科普 | 什么是钙钛矿电池？

什么是钙钛矿电池

钙钛矿太阳能电池（PSCs）是利用钙钛矿型材料作为吸光层的新型化合物薄膜太阳能电池。钙钛矿的命名取自俄罗斯矿物学家Perovski的名字,结构为ABX3以及与之类似的晶体统称为钙钛矿物质。钙钛矿型太阳能电池,即perovskite solar cells，是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池。

钙钛矿电池

钙钛矿并不是专指一种含钙和钛的某种化合物，而是一类具有ABX3结构的晶体材料的总称，可选的材质种类众多。

钙钛矿电池的结构主要由以下几个关键部分组成：透明导电基底、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和金属电极。这些组成部分共同协作，使得钙钛矿电池能够有效地吸收太阳光并将其转化为电能。

透明导电基底：这是钙钛矿电池的基础，通常采用掺氟的氧化锡（FTO）或掺铟的氧化锡（ITO）等材料制成，具有高透光性和良好的导电性。它的主要作用是引入太阳光并收集产生的电流。透明导电基底的选择对钙钛矿太阳能电池的性能至关重要，因为它不仅影响光线的入射，还影响电流的导出。

电子传输层：位于透明导电基底和钙钛矿吸光层之间，主要作用是传输电子。常用的电子传输层材料包括二氧化钛（TiO2）、氧化锌（ZnO）等，这些材料具有良好的电子迁移率和稳定性，能够将钙钛矿吸光层中产生的电子传输到透明导电基底上。

钙钛矿吸光层：这是钙钛矿太阳能电池的核心部分，主要由ABX3结构的有机卤化物钙钛矿材料构成。这些材料具有优异的光电转换性能，能够有效地将太阳光的能量转化为电能。钙钛矿吸光层的制备工艺和性能对钙钛矿太阳能电池的整体性能具有决定性影响。

空穴传输层：位于钙钛矿吸光层和金属电极之间，主要作用是传输空穴。常用的空穴传输层材料包括Spiro-OmetaD等，这些材料能够有效地提取和传输光生空穴，从而提高电池的光电转换效率。

金属电极：这是钙钛矿太阳能电池的最后一道工序，主要负责传输电荷并连接外电路。通常是在空穴传输层外面蒸镀一层金、银或铝制成，以提高电极的导电性能。

钙钛矿太阳能电池的结构分类多样，每种结构都有其独特的特点和适用场景，通常包括正式介孔结构、正式平面结构以及反式平面结构。

钙钛矿电池的发展阶段

HJT电池的发展历程可以分为技术雏形期、技术累积期、快速发展期、爆发期四个阶段。

钙钛矿电池的优势

相比较晶硅而言，钙钛矿具备三大核心优势即光电转换效率高、原材料丰富且易于合成、生产工艺流程短、应用场景丰富。

光电转换效率高

资料显示，单结晶硅电池的理论极限效率约为29%，而钙钛光伏电池的单结理论效率可达31%；钙钛矿叠层电池，包括晶硅/钙钛矿的双结叠层转换效率可达35%，钙钛矿三结层电池理论效率可达45%以上，因此被业内认为有望成为下一代主流光伏技术。

材料丰富且易于合成

晶硅电池的基础原料是多晶硅，需要消耗大量能源从提纯原始硅材料。而钙钛矿电池制作过程无需硅料，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。

生产工艺流程短

晶硅电池一般需要硅料、硅片、电池、组件四个生产制造阶段，此过程需要至少耗时3天，而钛矿电池的生产流程简单，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。

应用场景丰富

钙钛矿具有轻质、柔性、弱光性高等特点，下游应用场景广阔。包括光伏建筑、发电幕墙，、发电石材、车顶光伏、移动设备和电子产品、联网传感器等。随着技术的推进，钙钛矿应用场景充满想象空间。

钙钛矿电池工艺

钙钛矿电池吸光层制备工艺总体参照硅基薄膜、铜铟镓硒薄膜等薄膜光伏制备工艺，分为湿法工艺和干法工艺两大类。其中，湿法工艺又包括狭缝涂布和丝网印刷。

通常情况下钙钛矿电池企业在实验室阶段各种技术路线均会尝试进行初步论证，而走向大面积100MW中试产线时目前大多数企业选用湿法工艺进行钙钛矿组件制备，少数企业选择干法或涂布加蒸镀两步法工艺。

