钙钛矿电池产品需全新的工艺流程和产线设备，激光工艺涉及到其整个制备流程

钙钛矿太阳能电池是一种新型薄膜太阳能电池，利用钙钛矿型金属卤化物作为吸光层材料。钙钛矿泛指具有类似钛酸钙（CaTiO3）晶体结构，结构式为AMX3的离子晶体。其中A位为有机或无机阳离子，如金属铯离子、有机甲胺、甲脒离子；M位一般为二价金属阳离子，如铅、锗离子；X为卤素离子，如碘离子、溴离子。M位和X位在空间中形成八面体结构，A位处于缝隙中进行支撑。在钙钛矿材料的基础上，钙钛矿电池基本结构一般为一个钙钛矿层夹在电子传输层和空穴传输层之间，构成三明治结构，再往外是电极层。按反式结构顺序，顶电极是玻璃上镀氧化铟锡（ITO）或氟化氧化铟锡（FTO）作为电池电极；空穴传输层传输空穴载流子，由P型半导体构成，常用的有spiro-OMeTED、PTAA等；钙钛矿层由上文提到的金属卤化物组成，是核心的光吸收层；电子传输层传输电子载流子，由N型半导体构成，一般用TiO2、ZrO2、SnO2等及其他纳米复合材料；底电极一般是镀金或银等金属形成。钙钛矿电池发电原理类似，核心差异在于i层（钙钛矿层）的存在。这层材料势垒厚度很大，不仅能承受比较大的反向电压，同时还高效吸收大量的光子并转换为载流子。

钙钛矿电池结构

来源：CNKI

相比主流晶硅电池，钙钛矿电池具有以下等方面的优势：

（a）转化效率更高，性能优越。钙钛矿材料吸光系数高，理论效率高。晶硅电池的理论极限效率<29%，普通单晶硅电池理想条件下最高效率24.5%，HJT电池理想条件下最高效率27.5%，而钙钛矿单结电池理论效率极值就可达33%。同时钙钛矿电池在13年内就将效率从3.8%提升到25%以上；

（b）制造方法简单，量产成本低。钙钛矿层厚度更薄，合成方法相对简单，原材料用量少也不稀缺。同时，钙钛矿生产过程中不需要像硅片一样使用高温，能耗也比较少。以单GW产能投资看，晶硅电池若计入硅料、硅片、电池、组件将超过9亿，而钙钛矿成熟后仅为5亿左右。同时钙钛矿电池制备还有速度更快的优势，据协鑫纳米的披露，100MW的单一工厂，从玻璃、胶膜、靶材、化工原料进入，到组件成型，总共只需约45分钟；

（c）易于修饰，具有广泛可设计性。凭借更薄层级结构，钙钛矿薄膜电池具有可柔性化、半透明化、轻量化、色彩化特点，在BIPV中可以得到更广泛的应用。如在柔性光伏，穿戴光伏，无人机光伏，光伏建筑、分布式光伏等领域具有广泛的前景。

钙钛矿电池器件效率快速提升

来源：CNKI

钙钛矿太阳能电池达到规模产业化仍有距离，但厂商已开始密集布局。钙钛矿电池目前主要有以下难点：①大规模制备钙钛矿层的技术仍不成熟。实验室中测试的钙钛矿电池一般小于等于1平方厘米，主要是使用匀胶机旋涂仪制备钙钛矿薄膜。但是，旋涂法只能制备小面积均匀薄膜，而且会浪费大量原料，不能进行大面积工业化量产。目前成本和稳定性均可控的量产仍无清晰的主导路线；②钙钛矿材料稳定性不足，影响寿命。硅基太阳能电池寿命可达到20年以上，但目前钙钛矿电池有效T80寿命仅4000小时。光照，热量，电场，水均会促进钙钛矿材料中的离子迁移，进而破坏电池，进行组分调控、掺杂、控制晶界、表面修饰，从而增加稳定性和寿命成为钙钛矿电池的核心关切点。

虽然目前量产可行性仍有待验证，但各家厂商已开始密集布局。协鑫光电100MW钙钛矿生产线于2021年开始试产，有望在2023-2024年投建GW级产线；杭萧钢构子公司合特光电计划于2023年5月10日之前实现高转化效率钙钛矿/晶硅薄膜叠层电池100MW的中试线投产；纤纳光电产能规模达到100MW，并发布了钙钛矿α组件，最高功率可达130W；极电光能150MW钙钛矿光伏生产线在2022年12月8日正式生产运行，是目前全球规模最大的钙钛矿光伏生产线；通威股份的钙钛矿实验室已完成搭建，预计首片钙钛矿电池将于年内下线。

