正文开始
目前，太阳能电池以晶硅电池为主，市占率约95%，单晶（PERC）占绝对主流。单晶（PERC）平均转换效率已接近理论极限（24.5%）。在太阳能电池“提效降本”发展大方向下，亟需探索新一代太阳能电池技术。钙钛矿电池因其理论光电转换效率远高于其他技术路线，备受资本市场关注。本篇我们将围绕钙钛矿电池进行初步的梳理。
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钙钛矿及钙钛矿电池
钙钛矿指一类陶瓷氧化物柔性材料，呈现立方体晶形。钙钛矿光伏材料分子式为ABX3，A位离子为大半径阳离子，B位离子为小半径阳离子，X位离子为卤素阴离子。当太阳光照在钙钛矿材料上时，太阳光强度大于禁带宽度时，钙钛矿吸收光子产生电子-空穴对。被激发的电子从价带跃迁到导带上流向电子传输层，空穴流向空穴传输层，电子与空穴流动起来形成外部电流，实现光能向电能的转换。
钙钛矿型太阳能电池（perovskite solar cells），即利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池，属于薄膜电池的一种。
图表：钙钛矿结构示意图
资料来源：reasearchgate、High Tech Campus Eindhoven
图表：钙钛矿实物图
资料来源：reasearchgate、High Tech Campus Eindhoven
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钙钛矿电池技术发展历程
钙钛矿电池技术, 2009年，日本科学家Miyasaka最早应用在染料敏化太阳电池，当时转换效率仅3.8%。后经多国科学家研发迭代，单结钙钛矿太阳能电池实验室转换效率已达25.80%（2021.10）；硅/钙钛矿叠层太阳能电池实验室转换效率达29.80%（2021.11）。
图表：钙钛矿电池转换效率发展历程
数据来源：PV-tech
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钙钛矿电池的主要技术路线
钙钛矿太阳能电池根据结构区别，可分为三条主流技术路线：钙钛矿单结电池、四端钙钛矿/晶硅叠层电池、 两端钙钛矿/晶硅叠层电池。
图表：单结、四端、两端钙钛矿电池结构图（从左至右）
数据来源：化工仪器网、中国科学技术大学
从产业进展来看，目前钙钛矿单结电池国内外已有数家企业进入中试阶段；四端钙钛矿/晶硅叠层电池仅有试验性的尝试，未进入中试阶段；两端钙钛矿/晶硅叠层电池英国牛津光伏进入中试阶段。
图表：单结、四端、两端钙钛矿电池的主要对比
数据来源：高瓴Insights
除上述三条主要技术路线外，学界还在探究钙钛矿型材料适格的具体化合物（ABX3）。根据多家研报，目前，甲铵碘化铅（MAPbI3）是应用最广泛的钙钛矿吸光材料，但该化合物含铅，环境污染问题较难解决。
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钙钛矿电池的优劣势
钙钛矿太阳能电池的优势：1）光电转换效率高；2）制作工艺简单，生产成本和材料成本低；3）受温度影响小。
图表：钙钛矿电池的优势
钙钛矿太阳能电池的存在的几个关键问题：1）稳定性差；2）大面积制备难；3）环保问题。
图表：钙钛矿电池存在的关键问题
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钙钛矿电池的制备工艺
根据上文，目前钙钛矿太阳能电池在中试阶段的主要是钙钛矿单结电池。因此以下我们主要概述钙钛矿单结电池的结构及制备工艺。
