BOB半岛:钙钛矿行业专题分析：光伏电池的“明日之星”

　　光伏电池根据技术可以分为三类，其中高效电池技术路线为：单晶 PERC→TOPcon→ 异质结（HJT）、全背接（IBC）→背接触异质结（HBC）、TBC、双面异质结（BifacialHJT） →钙钛矿单节/钙钛矿叠层太阳能电池。

　　第一类：硅基太阳能电池，包含单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太 阳能电池。第一代太阳能电池制备成本较高，光电转换效率（PCE）一般，电池器件 稳定很好，使用寿命一般在 20 年左右，目前已经投入市场应用。在晶硅技术路径 里，经历了 Perc-TOPcon-HJT 的三个阶段。

　　第二类：多元化合物薄膜太阳能电池，包括砷化镓（GaAs）、碲化镉（CdTe）、铜铟 镓硒（CIGS）太阳能电池等，这类薄膜太阳能电池的转换效率（PCE）较高，器件稳 定性较好，电池器件制备工艺简单，但电池使用的部分材料元素严重污染环境并且 地球储备量很少，阻碍了这代太阳能电池商业化和工业量产。

　　第三类：新型太阳能电池，包括钙钛矿太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机太 阳能电池、量子点太阳能电池等。这类太阳能电池制备工艺简单、原材料地球储备 量大、光电转化效率较高。

　　钙钛矿泛指化学结构通式为 ABX3 的化合物，合成简单；钙钛矿电池是利用钙钛矿型的 有机-无机杂化金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池。钙钛矿是一个大的原子 或分子阳离子 A（+1 价）在一个立方体的中心。一般为甲胺 CH3NH3 +、甲脒 NH2CH=NH2 +。 立方体的角落被原子 B（+2 价）占据，通常为正二价锡离子 Sn2 +、铅离子 Pb2 +，立方 体的表面被一个更小的带负电荷的原子 X（-1 价）占据，通常为 I -、Br-、Cl-等。钙钛矿 材料属于人工设计的晶体材料，合成工艺简单，材料配方选择较灵活，可设计性强，具 有高光电转换效率、价格低廉、重量轻等优点。

　　钙钛矿电池根据电荷传输方向不同，可分为 n-i-p 型和 p-i-n 型。二者区别在于两种结 构传输层顺序相反。n 代表电子传输层（ETL），i 代表钙钛矿活性层，p 代表空穴传输层 （HTL）。

　　正置结构 n-i-p 型：太阳能电池根据电子传输层结构不同又可分为介孔结构和平面 结构。介孔结构即在透明导电基底上依次沉积致密的 TiO2 电子传输层和 TiO2 介孔 层，介孔层可为钙钛矿的生长提供多孔基底、有效改善薄膜的均匀性、减少缺陷， 同时也是支撑钙钛矿的支架。由于薄膜沉积技术提高了钙钛矿薄膜质量，而介孔型 钙钛矿制备相对复杂，因此现在普遍使用平面型钙钛矿。平面结构不使用介孔支架， 直接制备钙钛矿层，工艺简单，光电转换效率更高。

　　倒置结构 p-i-n 型：钙钛矿作为本征半导体夹在两个电荷选择层之间，其制备工艺 简单、成本低，可用于钙钛矿叠层器件的制备，且迟滞现象几乎可以忽略。相对 ni-p 结构而言，p-i-n 结构钙钛矿太阳能电池最大的问题是效率不高，提高其效率是 目前的研究热点，更适用于柔性电池器件的制备。

　　钙钛矿太阳能电池工作原理与晶硅电池类似，工作原理均为光生伏特效应。钙钛矿材料 介电常数大、激发能低，因此在吸收光子后可以产生空穴-电子对，并在室温下解离。解 离的电子迁移至电子传输层（ETL），空穴迁移至空穴传输层（HTM）。电子和空穴分别经 电池两侧的透明导电电极（FTO）和金属电极收集，并产生电流。

　　钙钛矿太阳能电池按技术路径分为叠层和单结。单结钙钛矿电池即只有一个 PIN 结。叠 层钙钛矿电池主要系钙钛矿分别与钙钛矿、晶硅或薄膜电池进行叠层，拥有多层吸光层。 钙钛矿电池结构：由导电玻璃、电子传输层（ETL）、钙钛矿活性层、空穴传输层（HTL） 和金属电极组成。各层材料可选择较多。

