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钙钛矿太阳能电池（perovskite solar cells，PSC）指化学式为 CaTiO3 的矿物质以及拥有为 CaTiO3 结构的金属氧化物。如今，钙钛矿已成为化学式为 ABX3 的物质的术语，正八面体结构，钙钛矿材料具备高光电系数、长载流子扩散长度、可人工合成等特点。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作为吸光材料的太阳能电池。
图丨钙钛矿晶体结构示意图（来源：《钙钛矿太阳电池的制备与稳定性提升研究》林明月） 钙钛矿电池兼具效率和成本优势，替代硅晶电池正当时。 太阳能电池经历了三代技术更新：1）硅晶太阳能电池：以单晶硅、多晶硅为代表，是目前技术发展成熟且应用最广泛的太阳能电池，但仍存在单晶原料要求高及多晶生产工艺复杂等问题；2）化学薄膜太阳能电池：主要以碲化镉（CdTe）、铜铟镓硒（CIGS）、砷化镓（GaAs）为代表，相较晶硅电池具有厚度薄、光电转化效率高等优势，易于进入量产阶段，但仍存在部分金属材料储量稀少或有毒性、材料纯度要求高制备复杂的问题；3）新型太阳能电池：主要包括染料敏化太阳能电池（DSSCs）、钙钛矿太阳能电池（PSCs）、量子点太阳能电池（QDSCs）等，具有效率提升速度快、成本低等优势，备受学术界和产业界的广泛关注。 《麻省理工科技评论》持续寻找全球范围内能源领域的“聪明公司”，官方申请入口：https://tr50.。 钙钛矿电池光电转化效率高于晶硅电池。根据权威测试机构德国哈梅林太阳能研究所（ISFH）测算，普通单晶硅太阳能电池理论极限转换效率为 24.5%，HJT 电池理论极限转换效率为 27.5%，TOPCon 电池理论极限转换效率为 28.7%。而单结钙钛矿电池理论极限转换效率高达 31%，加入叠层技术后进一步提升。钙钛矿电池转换效率极限高主要原因在于其禁带宽度适宜、钙钛矿材料带隙宽度可调以及无组件效率损失。 钙钛矿太阳能电池叠层电池效率屡破纪录，助推产业化加速。单结电池相较于多结叠层电池效率更低，主要为平面反式结构，目前在市场上广泛应用。多结叠层电池则主要通过叠层方式与 HJT、IBC 等电池组合，实现吸收光谱互补，可以突破传统晶硅电池理论效率极限，提升光伏电池转换效率。目前两端叠层电池效率已经突破 28%。钙钛矿双节钙钛矿效率极限高达 35%，三节钙钛矿理论极限效率为 45%。 钙钛矿晶硅叠层电池结构有多种。2-T 叠层电池又称集成一体化结构，是指在硅电池上生长钙钛矿电池，采用中间层连接两个子电池；4-T 叠层电池又称为机械堆叠结构，是指将带隙较大的钙钛矿电池作为顶电池，将带隙较小的晶硅电池作为底电池，通过简单堆叠形成叠层电池，顶电池和底电池分别保留其正负极，构成 4 个终端结构。另外，还有光谱分离的四端叠层电池、反射结构的四端叠层电池、两端叠层等。
图丨 a)机械堆叠的四端叠层电池、b)光谱分离的四端叠层电池、c)反射结构的四端叠层电池、d)两端叠层电池(来源：《 钙钛矿/晶硅叠层太阳电池关键材料与技术研究进展》 李梓进等) 根据最新 NREL 认证图表统计，2023 年共六种光伏电池效率世界纪录被刷新。
图丨 NREL转换效率认证图 如 2023 年 6 月，经欧洲太阳能测试机构（ESTI）权威认证，隆基绿能在商业级绒面 CZ 硅片上实现了晶硅-钙钛矿叠层电池 33.5% 的转换效率，再次刷新电池转换效率世界纪录。仅是原料钙钛矿材料的制备，一次就需要十几个小时，而电池效率每 0.1% 的提升，背后都是上百个材料的摸索与试验。隆基团队作为国内最早开展叠层电池研究的团队之一，从去年 12 月 31 日认证 29.55% 到今年 3 月认证 31.8%，再到今年 6 月 14 日认证 33.5%。在半年内效率绝对值提升了 3.95%，成功使得钙钛矿叠层电池效率上了一个新台阶。 钙钛矿电池发电量高，打通光伏电池堵点。由于其具有抗衰减性强、低温度系数、吸收系数高且弱光效应好等优点，钙钛矿电池有效解决了光伏产业发电效率不稳定，受天气影响大等产业难点。 抗衰减性强：钙钛矿电池无 PID 效应与 LID 效应。PID 效应又称电势诱导衰减，电池片与其接地金属边框间高电压作用下出现离子迁移，大量电荷聚集于电池片表面使其表面钝化，最终导致组件效率下降。LID 效应是指光致衰减效应，一般发生于 P 型掺硼硅片制作的电池片中。但 PID、LID 效应不会显著影响钙钛矿的发电量。产业头部之一协鑫光电就表示，目前大多数先进实验室已经可以实现钙钛矿组件连续工作至少 1000 小时不衰减，协鑫光电 100MW 产线下线产品的使用寿命预计将超过 25 年。 具有低温度系数：相较晶硅低两个数量级，高温条件下效率受影响较低。晶硅组件的温度系数是 -0.3 左右，即温度每上升 1 度，功率会下降 0.3%。而钙钛矿的温度系数为 -0.001，接近于 0，因此实际发电效率就会显著高于晶硅。 吸收系数高：光吸收系数是指在单位浓度及单位厚度时的吸光度。