来源：泛海投资
钙钛矿电池是第三代新型光伏电池，是最具潜力和颠覆性的新一代光伏技术。团队将围绕钙钛矿电池进行简要分析，全文共分为两部分进行推送。本文为全文前半部分。
一、 行业基本概念
1. 钙钛矿材料
（1）钙钛矿材料定义
钙钛矿是指一类陶瓷氧化物柔性材料，具有正八面体晶体结构。原本其特指CaTiO3及拥有类似结构的金属氧化物，现泛指化学结构为ABX3且拥有与CaTiO3类似的晶体结构的金属卤素化合物家族，其中A一般为CH3NH3等有机阳离子，B一般为Pb2+或Zn2+等金属阳离子，X一般为I-、Cl-等卤素阴离子。
图1：钙钛矿正八面体晶体结构图
来源：《钙铁矿薄膜电池技术及其在太阳电池中的应用》（刘璋等）
（2）钙钛矿材料的特点
目前用于光伏电池发电层的一般为有机-无机杂化钙钛矿材料。ABX3型钙钛矿材料的光电性质非常优异，包括：
i.满足光伏电池发电最佳带隙值1.55eV，并且光学带隙可调(1.1~2.3eV)；
ii.高吸光系数，在550nm处的吸光系数为1.5×104cm-1；
iii.高载流子迁移率达到10cm2V-1s-1，并且有双重传输特性；
iv.长载流子扩散长度，可以达到100～1 000nm；
v.较低的激子结合能10～50meV，远低于有机光伏电池（＞100meV）。
2. 钙钛矿电池
（1）钙钛矿电池定义
钙钛矿电池是利用钙钛矿材料半导体作为吸光材料的光伏电池，是一种非硅薄膜光伏电池。
钙钛矿电池是第三代新型光伏电池，是最具潜力和颠覆性的新一代光伏技术，具有理论转换效率高、材料成本低、生产成本低和应用场景广等优点。
（2）钙钛矿电池发电原理
钙钛矿电池的发电原理是光生伏特效应：钙钛矿材料吸光层吸收光子后，入射光将电子从价带跃迁到导带，形成电子-空穴对；电子-空穴对在吸光层内部迅速分开，电子通过电子传输层输送到阳极，空穴通过空穴传输层输送到阴极；随着电子和空穴分别不断地在阳极和阴极堆积，阴阳两极之间产生光生电动势，再接入外部电路以形成光电流。
二、 钙钛矿电池简介
1. 钙钛矿电池发展历史简介
第一代光伏电池的主要使用是间接带隙半导体硅，第二代光伏电池的光电转换材料升级成砷化镓、碲化镉、铜铟镓硒等直接带隙半导体，而第三代光伏电池的光电转换材料就主要是兼具高效率和低成本制备优势的钙钛矿。
第一块钙钛矿光伏电池诞生于2009年，在当时实现了3.8%的能量转化效率，但该电池存在液态电解质溶解和钙钛矿敏化材料分解等使电池失效的严重缺陷。
2012年，固态空穴传输材料（Spiro-MeOTAD）被引入到钙钛矿电池中，初步解决了液态电解质钙钛矿电池不稳定与难封装的问题，全固态钙钛矿太阳电池因而面世，其能量转换效率达到9.7%。
2013年，斯奈斯等人采用共蒸发方法制备钙钛矿薄膜，形成了一种全新的平面异质结电池，效率达到15.4%，引起世界瞩目。
2016年，瑞士洛桑联邦理工学院Anders Hagfeldt等人通过一步旋涂法制备的多晶薄膜电池光电转换效率达到20.8%；通过生长世界上第一个大尺寸钙钛矿单晶，钙钛矿材料本征的光电特性已能被清楚表征，人们可以根据不同的应用需求改变钙钛矿器件结构来提升其效率和稳定性。
2021年，Sangll Seok等人通过一步旋涂法制备了多晶薄膜FAPbl3，并且在吸光层和电子传输层之间形成相干界面降低缺陷，获得了25.5%的光电转换效率。
2022年12月，根据NREL，目前单结钙钛矿电池世界记录由韩国蔚山科学技术院（UNIST）保持，光电转换效率达到25.8%。
2023年，钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池光电转换率理论上限达到 42%，超过常规晶硅太阳能电池的 27%，可用于低速太阳能电动车。
最近10多年来，世界各地的实验室都专注于寻找在电池效率、成本和耐用性方面表现最佳的钙钛矿材料。目前，钙钛矿电池在大面积应用的效率、稳定性等方面仍存在待解决的难题。
2. 钙钛矿电池优点：理论转换效率高、材料成本低、生产成本低、应用场景广
(1) 理论转换效率高：
钙钛矿材料为人工合成，其带隙可调，与不同带隙的晶硅或其他钙钛矿材料叠层后可以覆盖大范围带隙，即可以吸收更多不同波长的光。
(2) 材料成本低：
钙钛矿材料构成元素均为常见元素，不含有任何稀缺材料，成本相比晶硅电池使用的硅材料低廉。
图2：钙钛矿电池成本拆分
资料来源：协鑫光电，华尔街见闻，民生证券研究院
(3) 生产成本低：
与晶硅电池相比，钙钛矿电池组件生产所需设备更少，产业链更短，且投资成本与能耗更低，因此钙钛矿电池的总体生产成本更低。
(4) 应用场景广：
钙钛矿电池的外观形态灵活，柔性钙钛矿电池可用于可穿戴电子设备和便携式电源；光谱吸收范围广，可用于弱光室内应用；能承受宇宙射线辐射，可用于平流层飞艇。
3. 钙钛矿电池缺点：稳定性不足、大面积制备工艺难度大、材料含铅、实验室效率原材料昂贵
（1）稳定性不足：