　　TCO 导电玻璃：位于器件最底端，是太阳光和载流子传输的重要部件，其透光率、 表面粗糙度、表面方阻等会直接影响器件性能，常用的刚性基底为透明导电玻璃掺 氟氧化锡（FTO）、氧化铟锡（ITO），柔性基底通常为 ITO/PEN。

　　电子传输层（ETL）：一般由 N 型半导体组成，电子传输层在钙钛矿太阳能电池中起 着至关重要的作用：①影响钙钛矿材料的晶体结构；②有效提取和输运光生电子； ③与光吸收层、电极之间的界面影响载流子输运。电子传输层应与钙钛矿吸光层能 级匹配，且具有电子迁移率大、透光率高等特点。目前电子传输材料主要分为两大 类:金属氧化物、有机化合物，常见金属氧化物电子传输材料主要有 TiO2、ZnO、SnO2 等；有机化合物一般为富勒烯衍生物（PCBM）、C60，C60 更能有效地传输电子和钝 化缺陷，从而减少载流子复合，因此 C60 性能优于 PCBM。

　　钙钛矿活性层：为钙钛矿太阳能电池的核心层，可吸收一定波长范围内的太阳光， 促进光生载流子的解离与输运。一般为有机金属卤化物。

　　空穴传输层（HTL）：一般由 P 型半导体组成，空穴传输材料要与钙钛矿层和对电极 有着合适的能级匹配，既可以高效地进行空穴的提取和传输，又能有效地阻挡电子 的迁移和载流子复合。根据材料组分的不同，空穴传输材料可以分为有机材料和无 机材料（NiO、CuOx、CuI 和 CuSCN）。spiro-OMeTAD 是 PSCs 中使用最早、应用最 广泛的 P 型小分子空穴传输材料。

　　钙钛矿能调整带隙宽度，叠层技术可以提高光电转换效率。据索比光伏网数据，钙钛矿 材料带隙宽度约为 1.2-2.5eV，由于钙钛矿可人工合成，所以钙钛矿能调整带隙宽度，可 将两个具有不同带隙的钙钛矿电池叠层以提高光电转换效率。由于各类材料具备不同带 隙，不同材料叠层可分别吸收不同光谱的光，可叠层以提高光电转换效率。

　　不同材料叠层互补，以钙钛矿/晶硅叠层为主，钙钛矿/晶硅两端叠层电池稳态输出 效率已经达到 32.44%：钙钛矿电池比晶硅电池能更有效地利用高能量的紫外和蓝 绿可见光，而晶硅电池可有效地利用钙钛矿材料无法吸收的红外光。

　　钙钛矿能调整带隙宽度，提高光谱吸收效果，全钙钛矿叠层电池稳态光电转换效率 达到 29%：全钙钛矿两端叠层电池包括两个子电池：宽带隙顶电池和窄带隙底电 池，子电池间通过隧穿复合结以串联的方式连接。叠层器件通过对不同波段的阳光 进行分别吸收，从而可以减少由于电子热弛豫所造成的能量损失，从而提升电池的 光电转换效率。

　　钙钛矿和晶硅叠层实现 1+1＞2 效果，转换效率更高、发展速度最快。钙钛矿太阳能电 池可作为顶电池与硅电池形成叠层太阳能电池，即钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池。钙钛矿 -硅叠层电池可分为两端叠、三端叠和四端叠。目前单结电池实验室效率记录已达到了 25.7%，两端叠电池实验室效率超过 31%；而两端叠电池的理论效率可达 45%，远高于 单结电池的 S-Q 极限效率 33%。

　　两端叠层电池：两端叠层电池是将钙钛矿电池直接旋涂在硅底电池上，通过中间的 透明导电层连接在一起，形成串联电池，两端叠层电池只有顶部和底部两个电极。2015 年由 MIT 大学 Mailoa 课题组首次成功制备，实现 13.7%转换效率（PCE）。目 前两端叠层电池实验室效率超过 31%。

　　四端叠层电池：可以分立的设计上下两个组件，然后通过机械叠层组合在一起，工 艺更加简单，可避免电流匹配对性能限制，因此更有可能实现高 PCE、低成本的叠 层电池。

　　根据晶硅电池类型，叠层电池可包括钙钛矿-PERC、钙钛矿-TOPerc、钙钛矿-TOPCon 以及钙钛矿-异质结四种。根据 2020 年 EUPVSEC 发布了德国弗劳恩霍夫太阳能研究所 的研究报告，据黑晶光电披露：

