钛矿电池具备多优势，但仍有两大挑战需解决。
相较晶硅，钙钛矿具理论效率更高、理论成本更低、发电量更高、应用场景更广四大优势。
优势一 极限效率高
钙钛矿电池的极限转换效率高于传统晶硅太阳能电池，这主要得益于钙钛矿材料的禁带宽 度与最优带隙的区间极为接近。此外，钙钛矿材料带隙宽度连续可控，使其便于与晶硅电 池制成高效叠层器件，可进一步打开理论转化效率的天花板。
(1)禁带宽度适宜：单结太阳能电池吸光层材料的最优带隙区间为 1.3-1.5eV，而 MAPbI3、 FAPbI3等常用钙钛矿材料的禁带宽度在1.5-1.6eV的区间内，理论转化效率均可超过30%。
(2)材料带隙宽度连续可控：A、B、X 含量不同可获得不同组分的钙钛矿材料，相应材料的 带隙和能级分布也会产生差异。若对钙钛矿的 A、B、X 位进行组分调控，可将带隙宽度在 1.17-2.8eV 内做到连续可控。带隙的大小决定了电池吸收光子的能量范围，因此可调的带 隙宽度为钙钛矿和晶硅电池叠层器件的制备提供了多种选择，利于实现两者吸收光谱的互 补，光电转换效率最高可达 47%。
(3)钙钛矿电池效率直接等同于组件功率。目前 TOPCon 电池片的量产效率大约为 25%，但 是封装成组件效率后的效率一般为 22%左右，具有 2%-3%的组件效率损失（CTM Loss）， 而钙钛矿电池则没有 CTM Loss，电池片效率直接可比组件功率，在产业化进程中具有显著 优势。
优势二 成本低
相较于传统晶硅电池，钙钛矿电池具有显著的成本优势，主要体现在初始投资额、材料成 本与能耗成本三大方面。 (1)初始投资额低：据协鑫光电估计，待技术成熟后，5-10GW 钙钛矿电池的设备投资金额 约为 5-6 亿元/GW，是晶硅电池的整套产业链设备成本的 1/2 左右。 (2)材料成本低：钙钛矿材料具备优异的光吸收能力，光吸收系数达 105 的量级，因此原材 料用量低，电池吸光层的厚度很薄，在材料成本方面具备优势。钙钛矿吸光层的厚度大约 为 400nm 左右，与除玻璃外的其他功能层合计厚度约为 1um，而晶硅电池中的硅片厚度通 常为 150um。 (3)能耗成本低：钙钛矿电池的制备对原材料纯度要求较低，通常 90%左右纯度的原材料即 可制造出效率在 20%以上的钙钛矿电池。而晶硅电池对材料纯度要求极高，需要达到 99.9999%以上，这使得钙钛矿电池不需要和晶硅电池一样进行高温提纯的步骤，从而有效 减低了能耗。据我们测算，晶硅的制造能耗约为 0.31 KWh/W，而钙钛矿组件的制造能耗仅 为 0.12KWh/W。
优势三 发电量高
(1)抗衰减性强，无 PID、LID 效应：PID 和 LID 效应是造成晶硅电池效率衰减的重要原因， 其中，PID 效应主要由于钠离子在电场影响下向电池片表面移动并富集而造成，LID 效应则 来源于硼元素的扩散，这些杂质的扩散往往是百万分之一级别的。钙钛矿材料对杂质的容 忍度显著优于晶硅材料，百万分之一级别的杂质的形成和扩散并不会显著影响钙钛矿电池 的发电性能，因此，钙钛矿电池具有良好的抗衰减性。协鑫光电数据表明，在实验室层面， 钙钛矿电池可实现 9000 小时连续工作而无衰减，晶硅电池则在工作 1000 小时左右就会出 现衰减现象。 (2)低热斑效应、低温度系数：钙钛矿电池还具有低热斑效应、低温度系数的特点，相较传 统晶硅电池而言在高温环境下的能耗损失更少，组件的输出性能更佳。(3)弱光效应好：早上 5 点-晚上 9 点钙钛矿电池均可发电，阴雨天也能有较好的发电效果。
