更轻薄、柔韧性好更好，可塑性高，可以任意弯曲，在BIPV 中应用更广泛；2）相较于晶硅电池透光性更强，可以满足建筑物对于不同光照强度的要求；3）钙钛矿组件具 有颜色可调的特点，可以根据需求生产出不同颜色的组件，美观性更强；4）在阴天和人造光环境下也有较高 的转换效率，发电较为稳定。