过湿、过热、过强光照均会引起钙钛矿材料降解。虽然已能够采取一些措施提升稳定性,但都以牺牲电池效率为代价，工艺技术尚需进一步发展。
（2）大面积制备工艺难度大：
大面积制备时如何使溶液层挥发成均匀结晶层的问题仍未解决，目前业界多采用添加剂来解决相关问题。
（3）材料含铅：
目前铅元素是钙钛矿电池不可或缺的组成部分，对环境不友好，如何完全实现无铅化是钙钛矿电池领域仍未解决的难题。
（4）实验室效率的原材料昂贵：
为追求效率，实验室大多采用金、银等贵金属作为电极，难以大规模用于工业化生产中。因此仍需开发成本低、适合大规模制备、能保障电池效率的功能层材料。
4. 钙钛矿电池的“三明治“结构
钙钛矿光伏电池结构就像三明治，常见的单结钙钛矿电池一般由透明导电电极、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层、金属电极组成。其中，位于中间的电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层是钙钛矿电池最基本的三个功能层。当太阳光照在钙钛矿电池上，太阳光光子能量大于带隙时，钙钛矿层吸收光子产生“电子—空穴对”。电子传输层将分离出来的电子传输到负极上；空穴传输层将与电子分离的空穴传输到正极上，进一步在外电路形成电荷定向移动，从而产生电流，使光能转换为电能。
（1）电子传输层（ETL）
电子传输层用于接收由钙钛矿层传输的电子，并将其传输到电极中，同时防止空穴的传输。ETL必须与钙钛矿层能带匹配，目前ETL常用的材料为TiO2、SnO2等金属氧化物或富勒烯及其衍生物。
（2）钙钛矿吸光层
用于吸收光能生成电子-空穴对，一般采用 ABX3 八面体结构钙钛矿材料。
（3）空穴传输层（HTL）
空穴传输层用于接收由钙钛矿层传输的空穴，并将其传输到电极中，同时防止电子的传输。HTL需要与钙钛矿层有良好的异质结接触界面，一般常用材料包括有机小分子、有机聚合物以及无机材料。
（4）透明电极
透明电极一般选用商业化的ITO或FTO氧化物导电玻璃。透明电极拥有出色的电荷横纵向传输能力，有利于电荷收集。
（5）金属电极
一般选用导电性良好的金属或具有金属性质的导电物，如金、银、铜、碳等，通过热蒸发沉积的方式制成。
5. 钙钛矿电池的类型
根据电池的组合方式，钙钛矿电池可分为单结钙钛矿电池和叠层钙钛矿电池（多结）。
（1）单结钙钛矿电池类型
单结钙钛矿电池根据电荷传输层的形貌结构，可分为介孔结构和平面结构两种类型。
介孔结构能够扩大接触面积，有利于提升转换效率，但需要450℃以上的高温加工，且会由于紫外光引起的表面吸附氧的解吸而导致电池不稳定。
若根据电荷传输层类型分类，平面钙钛矿光伏电池结构又可以分为正式结构(n-i-p)和倒置结构（p-i-n）两种类型（n=电子传输层，i=钙钛矿吸光层，p=空穴传输层）。下图展示了各种不同类型的单结钙钛矿电池结构：
图3：单结钙钛矿光伏电池结构图
（2）叠层钙钛矿电池类型
钙钛矿电池可与其他电池进行双节、三节叠层，分别达到35%和45%的理论最高转换效率。叠层电池实现了将宽带隙电池与窄带隙电池串联,能更加合理地利用全光谱范围内的光子，减少能量损失。
钙钛矿/晶硅叠层电池结构主要有四种，如下图所示，分别为(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。
图4：四种叠层钙钛矿光伏电池结构示意图
四端结构（a）为机械堆叠，工艺最易实现，但对电极有较高的要求，要求四个电极其中三个为透明电极，进光面电极需要具备在宽光谱范围内的高透过，中间两个电极需要具备在红外光谱范围内的高透过。
两端引出的钙钛矿/晶硅叠层电池（d）是在晶硅电池上直接生长钙钛矿电池，中间通过复合层或隧道结构将两个子电池串联起来。两端叠层电池仅需要一个宽光谱透明电极，但要求两个子电池具有近似的电流；顶电池功能层的制备不能影响底电池性能，同时，以绒面结构的传统晶硅电池底电池为衬底制备钙钛矿电池有难度。两端叠层电池的实验室效率自2015-2022年由13.7%提升至32.5%。
此外，2017年Werner课题组提出了将叉指式背接触硅（IBC）电池与宽带隙顶部电池相结合制造的三端结构叠层电池，并通过二维器件物理模型研究了三端配置下叠层电池的运行。
钙钛矿/异质结叠层电池比钙钛矿/Topcon叠层电池的效果更好。异质结电池表面是TCO，与钙钛矿组合无需更改产线，而Topcon电池产线则需要大改；若Topcon与钙钛矿叠层，则会由于改变表面材料而失去自身基于电流高的效率优势。
资料参考：
1.《钙钛矿&异质结专题深度报告：光伏电池新技术新机遇》（银河证券）
2.《钙钛矿设备行业深度报告：光伏0-1的颠覆性技术，设备跨界+多工艺并存》（民生证券）
3.《钙钛矿行业深度报告：降本空间较大，产业化雏形已现》（信达证券）
4. 中国能源研究会《钙钛矿的前世今生：从乌拉尔山脉里走出，到一种新型光伏电池》
5. 企名片榜单《2023中国最具商业合作价值的钙钛矿企业盘点》