钙钛矿层厚度为百纳米，晶硅电池光吸收系数仅 10^3cm-1，而钙钛矿吸收系数达 10^5cm-1，光系数高，弱光效应强，阴天及室内等弱光条件下转换效率更高。 钙钛矿电池相较于晶硅电池投资成本、生产成本均较低。钙钛矿电池从最基础的原材料开始到最终组件出厂全生产过程均在组件厂完成， 产线为高度的一体化生产。晶硅电池则不同，需要至少在四个不同的工厂分别加工硅料、硅片、电池、组件，单位制程至少需要 3 天以上，同时还需要大量的人力、运输成本等。根据协鑫光电的数据，钙钛矿太阳能电池的生产流程较为简单，仅需 45 分钟就可将玻璃、胶膜、靶材、化工原料等在一个工厂内加工成组件，极大地缩短了制程耗时，简化了流程，价值高度集中，成熟期后单 GW 投资成本将降至 5 亿元，仅为晶硅电池厂的一半。
图 | 钙钛矿电池生产流程与晶硅电池有较大差异（来源：协鑫光电） 钙钛矿产业化加速，投融资事件密集。 从钙钛矿行业产线规模、项目进展来看，2022 年是钙钛矿产业化元年。在这一年钙钛矿产业界不仅稳定产出合格的产品，按时完成出货和工程建设，还在终端顺利并网发电。随着产业化推进，相关企业投融资事件也变得活跃，钙钛矿领域新设立的初创企业已达数十家。有了资本的持续输血，可以预见，2023 年-2024 年产业扩产将加速，将出现更多百 MW 级产线投产、部分 GW 级产线招标，2025 年或提前步入成熟商业化阶段。
图丨钙钛矿领域初创企业及产业化进展（来源：公司官网、网络整理） 钙钛矿生产核心在于激光刻蚀及镀膜。 激光刻蚀工艺：激光工艺涉及到整个钙钛矿薄膜电池的制备流程， 是整个生产流程中的必备环节。钙钛矿电池生产过程中需要分别进行 3 次平行激光刻蚀（P1-P3）， 并完成清边。
图丨钙钛矿电池激光划线工艺流程（资料来源：《Scalable fabrication and coating methods for perovskite solar cells and solar modules》 Nam-Gyu Park, Kai Zhu） 狭缝涂布是主流。涂布法主要包括刮刀涂布法、狭缝涂布法等方法。刮刀涂布法优点是可大面积制备，设备要求低，维护简单，而缺点是材料利用率低；狭缝涂布法优点是可大面积制备，可连续生产，材料利用率高，但对设备精度要求高。另外，狭缝涂布工艺已经广泛应用于锂电、LCD、集成电路等领域，因此国内狭缝涂布产业集中度高、技术相对成熟。虽然涂布模头设计因场景而异，钙钛矿电池和 LCD 的涂布要求较为接近，厂商也近似。随着钙钛矿电池逐步放量，LCD、锂电、半导体等涂布设备制造商或将布局钙钛矿领域，如德沪涂膜、大正微纳、协鑫光电、纤纳光电等，依托产业领头企业，钙钛矿狭缝涂布设备有望加速国产化。
图丨狭缝涂布钙钛矿薄膜的示意图（资料来源：《 大面积钙钛矿薄膜制备技术的研究进展》（ 杨志春等））
图丨乱刀涂布工艺示意图（资料来源：《 大面积钙钛矿薄膜制备技术的研究进展》（ 杨志春等）） PVD 工艺：在制备空穴传输层、电子传输层时，常使用 PVD（ 物理气相沉积）的真空镀膜工艺， 具体可分为蒸镀、磁控溅射和离子镀（RPD） 等。蒸镀：在真空状态的容器中用某种方法使薄膜物质气化，并沉降在基片表面形成薄膜。蒸镀的成膜速率与成膜纯度高，技术成熟度高，但薄膜附着力一般。磁控溅射：用高能等离子体轰击靶材，并使表面组分以原子团或离子形式被溅射出来，并沉积在基片表面，经历成膜过程，最终形成薄膜。磁控溅射得益于磁场可控特性，制备的膜厚也可控，重复性好，薄膜附着力强，技术成熟，但薄膜中间厚两边薄；离子镀：在真空条件下， 利用气体放电使工作气体或被蒸发物质（ 膜材） 部分离化，在工作气体离子或被蒸发物质的离子轰击作用下， 把蒸发物或其反应物沉积在被镀基片表面。离子镀成膜质量更高，但靶材利用率一般。 涂布工艺和镀膜工艺都是钙钛矿电池核心层生产主要工艺，产业相关企业均有使用。虽然 PSC 有着许多优势，而且效率已超过传统硅电池，但是其稳定性不足，一直是阻碍 PSC 产业化的最大障碍。 为了解决 PSC 稳定性不足，需要领域内“聪明公司”和学术界一同攻克相关难题。今年 7 月，瑞士洛桑联邦理工学院、加拿大多伦多大学、美国肯塔基大学团队合作发布研究成果，利用氟化苯胺将 PSC 效率提升到 24.09%；并且，在 85℃ 实现了 PSC 光照下 1560 小时的连续稳定性，而效率衰减只有 15%。 相关论文以《工程配体反应性使钙钛矿太阳能电池能够在高温条件实现稳定运行》（Engineering ligand reactivity enables high-temperature operation of stable perovskite solar cells）为题发表在 Science。 自《麻省理工科技评论》成立之初，就一直关注那些正在颠覆现有格局并创造新的市场机会影响人类社会的技术，以及那些正在从实验室走向市场即将商业化的技术。在此基础上，也高度关注将这些技术落地，并用这些技术影响我们生活的聪明企业。
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