1.钙钛矿太阳能电池的结构
探究钙钛矿电池的制备工艺，首先要明确钙钛矿电池的结构。
钙钛矿太阳能电池主要由五部分组成，包括透明导电基底、电子传输层（ETL）、钙钛矿吸光层、空 穴传输层（HTL）、金属电极，具体如下：
1）透明导电基底：一般采用氧化铟锡导电玻璃（ITO） 或者氟掺杂的氧化锡导电玻璃（FTO）。作为其他材料的载体，光线由此射入，将收集到的光电子传送至外电路。
2）电子传输层（ETL）：由致密TiO2和介孔TiO2两层材料组成。其中，致密TiO2用于阻止导电基底与 钙钛矿的直接接触，避免空穴向导电基底传输；介孔TiO2为钙钛矿生长提供框架与支撑，形成多孔TiO2/钙钛矿混合层，用于传输电子。
3）钙钛矿吸光层：典型代表为碘化铅甲胺（MAPbI3， MA=CH3NH3+），用于吸收太阳光产生光电子的活性材料。
4）空穴传输层（HTL）：通常使用Spiro-OMeTAD，用于提取与传输光生空穴。
5）金属电极：通过在空穴传输层外面蒸镀一层金获得，用于传输电荷并连接外电路。
图表：钙钛矿电池的结构及工作原理
数据来源：CNKI
2.钙钛矿电池主要制备工艺
对应钙钛矿的五层结构，电子传输层（ETL）、钙钛矿吸光层、空穴传输层（HTL）为制备工艺的核心环节，最核心环节即钙钛矿吸光层的制备。透明导电基底层可外采导电玻璃或柔性片；金属电极通常通过使用贵金属真空蒸镀获得。
图表：钙钛矿电池主要制备工艺
数据来源：中信建投
针对钙钛矿电池最核心的工艺环节（钙钛矿吸光层的制备），主要包括旋涂法以及气相法。旋涂法又称湿法，气相法又称为干法。
1）旋涂法：旋涂法工艺相对简单，为目前主流的钙钛矿吸光层制备方法。按照步骤的不同可进一步分为一步法、两步法。其中，一步法指将钙钛矿的原料全部加入溶剂中，完全溶解后形成前驱溶液，前驱体溶液旋涂于基板上，溶剂在高速旋转中挥发，溶质留在基板上结晶形成钙钛矿薄膜。两步法指，首先将PbX2溶于溶剂，旋涂在基底上成膜；然后将PbX2浸泡在溶液中或再次旋涂于基板上，与PbX2膜反应生成钙钛矿。
2）气相法：包括物理气相沉积法与化学气相沉积法。气相法适用于大面积器件的制备，同时可以避免旋涂法制备过程中有毒溶剂的使用。另一方面，由于控制前驱体的相对比例并非易事，气相法对设备性能提出较高要求，高质量膜层的制备难度较高。
图表：钙钛矿吸光层的制备工艺比较
数据来源：众能光电
3.钙钛矿电池制备主要设备需求
钙钛矿太阳能电池主要设备包括镀膜设备、涂布设备、激光设备、封装设备为钙钛矿电池制备四大设备，其中，镀膜设备价值占比约50%。
从上述各设备的具体作用来说，镀膜设备主要应用于制备阳极缓冲层、阴极缓冲层、背电极；涂布设备主要应用于制备钙钛矿吸光层、晶化；激光设备主要应用于串联电池等，主要包括激光膜切与激光清边。这三大设备为钙钛矿电池核心设备。
钙钛矿设备/产线投资额经济性显著，这也是钙钛矿电池技术备受资本市场追捧的关键之一。对比晶硅PERC电池，钙钛硅太阳能电池产线投资额仅为其约50%（5/9.6）。
图表：钙钛矿电池组件生产线设备构成
注：以协鑫光电为例。
数据来源：协鑫光电
此外，钙钛矿电池技术下，从原材料到钙钛矿组件仅需单一工厂即可完成，流程简单、生产周期短；而现在主流的单晶硅技术路线，是以产业链形式“硅料-硅片-电池-组件”完成组件交付，流程复杂、生产周期长。
图表：钙钛矿VS晶硅PERC电池产业链投资比较
注：以协鑫光电为例，左为单结钙钛矿产线，右为PERC产线。
数据来源：协鑫光电
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