优势四 轻薄美观，应用场景丰富
BIPV（光伏建筑一体化）是一种将光伏发电设备集成到建筑上的专业技术，既实现了可再 生能源的应用，又降低了建筑能耗。但 BIPV 组件较为追求外观设计、且需要具备较好的透 明度，这恰恰是晶硅电池的劣势所在。而钙钛矿材料具有轻薄美观、安装便利、颜色可调 等优点，因此可制成均匀柔和的透光、彩色玻璃，实现光伏组件的实用性与建筑设施的美 学完美融合，是目前 BIPV 材料的最优解。
尽管钙钛矿电池的上述优势已经得到了业内的广泛认可，但其产业化进程中仍存在着两大 痛点亟待解决，即大面积备制效率降低、稳定性较差。目前产业端已出现多种解决思路， 部分问题已有解决之道。
产业化疑虑#1：大面积效率低
钙钛矿在备制大面积效率损失严重，主要有两个原因：1）钙钛矿薄膜本身在大面积制备时 工艺不成熟不够均匀导致成膜质量差，效率下降；2）大面积薄膜组件进行激光划线后产生 的电阻损耗、并产生死区。
针对大面积效率低的问题，主要从工艺、设备两方面解决，目前业界已形成了初步的解决 方案。 大面积备制钙钛矿层主要采用狭缝涂布和蒸镀两种方式，差别在于成本和成膜质量之间权 衡： 1）狭缝涂布法可以理解为两步，第一步是涂布溶液，需要保证涂布溶液物理上的均匀性， 该步骤对涂布的工艺要求并没有超过面板行业，已有相对成熟解决方案，第二步为干燥结 晶，需要保证成膜过程中的化学一致性，为涂布法核心难点所在，目前产业端主要通过风 刀、红外等方式干燥结晶，但由于不同厂家配方不同，粘度、挥发性等指标也有所差异， 故结晶工序需要工艺、设备、配方三大体系相适配，生产 know how 的积累与工艺改进仍 有较大的空间。 2）真空蒸镀成膜质量较狭缝涂布更好，但是由于需要使用价格昂贵的真空设备、生产效率 低、靶材利用率低，故目前生产成本较高，且随着钙钛矿配方越来越复杂，共蒸过程中对 蒸发源设计、化学计量控制难度也会进一步提升。
激光划线产生电阻损耗、热损伤、死区，解决思路主要包括添加隔离层、提高设备精度、 优化划线区域三大方向： 1）大面积薄膜组件需要划分后将小电池互连，但划线后也会带来损耗造成电池效率降低。 目前钙钛矿分割成小电池主要采用激光划线，P1、P2、P3 三道工艺划线后使得划线一侧的 顶部电极连接到划线另一侧的背面电极，从而形成串联效果。但是划线后顶电极和背电极 接触的地方会形成互联电阻，从而产生功率损耗，且激光划片过程中产生的热损伤也会对 钙钛矿层造成一定程度破环，进而导致效率的降低。目前解决思路主要为提高激光划线精 度并优化划线区域。 2）P2划线区域钙钛矿层与金属电极接触，Ag容易与钙钛矿在界面处反应生成AgI或AgBr， 从而大幅度降低金属电极的电导率，增大串联电阻。目前实验室可通过添加隔离层，减少 钙钛矿层与金属电极的接触可采用光刻工艺添加光刻胶隔离层，防止两者接触解决。 3）激光划线过程中会产生不能发电的死区，通过采用高精度的精光设备，可以相当程度上 减少死区面积，进而提升大尺寸电池效率。
产业化疑虑#2：稳定性差
钙钛矿稳定性差由环境因素和内部因素共同影响所导致。钙钛矿的吸光层的稳定性受环境 因素影响，易水解、高温易分解、温度变化下相变、光照和氧气作用下发生光致分解等。 同时，吸光层还会与电荷传输层和电极材料影响。以正向结构为例，TiO2/ZnO 作为电子传 输层在光照下产生光生空穴催化分解吸光层；Spiro-OMeTAD 作为空穴传输层易受吸光层 碘离子扩散影响而电荷传输性能下降，且一般会添加少量有机盐来优化 spiro-OMeTAD 的 导电性，例如锂盐、钴盐等，这些添加剂具有较强的吸湿性，极易造成 spiro-OMeTAD 的 性能衰减和钙钛矿的分解。电极材料常用贵金属，但金属原子易扩散造成吸光层分解，且 钙钛矿材料具有明显的离子特性，易发生离子迁移，吸光层的碘离子也会腐蚀金属电极， 如银金属电极和钙钛矿层中的碘反应生成 AgI。