钙钛矿电池主要企业的专利布局

备注：时间截至2022年11月

钙钛矿电池产品结构原理和硅基电池差异巨大，需全新的工艺流程和产线设备。钙钛矿电池在结构上由多个功能薄膜叠加而成，其制备在方法上也是在基底上一层层累置薄膜而成。制备大面积、高性能、均匀稳定、高质量的薄膜是其中关键。以反式结构为例，其工艺流程为：导电透明玻璃制备——激光P1刻蚀——制备第一传输层薄膜——退火/干燥——制备钙钛矿层薄膜——退火烘干——制备第二传输层薄膜——退火/干燥——激光P2刻蚀——底电极（背电极）制备——激光P3刻蚀——激光清边——测试分拣和封装。整个过程中三层薄膜制备最为关键，涂布机、PVD、RPD、激光设备为核心设备。同样以反式结构为例：

TCO 玻璃基板层：可以直接采购，或在玻璃底上制备透明导电层，较为成熟；

空穴传输层：使用PVD（蒸镀/磁控溅射等），或涂布，难点是工艺参数调整；

钙钛矿层：主要使用涂布印刷（狭缝涂布等），也可使用蒸镀PVD或气相沉积，技术难度较高，难点是大面积、均匀性和材料使用效率；

电子传输层：使用PVD（蒸镀/磁控溅射/离子镀RPD），或涂布；

背电极：主要使用蒸镀PVD或磁控溅射PVD，相对较为成熟；

激光刻蚀：使用四次，包含P1-P3划线和P4清边，主要是在膜层之间形成电路结构并完成电池内部的串联连接；

封装：需要实现全寿命隔绝空气密封，使用薄膜、物理封装等。

钙钛矿薄膜电池制备流程与其中激光的应用（以反式为例）

来源：CNKI

激光工艺涉及到整个钙钛矿薄膜电池的制备流程，功能重要度较高。加工精度高、适用薄膜材料的激光是实现电路连接的关键，是整个制备中的必备环节。激光需要分别进行3次平行激光刻蚀（P1-P3），并完成P4的清边，整体价值量约为10~20%。钙钛矿电池制备使用的激光设备主要是纳秒/皮秒/飞秒的红外或绿光激光器。在P1-P3的刻蚀环节，激光实现切割效果，使材料表面快速被加热到汽化并形成槽线，从而可以形成阻断电流导通的单独模块，以实现增大电压和串联电池的效果。高质量薄膜的加工是钙钛矿电池的重要特性，激光工艺关系到薄膜的损伤缺陷以及被切面的平整光滑程度，这类因素会共同影响电池的效率和寿命。因此，精密激光设备在钙钛矿薄膜电池中具有很高的重要性。

P1激光刻蚀：在透明导电电极TCO沉积后，和电荷传输层沉积前，进行激光刻蚀，以形成彼此独立的条形导电电极（图中浅蓝色部分）；

P2激光刻蚀：在第二电荷传输层沉积后，底电极沉积之前，进行激光刻蚀，去除HTL/钙钛矿层/ETL，留下TCO层，形成一个空缝。进行底电极层沉积时金属会填满这个空缝，从而将一个电池的底电极与下一个电池的透明顶电极相连；

P3激光刻蚀：去除相邻电池的底电极/HTL（空穴层）/钙钛矿层/ETL（电子层），留下TCO层，从而实现分离效果；

P4 清边：去除薄膜的边缘区域，利用激光划线划分出区域后进行清除。

钙钛矿电池电路中的激光刻蚀

来源：Joule

各家设备厂商积极开展钙钛矿薄膜电池激光刻蚀设备的布局。德龙激光属于较早关注到钙钛矿薄膜电池制备的激光厂商，目前设备已投入客户产线进行实际生产。除德龙激光外，迈为股份在2021年年报中就披露已经制造出钙钛矿激光设备样机；帝尔激光在官网上表示激光设备已应用于TCO层、氧化物、电极层生产；众能光电也表示钙钛矿激光划线刻蚀设备已出货50台套。