钙钛矿太阳能电池行业研究

钙钛矿来源

钙钛矿是以俄罗斯矿物学家LevPerovski的名字命名的，是一种具有与矿物钙钛氧化物（最早发现的钙钛矿晶体CaTiO3）相同的晶体结构的材料。通常，钙钛矿化合物具有化学式ABX3，其中A和B代表阳离子，X是与两者键合的阴离子，大量不同的元素可以结合在一起形成钙钛矿结构。ABX3结构的有机金属卤化物钙钛矿材料由于具有光吸收系数高、载流子迁移率大、合成方法简单等优点，被认为是下一代最有前景的光电材料之一。其中，甲铵碘化铅（MAPbI3）是应用最广泛的钙钛矿吸光材料。

钙钛矿太阳能电池（Perovskitesolarcells,PSCs）的结构来源于染料敏化电池（DSSCs），以有机金属卤化物作为吸光材料，以固态空穴传输材料代替液态电解质。基本原理是当太阳光入射到电池吸收层后随即会被吸收，光子的能量将原来束缚在原子核周围的电子激发，使其形成自由电子，电子被激发后就会同时产生一个空穴，激子被分离成电子与空穴后，分别流向电池的阴极和阳极，形成电流。以全固态钙钛矿结构作为吸光材料的太阳能电池，消光系数高，几百纳米厚的薄膜即可充分吸收nm以下的太阳光。

钙钛矿太阳能电池结构

学术研究和产业化采用的钙钛矿电池结构不同。钙钛矿太阳能电池主要分为正式（n-i-p）和反式（p-i-n）两种器件结构。正式结构比较容易做高效率常用于学术研究；反式结构制备工艺更加简单、可低温成膜、无明显迟滞效应、适合与传统太阳能电池（硅基电池、CIGS等）结合制备叠层器件，因此多用于产业化。

钙钛矿太阳能能电池结构图

钙钛矿太阳能电池优势

光电转化效率高

钙钛矿是一类具有特定晶体结构的材料，对太阳能电池的制造而言，这种结构具有天然优势：较高的电荷载体迁移率和较好的光线扩散性能，使光电转换过程中的能量损失极低。钙钛矿结构中的有机金属卤化物光吸收体具有良好的光吸收、光电转换特性以及优异的光生载流子输运特性，其电子与空穴扩散长度均可超过nm，光电转换特性优异。

钙钛矿太阳能电池目前已经达到了26.7%转化率，业内预计未来通过使用新型材料的钙钛矿太阳能电池器件的转换效率最高能达到50%左右，是目前商业化的太阳能电池转化效率的2倍左右。

制作工艺简单，生产成本和材料成本低

钙钛矿太阳能电池在实验室中常采用液相沉积、气相沉积工艺，以及液相/气相混合沉积工艺制作。其核心光电转换材料具有廉价、可溶液制备的特点，便于采用不需要真空条件的卷对卷技术制备，比传统的硅电池更易生产。钙钛矿材料对杂质不敏感，通常90%左右纯度的钙钛矿材料就可以用于制造效率达到20%以上的太阳能电池；作为对比，晶硅材料则对杂质非常敏感，纯度必须达到99.%以上才能用于制造太阳能电池。业内预计钙钛矿组件的制造成本可达到单晶硅组件成本的50%。

应用场景

BIPV是钙钛矿的最佳应用场景：首先，钙钛矿投资成本低，结构轻便，易于安装；第二，相比多晶硅电池，钙钛矿电池在多云、阴天以及太阳光照角度较低时，均能持续不断的产生电能；第三，PVS电池半透明和色彩可调节，更好融入建筑。目前钙钛矿光伏发电效率为W/平方米，假设钙钛矿光伏单价从1.67元/W下降到0.83元/W，按照年建筑光伏装机容量.5GW计算，总市场空间达.5亿元。

车载电源：车载辅助光伏按照发电面积5平米，每平米W，每天8小时计算，一天可以产生6度电。按照特斯拉百公里耗电17度计算，车载辅助光伏可为电动车提供辅助电源，缓解车主电量焦虑。

纺织穿戴设备：新开发出来的柔性钙钛矿材料可用于太阳能背包、帆船、纺织服装等方面。

产业化设备及其价值构成

学术研究中：ETL、钙钛矿层、HTL层采用的都是旋涂的设备，但是旋涂方式产能低，不便于生产线量产。

产业化中：HTL层采用PVD磁控溅射仪、钙钛矿层以涂覆机为主，ETL多采用轰击更小的RPD设备。当背电极采用金属电极（熔点低）时工艺设备为蒸镀机，为金属氧化物电极时设备多为磁控溅射仪。

涂覆机和RPD是生产环节中最贵设备。涂覆机目前量产设备主要来源是日本东丽和上海德沪，众能光电产能相对小。PVD设备供应商众多价格相对低廉，但是PVD工艺对薄膜损伤大，转换效率相对低。RPD设备价格高、厂家单一目前只有捷佳伟创。激光划线设备技术含量不高，生产厂商众多。蒸镀机的供货商来自国内众多厂家，多为小面积蒸镀。

钙钛矿电池设备生产企业

钙钛矿电池发展的制约因素

稳定性方面

钙钛矿电池在潮湿环境下很容易分解，进而影响到其使用寿命。目前钙钛矿电池的寿命多在小时左右，而晶硅太阳能电池的工作寿命为20-25年，根本不可同日而语。太阳能电池板工作环境较为恶劣，钙钛矿电池不稳定的缺点，对其发展存在极大的影响。

制备方面

在光伏持续降本增效的情况下，大尺寸组件已成为趋势，和组件市场份额也在不断提高。但钙钛矿电池的高效，只能体现在小尺寸上，一旦面积变大，其效率就会快速下降。之所以会出现此种现象，主要是因为在晶体生长过程中，会出现密度不一、不够整齐、相互间存在孔隙的情况，导致其转换效率降低。目前的钙钛矿生产设备，主要面向科研院所和高校等定向销售，还无法大面积量产。已经量产的也主要停留在中试化量产实验阶段，距离真正的商业化，还有很长的路要走。