钙钛矿电池优劣势分析及国内外技术与产业化进程回顾

——钙钛矿从提出至今，光电转化效率以直线速度增长。

✓ 2006年，Miyasaka课题组首次将钙钛矿材料添加到染料敏华电池中作为吸光层，并获得2.2%的转换效率。

✓ 2009年，其又将MAPbI 3 和种MAPbBr 3 替代染料敏化电池中的吸光层，得到的钙钛矿电池转换效率为3.8%。

✓ 2012年， Michael Grätzel将一新型有机空穴传输固体材料作为电池的传输层，电池转换效率超过10%，增加电池的商业价值。

✓ 2013年，Henry Snaith以Al 2 O 3 取代TiO 2 作为骨架辅助钙钛矿成膜，得到15.4%的转换效率。

✓ 2018年，中科院半导体研究所课题组通过PEA + 阳离子钝化缺陷，将钙钛矿器件效率记录提高至23.3%。

✓ 2022年8月，中科院半导体所研究员研制出认证效率为25.6%的钙钛矿太阳能电池，为截止8月公开发表的单结钙钛矿太阳能电池世界最高效率，多结叠层钙钛矿电池转换效率目前已超过30%。

钙钛矿电池示意图

来源：CNKI

——钙钛矿电池优势分析

1、提效

钙钛矿的理论极限转换效率远高于晶硅电池和薄膜电池。钙钛矿材料的吸光性能远高于晶硅材料，能量转换过程中能量损失极低。在理论极限上，晶硅太阳能电池、PERC单晶硅电池、HJT电池、TOPCon电池的极限转换效率为29.40%、24.50%、27.50%、28.70%。相比之下，单结钙钛矿电池理论最高转换效率达31%，多结电池理论效率达45%，转换效率随着钙钛矿材料的叠加使用，转换效率不断提升至新的高度。

不同组件结构类型太阳能电池理论极限电能转换效率对比情况

来源：CNKI

2、降本

✓ 制备成本方面，硅料价格的持续上涨使得下游电池和组件厂商利润承压均出现一定程度的下滑。而PSCs制作过程无需硅料，制作金属卤化物钙钛矿所需原材料储量丰富，价格低廉，且前驱液的配制不涉及任何复杂工艺，对纯度要求不高，后续组件对加工环境要求也不高，组件生产过程不需要晶硅电池的千度左右的加工温度，在生产过程中的能耗比较低，多数环节也不需要真空环境。目前，钙钛矿组件成本结构占比最多的是电极材料，达37%，钙钛矿自身材料成本占比仅为5%，钙钛矿组件未来仍有较大的降本空间。

✓ 设备投资额方面，晶硅电池在四个不同工厂内分别加工硅料、硅片、电池、组件，此过程需要至少耗时3天，而PSCs的生产流程简单，可在45分钟内将玻璃、胶膜、靶材、化工原料在单一工厂内加工成为组件，产业链显著缩短，价值高度集中。根据纤纳光电、协鑫纳米、牛津光伏等三家公司公布的数据，以达到1GW产能需要的投资金额来对比，晶硅的硅料、硅片、电池、组件全部加起来，需要大约9亿、接近10亿元的投资规模，而钙钛矿实现1 GW产能需要的投资金额约为5亿元左右，是晶硅的1/2左右，比起投资更高的第二代GaAs薄膜太阳能电池，成本更是只有1/10。

不同太阳能电池1GW产能投资金额（亿元）

来源：CNKI

钙钛矿组件成本结构占比

来源：CNKI

——钙钛矿电池劣势分析

（1）不耐用：作为一种离子晶体材料，钙钛矿材料可谓是非常脆弱，不同材料与结构可能存在不耐高温、不耐光照、易水解、易氧化、易发生二次反应等缺陷。现阶段的钙钛矿电池寿命短，稳定性差，效率衰减过快，无法满足工业化生产的需要，一直是制约推广的最大障碍。

（2）涂覆技术不成熟：钙钛矿层没法均匀涂抹在设备表面，对器件性能有明显负面影响，需要开发更好的喷涂工艺。

（3）实际效率可能低：钙钛矿普遍使用TCO（透明导电氧化物）薄膜收集电流，而此类材料的一些物理性质会造成光损失，且随着面积的增大愈发明显，这导致钙钛矿组件的效率会明显低于单体电池。

（4）不环保：钙钛矿材料是铅卤钙钛矿，但铅是一种有毒重金属，对环境等危害。