钙钛矿强势崛起，高效率+低成本引领变革。
钙钛矿最初指化学式为 CaTiO3 的矿物质，及拥有 CaTiO3 结构的金属氧化物。 钙钛矿(Perovskite)，是以俄罗斯矿物学家 L.A.Perovski 的名字命名的。1839 年，L.A.Perovski 研究存在于乌拉尔山变质岩中的钛酸钙(CaTiO3)时，首次提出 了钙钛矿这一晶体结构。 经过多年发展，钙钛矿材料定义演变为具备化学通式 ABX3的物质。其中，A 为 一价有机（甲基铵，MA+或甲脒，FA+）或无机（Cs+）阳离子，或两者的混合物； B 为 Pb2+或 Sn2+，或两者的混合物；X 是卤化物阴离子（I —、Br—或 CI—或它们 的混合物）。A 位阳离子位于中心，B 位阳离子和 X 位卤化物阴离子形成八面体， 占据体心立方晶格的角位。晶格中的离子半径决定钙钛矿材料的结构，进而影响 钙钛矿材料的电子性质和稳定性，并决定钙钛矿光伏电池的性能和寿命。通过调 控 A、B 和 X 位离子的配比可以优化电池的性能和稳定性。
钙钛矿材料具备连续可调的带隙范围，并覆盖最佳带隙。光伏电池的工作原理是 把入射光子的能量转换为电子，产生电压、电流和功率输出。而带隙就是电子从 它的主原子的一个轨道带挣脱到轨道带之外所需的能量，是为电池的电力输出所 提供的能量。带隙过大，光子将缺乏发射电子所需的能量，直接穿过太阳能电池， 无法产生大量电流；带隙过小，光子会释放电子，但只向每个电子传递少量能量， 导致电压过低。材料带隙与能量转换效率息息相关。晶体硅的带隙约为 1.1eV， 理论效率为 29.3%。而钙钛矿具有连续可调的带隙范围，人工设计的钙钛矿材 料，带隙可以非常接近于最优带隙（1.4eV），因此单层钙钛矿电池的理论效率 为 33%，双层钙钛矿电池的理论可达到 43%以上。
钙钛矿太阳能电池（PSCs）指利用钙钛矿结构材料作为吸光材料的太阳能电池。 根据电荷传输方向的不同，钙钛矿太阳能电池可分为 n-i-p 型（透明导电电极/n 型电子传输层/钙钛矿吸光层/p 型空穴传输层/顶电极）和 p-i-n 型（透明导电电 极/p 型空穴传输层/钙钛矿吸光层/n 型电子传输层/顶电极），其中，n-i-p 型电 池根据电子传输层结构的不同又可分为介孔结构和平面结构。平面 p-i-n 型结构 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，受到科研关注，但其最大的问题是效率不高。钙钛矿电池结构的透明导电基 底、电子传输层、钙钛矿活性层、空穴传输层和顶电极 5 部分简介如下：
（1）透明导电基底（TCO 玻璃）：传输太阳光和载流子，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）和氧化铟锡（ITO），柔性基底为 ITO/PEN。 （2）电子传输层（ETL）：抽取和传输电子及阻挡空穴。n-i-p 型器件结构的电 子传输材料主要是金属氧化物（如 TiO2、ZnO、Al2O3、SnO2 等），p-i-n 型器 件结构的电子传输材料主要是富勒烯及其衍生物。 （3）钙钛矿活性层：钙钛矿太阳能电池的核心层，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。钙钛矿薄膜的质量会对整个器件的性能起到 决定性作用。 （4）空穴传输层（HTL）：传输空穴到接触电极及阻挡电子的反向传输、降低 复合。n-i-p 型钙钛矿太阳能电池常用的空穴传输材料包括有机小分子， p-i-n 型器件中常用的空穴传输材料为聚合物及无机金属氧化物（NiOx）等。 （5）顶电极：材料有金属（Ag、Au 等）和非金属（碳等）。