　　钙钛矿-PERC 电池：主要受限于正表面未钝化的掺磷发射极，这将导致电池 Jsc 与 Voc 的降低，预估效率为 29.0%，其底电池成本约为 0.48 欧元/片，相对较低。

　　钙钛矿-TOPerc 电池（PERC 增加类似 TOPCon 的钝化层）：得益于前表面的全局 钝化及出色光学电学性能，可得到 30.0%光电转换效率。N-TOPCon 层（钝化层） 中的 FCA 部分补偿光学增益，并进一步降低多晶硅厚度。替换掺磷发射极与相应工 艺的改变降低了此叠层概念成本，底电池 0.47 欧元/片。

　　钙钛矿-TOPCon 电池：Pero-TOPCon 通过全面积钝化接触代替局部 Al-BSF 适当提 高了电池效率，约为 30.1%。但是由于背部的银色栅线，底电池成本较高约为 0.54 欧元/每片。

　　钙钛矿-异质结电池：转换效率最高为 30.7％，但是由于设备和工艺耗材成本增加， 底电池成本进一步提高至 0.61 欧元/片。

　　追求高转换效率是光伏电池发展的动力所在。在功率大型化发展趋势以及硅料限制下， 光伏电池发展只有提高转换效率这条路径，而晶硅电池的转换效率逼近材料理论极限效 率，从而发展出了钙钛矿太阳能电池。钙钛矿电池能够实现更高的转换效率，发展空间 大于晶硅电池，以及对降本的追求，量产后的钙钛矿电池成本相较于晶硅电池更低，降 本增效效果更加显著。 钙钛矿弱光性能优异，具备高转换效率。弱光性能与材料带隙数值有关，半导体材料以 1.4eV 为最优带隙，材料带隙越接近 1.4eV 则效率越高。由于钙钛矿可人工设计，因此 钙钛矿材料存在带隙宽度，据中科院物理研究所数据，钙钛矿材料带隙宽度约为 1.2- 2.5eV，所以钙钛矿弱光性能优势优异。对比晶硅材料，晶硅带隙约 1.1eV，远低于钙钛 矿材料带隙最低值。

　　晶硅电池转换效率已逼近极限 29.4%，钙钛矿理论效率高于晶硅电池，发展空间更大。 在理论极限下，晶硅太阳能电池、PERC 单晶硅电池、HJT 电池、TOPcon 电池的极限转 换效率分别为 29.40%、24.50%、27.50%、28.70%。而单结钙钛矿电池理论最高转换 效率达 31%，多结钙钛矿电池理论最高转换效率达 45%，远高于晶硅电池的 29.4%。 现实条件下，晶硅电池可实现的工程极限效率是 27.1%；量产电池方面，根据中国光伏 行业协会（CPIA）预测，到 2030 年，常规 PERC 晶硅电池效率 24.1%，HJT 电池效率 26%，TOPcon 电池效率 25.6%，IBC 电池效率 26.2%，均逐步逼近材料理论极限。

　　钙钛矿电池逐步突破转换效率，效率提升速度明显快于晶硅电池。根据最新的 NREL 最 佳实验室电池转换效率图，单结钙钛矿电池的实验室最高效率为 25.7%，钙钛矿-硅串联 电池的实验室最佳转换效率为 32.5%，远高于晶硅电池的实验室最高效率 27.6%。2009 年第一个钙钛矿电池被生产出来时，其转换效率仅有 3.8%，短短 13 年左右时间，单结 钙钛矿电池实验室转换效率由 3.8%提升至 25.7%，而晶硅太阳能电池转换效率提升花 费约 40-50 年，钙钛矿电池发展迅速。

　　单结钙钛矿电池投资成本优势明显，单 GW 投资成本仅为晶硅电池的一半。据协鑫光电 披露，以 1GW 产能需要的投资金额来对比，晶硅的硅料、硅片、电池、组件全部加起来， 需要大约 9.6 亿元的投资规模，其中晶硅电池生产中硅料厂的投资成本约 3.45 亿元，硅 片厂的投资成本为 4 亿元，电池片厂和组件厂的投资成本分别为 1.5 亿元和 0.65 亿元； 而钙钛矿实现 1GW 产能需要的投资金额仅约为 5 亿元左右，是同级别晶硅电池生产成 本的 1/2 左右，对比第二代 GaAs 薄膜太阳能电池，成本约为其 1/10。

　　钙钛矿电池材料成本低拉低综合成本水平。据协鑫光电数据，单片组件成本结构。