钙钛矿电池结构、特性及发展阻碍在哪？

相比晶硅，钙钛矿效率和成本空间更为广阔。

钙钛矿电池是由分子式为 ABX3 的钙钛矿材料构成的，其分为无机氧化物钙钛矿和卤族化合 物钙钛矿，后者具备优异的载流子扩散距离、荧光量子效率和载流子迁移率等优势，且禁带 宽度可以调节，这些性能特点适合其应用于光伏领域，目前光伏领域最常用的钙钛矿材料是 CH3NH3PbI3（A 表示 Cs+、CH3NH3+或 CH(NH2)2+；B 表示 Sn2+或 Pb2+；X 表示 Cl-、B r或 I-）。

钙钛矿电池结构主要分为三类：介孔 n-i-p 型、平面 n-i-p 型和平面 p-i-n 型。1）介孔结构， 介孔结构可以支撑钙钛矿层的生长，提升钙钛矿层与电子传输层的接触面积，进而有利于载 流子的传输，介孔型器件表现出更佳的器件性能然而介孔层的制备需要高温锻烧，不便于工 业化的生产。2）平面结构，可以低温制备，适合应用于光伏领域进行大面积制备。平面 n-ip 型和平面 p-i-n 型的差异在于结构完全相反。

单节钙钛矿电池核心膜层有 5 层，导电基底、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层、背电极， 加上封装胶膜和玻璃就完成了组件的生产。 1、透明导电基底（TCO 玻璃）：常见 TCO 玻璃材料主要是 ITO、FTO 和 AZO，其导电材料 不同，制作方法也不同：1）ITO，为掺锡氧化铟，技术成熟、透光性、导电性良好，但是需 要金属铟，成本高，常采用 PVD 方式制作 2）FTO，掺氟二氧化锡，导电性稍差，但成本低， 多用于光伏薄膜电池，主要采用 CVD 的方法 3）AZO，掺铝氧化锌，具备良好的透光性及导 电性，且价格便宜，但量产难度较大，工艺流程尚存在一些问题,主要采用 PVD 方法制作。 2、电子传输层（ETL）：ETL 用于接收钙钛矿层传输的电子并输送到电极，同时阻止空穴传 输，因此需要和活性层能带匹配且接触优良，降低电子传输势垒；目前 n-i-p 结构主要用 TiO 2、 SnO2、ZnO 等金属氧化物，而 p-i-n 则选择有机材料富勒烯及衍生物。 3、钙钛矿层：电池核心层，薄膜质量决定光子的吸收、解离与运输，常用材料为 FAPbI3（或 MAPbI3），其中 FAPbI3具备优异光电性能与较小的离子迁移率，A 位有机的杂化钙钛矿相较 全无机综合性能良好运用广。4、空穴传输层（HTL）：同 ETL 层一样，钙钛矿层产生的空穴将传输至 HTL 再向 TCO 层输 送，也需要优质接触性能；n-i-p 结构材料是有机小分子与无机材料 Spir-OMeTAD、Ni O、 CuO、P3HT等，而 p-i-n 中常使用有机聚合物 PTAA。 5、顶电极：接受并传输电子，材料导电性需优良，如金属材料：金、银、铜，与非金属材料： 碳等，同时也可以用 TCO 做双面发电结构。

光伏电池趋势在于提效降本，相比晶硅，钙钛矿具备高效、低成本的特性。 晶硅电池转化效率目前在逐步贴近其天花板。晶硅理论效率极限在 29%，根据 CPIA ，目前 主流光伏电池技术路线已经在 26%+，接近于理论极限。而钙钛矿单节电池理论极限在 31%， 叠层电池理论效率极限在 45%，具备更高的提升空间。

钙钛矿生产成本，也具备明显优势。投资金额上，量产后 GW 级钙钛矿组件投资额在 5 亿元 /GW 左右，约为晶硅电池组件投资额的一半，同时也减少了中间产品的流转过程，缩短生产制造工艺；制造成本上，预期量产后的钙钛矿组件价格在 0.5~0.6 元/W 的价格，接近晶硅产 品的一半。

循环寿命和大面积制备是制约钙钛矿发展的重要因素，在微观结构以上，则体现为钙钛矿材 料的稳定性问题。

使用寿命可能短于晶硅电池是钙钛矿面临的重要问题，晶硅电池使用寿命达到 25~30 年，目 前看钙钛矿生命周期显著少于这一水平，寿命短与钙钛矿材料的性质有关，1）光、热会影响 钙钛矿材料的稳定性使其易于分解；2）水、氧会与钙钛矿材料发生发应加速材料分解。

钙钛矿的寿命问题，微观结构上体现出的是稳定性。水、氧问题通过封装等方式可以较好的 解决稳定性问题，但是光、热问题需要钙钛矿材料配方的进步来解决，钙钛矿材料的配方是 企业核心壁垒。 对于钙钛矿，生产难点在于大面积制备，这主要与钙钛矿层结晶难度有关。钙钛矿结晶的时 间很短，但是在生产钙钛矿层的过程中，无论涂布法还是蒸镀法，均耗时较长，会导致结晶 度降低，影响转化效率。

另外，在水氧光热等外部因素影响下，电极材料与钙钛矿离子也会发生反应，导致不稳定性。 改进方式主要为钙钛矿材料的改性、增加钝化层阻挡离子迁移、或者对电极材料进行修改。