钙钛矿电池将光能转化为电能的原理可简化为“光子进，电子出”。当光子能量 高于半导体的能带间隙时，半导体材料吸收光子并产生电子-空穴对，电子-空穴 对被 P-I-N 结的内建电场分离成自由移动的载流子（电子和空穴）。电子和空穴 在电场的作用下分别被电子传输层和空穴传输层抽取并定向传输，电子向阴极移 动，空穴向阳极移动，最终被两端的电极收集并输送到外部电路。
技术路线方面，钙钛矿单结电池进展较快，已有多家企业进入中试阶段。根据钙 钛矿光伏电池的结构，可分为三条主流技术路线：钙钛矿单结电池、四端和两端 钙钛矿/晶硅叠层电池。 （1）钙钛矿单结电池：国内外已有数家企业进入中试阶段，目前和晶硅组件的 效率依旧相差甚远。钙钛矿组件的造价未来在大范围量产后，预计将略低于晶硅 组件。由于其目前较低的效率，度电成本未来仍可能高于晶硅组件。但钙钛矿单 结组件可以切入细分的领域，例如 BIPV、柔性组件或者空间应用。 （2）四端钙钛矿/晶硅叠层电池：叠层太阳能电池技术旨在突破单结太阳能电池 的 Shockley–Queisser 极限（例如晶硅的理论极限小于 30%），在高效转换光 子能量的基础上将理论极限推至 40%以上。四端叠层将晶硅和钙钛矿电池分开 制备，仅在组件端进行整合。目前产业界仅有试验性的尝试。 （3）两端钙钛矿/晶硅叠层电池：和四端叠层电池相比，两端叠层电池在成本上 的优势更明显，首先可以减少一层透明导电电极的制备，其次良品率由于单片电池面积的减小而大幅上升，同时两端叠层的理论极限上限相对更高。虽然叠层组 件制备成本比晶硅组件略高，但由于其更高的能量转换效率，度电成本会更低。 目前产业界有英国的牛津光伏进入中试阶段。
目前，钙钛矿电池产业化发展也面临着一些难点。主要分三方面：大面积制备、 稳定性、环保。 （1）大面积制备问题。转换效率较高的钙钛矿电池其尺寸均为实验室级别，未 达到商业化尺寸。目前较难生产薄且均匀的大面积钙钛矿层，一旦电池尺寸增大， 光电转换效率随之下降。 （2）稳定性问题。潮湿环境（包括昼夜温差造成的水蒸气）、氧气氧化、光辐 照、紫外线等都会对电池稳定性产生显著影响。目前，钙钛矿电池持续光照实验 最长达 10000h，若按全天平均日照时长 4h 计算，理论寿命只有 6.8 年。考虑 到实际日照时间多于 4h 及其他日常损耗，正常寿命将会小于 6.8 年，与晶硅电 池的理论寿命 25 年比差距较大。 （3）环保问题。目前高性能钙钛矿大多以铅作为原料，并且制备过程中常用的 一些溶剂和反溶剂（如氯苯、DMF、DMSO 等）具有毒性，会对环境造成危害， 不符合绿色可持续发展的长期目标。
2.1、光电转换效率：相对晶硅光伏，具备更高天花板
钙钛矿光伏是第三代光伏技术的代表之一。光伏产业发展至今，其技术路线可分 为三代。第一代是以单晶硅、多晶硅为代表的晶硅光伏。第二代是以非晶硅、碲 化镉（CdTe）、铜铟镓硒（CIGS）和砷化镓（GaAs）为代表的薄膜光伏。而第 三代则是以染料敏化太阳能电池（DSSCs）、有机光伏（OPV）、量子点太阳能 电池（QDSCs）和钙钛矿太阳能电池（PSCs）等为代表的新兴光伏技术。这些 新兴技术尚未大批量进入市场，但因低成本、低能耗、质轻和制造灵活等优点广 受关注。
钙钛矿光伏电池的实验室光电转换效率在 10 年间快速追赶晶硅光伏电池。目前 光伏电池技术中应用最为广泛的是第一代晶硅电池。而钙钛矿光伏电池则凭借优 异的光电转换效率，在第三代太阳能电池中脱颖而出。钙钛矿光伏电池的实验室 光电转换效率从 2009 年的 3.8%提高至 2021 年的 25.7%，而这一进程晶硅光 伏电池花费了四五十年。