材料、结构、工艺协同进步，提供钙钛矿稳定性破局之道。目前可从材料配方、结构优化、 封装工艺加强钙钛矿器件的稳定性。封装是给器件提供最外层的保护，目前产业界普遍采 用 POE+丁基胶的封装方式，基本解决了外部的水氧因素导致的衰减。针对钙钛矿本身内 部的不稳定，优化可以从材料和结构两个方面入手，主要包括各个膜层的材料改性、界面 工程、使用复合电极等手段。
维度 1：加强封装
POE 胶膜+丁基胶的封装方案能有效解决水氧等外部因素导致的不稳定性。钙钛矿封装方 式类似晶硅，但在材料的使用上需要采用 POE 胶膜+丁基胶封边的形式： 1） EVA 不可能 100%聚合，未聚合的单体含有羧酸可能与钙钛矿吸光层的氨基（比如甲胺 中含有氨基）发生反应，故钙钛矿封装需采用 POE。此外，POE 阻水性远优于 EVA， POE 水汽透过率仅 2-5g*m^2/day，大幅低于 EVA 的 20-40g*m^2/day 并有更强的紫外 线稳定性。 2） 丁基胶的水汽透过率比天然橡胶少了超过一个数量级，使用丁基胶进行边缘封装将进一 步减少水汽入侵。据赛伍技术实验，传统硅胶的水汽透过率为 84g*m^2/day，而使用丁 基胶后水汽透过率仅为 0.25g*m^2/day。
维度 2：材料改性
材料配方包括吸光层、电荷传输层和电极材料的改良，主要优化包括： 1） 吸光层：钙钛矿吸光层较不稳定，可混合比如具有更小离子半径的 Cs+，提升 FA+和碘 化物之间的相互作用，但提高 Cs+含量会效率会有一定程度下降，需要进行权衡与优化。 2） 空穴传输层：目前常用的空穴传输层有掺杂后的 Spiro-OMeTAD、PEDOT:PSS。但是 掺杂后的 Spiro-OMeTAD 吸水性强，不稳定，PEDOT:PSS 价格低廉且导电性能良好， 但其本身呈现弱酸性，会腐蚀基底及钙钛矿材料，影响器件稳定性。目前产业端多换无 机材料，比如氧化镍，但会导致效率出现一定下降。 3）电子传输层：传统的 TiO2/ZnO 作为在光照下产生光生空穴催化分解吸光层。SnO2 不易 受光分解，且带隙宽、吸湿性低和酸容忍性好，目前 SnO2 应用于电子传输层已较多。
维度 3：结构优化
钙钛矿电池是类三明治结构，且钙钛矿层是离子晶体，很难避免离子迁移的问题，中间的 钙钛矿材料很容易受到相邻电荷传输层的影响，空穴传输层和电子传输层也分别会受到来 自阳极和阴极的影响。当前主流解决思路包括两大类： 1）通过在钙钛矿电池中加入缓冲层方法，可有效降低相邻层之间的影响：解决内部稳定性 需要重点解决离子迁移问题，离子迁移需要通道，目前实验室已有增加缓冲层提高器件稳 定性研究，未来单独备制缓冲层是可行的发展方向，但由于额外备制膜层会增加成本，目 前产业界尚未有厂商采用加入缓冲层的工序。2）备制复合电极：Ag 在界面处与钙钛矿层扩散的碘离子形成 AgI，目前复合电极一般做成 ITO-铜-ITO 结构，ITO 直接跟组件结构接触，避免出现离子移动，此外，ITO 的导电性能 不是很好，而通过加入铜能提升其导电性能。
光伏行业钙钛矿专题研究.pdf