钙钛矿电池的理论转换效率天花板相对晶硅电池较高，未来提升潜力大。目前， 主流光伏晶硅电池的光电转换效率已接近天花板，晶硅组件的实验室最高转换效 率为 26.7%，量产转换效率约为 23-25%，理论转换效率上限为 29.3%；而钙钛 矿单结电池的实验室光电转化效率为 25.7%，理论转换效率可以达到 33%，钙 钛矿叠层电池的理论转换效率更达到 45%，具有较高的天花板。预计未来伴随 钙钛矿技术的逐步成熟，钙钛矿电池的光电转换效率具备较高的提升空间。
2.2、成本端：产业链显著缩短，规模化降本效应显著
钙钛矿光伏产业链较晶硅光伏显著缩短，原材料到组件仅需 45 分钟。据协鑫纳 米，100 兆瓦的钙钛矿单一工厂，从玻璃、胶膜、靶材、化工原料进入，到组件 成型，总共只需 45 分钟。而对于晶硅来说，硅料、硅片、电池、组件需要四个 以上不同工厂生产加工，一片组件完工大概需要三天以上的时间，用时差异大。
从原材料视角，钙钛矿原材料丰富、材料用量少、纯度要求低。相比于晶硅问世 至今材料未发生变化，钙钛矿的材料可以不断迭代。钙钛矿是直接带隙材料，吸 光能力远高于晶硅，晶硅组件中硅片厚度通常为 180 微米，而钙钛矿组件中钙 钛矿层厚度大概是 0.3 微米，存在三个数量级的差异，因此，相比于全球每年大 概 50 万吨的硅料产量，钙钛矿仅需大概 1000 吨即可满足需求。纯度要求方面， 相比于硅料 99.9999%的纯度要求，钙钛矿仅需 95%即可满足使用要求。 钙钛矿在产能投资、单瓦能耗等方面均具有优势。产能投资方面，晶硅光伏的硅 料、硅片、设备、组件加起来，约在 10 亿元/GW，而钙钛矿光伏的产能投资， 在达到一定成熟度后，约为 5 亿元/GW，是晶硅光伏的 1/2。单瓦能耗方面，晶 硅光伏的最高工艺温度在 1500 度以上，而钙钛矿光伏的最高工艺温度在 150 度 左右，因此，钙钛矿组件的制造能耗显著低于晶硅组件制造能耗，单晶硅光伏组 件的能耗约是 1.52KWh/W，而钙钛矿组件能耗仅为 0.12KWh/W，约为晶硅组 件制造能耗的 1/10。
钙钛矿电池产线建设具备规模化降本优势。钙钛矿不同规模产能的成本差异较 大，随着产线产能的提高，平均建设成本将显著降低。以纤纳光电为例，其目前 运行的 20MW 产线投资额为 5050 万元，新建的 100MW 产线投资额为 1.21 亿 元，产能提升至原先 5 倍，投资额仅提升至原投资额的 2.4 倍，产线建设总成本 具备显著的规模化降本效应。
国家出台多项政策推动钙钛矿光伏的研发及产业化进程。2021 年 11 月，《“十 四五”能源领域科技创新规划》将“研发大面积、高效率、高稳定性、环境友好 型的钙钛矿电池，开展晶体硅/钙钛矿、钙钛矿/钙钛矿等高效叠层电池制备及产 业化生产技术研究”列入重点任务之一。2022 年 6 月，《科技支撑碳达峰碳中 和实施方案（2022—2030 年）》提出坚持研发高效稳定钙钛矿电池等技术。2023 年 1 月，《关于推动能源电子产业发展的指导意见》提出推动钙钛矿及叠层电池 等先进技术的研发应用，提升规模化量产能力。
多家企业发力布局钙钛矿产能建设。目前，钙钛矿产能规划活跃，参与者多为未 上市公司，上市公司中，也有协鑫科技、奥联电子、杭萧钢构等旗下公司（分别 为协鑫光电、奥联光能、合特光电）进行积极布局。目前，协鑫光电已建成全球 首条 100MW 量产线，组件尺寸 1m×2m。当前产线处于工艺开发和设备改造阶 段，下线组件效率已实现稳步提升，预计 2023 年底实现 18%以上的转化效率， 有望成为全球首条跑通量产的 100MW 产线；纤纳光电多次蝉联钙钛矿小组件世 界效率纪录榜首；极电光能 150MW 试验线已开始投产，是目前全球已投产且产 能最大的钙钛矿光伏生产线。据我们不完全统计，截至 2023 年 2 月，现有企业 规划的钙钛矿总产能已达 28GW，2023 年钙钛矿产能有望落地 880MW，2024 年有望落地超 3GW。