除吸光层外，单结钙钛矿电池核心层还包括电子传输层、空穴传输层。电子传输层和空穴传输层沉积技术路线较为相似，基本包括PVD（包含磁控溅射和蒸镀法）、反应等离子沉积（RPD）和狭缝涂布三种。目前，产业界制备钙钛矿核心层主流路线包括PVD→狭缝涂布（丝网印刷）→RPD（PVD）、PVD→PVD（气相沉积）→RPD（PVD）、PVD→狭缝涂布+PVD（蒸镀）→RPD（PVD）三大类，不同技术路径均有优缺点，尚未形成统一的技术路径。

涂布法钙钛矿电池整线工艺流程

涂布法钙钛矿电池整线生产工艺，分为前段电池制备和后端组件封装，累计超过30多个环节。前段工艺主要包括前电极制备、激光划线、钙钛矿吸光层、电子传输、空穴传输、背电极制备等，其中钙钛矿吸光层最为关键。后段工艺主要包括胶带贴合、丁基胶涂敷、层压及接线盒焊接、检测等工序。

钙钛矿电池的企业布局

目前，钙钛矿电池技术已经发展到商业化量产的前夜。许多专业化的钙钛矿电池研发制造企业如协鑫光电、纤纳光电、极电光能、万度光能、仁烁光能等企业正在积极推进钙钛矿电池商业化量产。原有的晶硅电池企业则在积极推进钙钛矿、晶硅双节电池的研发。

1、协鑫光电

协鑫光电材料有限公司成立于2019年底，公司专注于研发、生产1m*2 m尺寸的钙钛矿太阳能电池组件，2021年建成全球首条100MW钙钛矿太阳能电池生产线。母公司苏州协鑫纳米科技有限公司于2017年在苏州建成一条10 MW级45cm×65cm钙钛矿光伏组件中试产线，通过采用自主研发的大面积钙钛矿Slot-die涂布方法，辅以大面积钙钛矿溶液结晶成膜技术和先进的内联集成技术，可批量生产具有商用化价值的45cm×65cm产品，目前该产品的效率已超过15%，在同类产品中处于世界领先水平。

协鑫光电钙钛矿叠层组件

图片来源：协鑫光电

2、纤纳光电

2015年，三位浙江大学校友姚冀众、颜步一博士、杨旸联合创办了纤纳光电，成为最早一批研发并制造钙钛矿电池的公司。2016年纤纳光电研发的的钙钛矿光伏组件光电转换率达到15.24%，，刷新了日本科学家创造的12.1%的世界纪录。2017年5月，纤纳光电创造了16.0%的新的世界纪录；2017年12月，纤纳光电将这一纪录提升至17.4%。从2017年到2022年，纤纳光电又将钙钛矿的转换效率从17%，提升至21.8%。

纤纳光电发布α²钙钛矿组件

图片来源：纤纳光电

3、极电光能

极电光能是一家专业从事钙钛矿光伏、钙钛矿光电产品研发和制造的创新型高科技企业。公司起源于长城控股集团，2018年开始钙钛矿技术研发，2020年正式独立面向全行业发展。极电光能建成首条全球规模最大、智能化程度最高的150MW钙钛矿光伏组件标杆生产线。全球首条GW级钙钛矿光伏组件量产线建设中。

极电光能钙钛矿光伏产品

图片来源：极电光能

4、仁烁光能

仁烁光能成立于2021年底，专注高效率钙钛矿光伏电池的研发与制造。钙钛矿单结及叠层技术全球领先，连续七次创造钙钛矿电池光电转换效率的世界纪录，已申请核心专利60余件。2022年建成全球首条10MW全钙钛矿叠层研发中试线，2023年底投产150MW量产线，2024年规划建设GW级大规模量产线。

仁烁光能正在与众多车企积极洽商汽车顶棚钙钛矿光伏电池业务合作

图片来源：仁烁光能

5、众能光电

杭州众能光电科技有限公司创立于2015年8月，由清华校友创办，专注于钙钛矿太阳能器件和相关装备的产业化，成为国内第一家大面积组件效率突破15%的光电企业。

众能光电MW级钙钛矿太阳能电池全自动产线

图片来源：众能光电

钙钛矿电池的未来发展趋势

目前，行业普遍认为钙钛矿与晶硅电池组成的叠层电池是未来重要的技术方向。因此行业普遍看好钙钛矿电池的发展趋势，而且钙钛矿电池也受到光伏企业以及资本的青睐。行业预计2030年钙钛矿电池产能将达到461GW。

据光伏头条（微信号：PV-2005）不完全统计，2023年距今，脉络能源、众能光储、黑晶光电、仁烁光能、极电光能等企业共计15次融资事件。融资金额少则数千万元，多则上亿元。

对于钙钛矿电池技术而言，其最大的优势在于未来性，这使其具有潜在的投资价值，因此也受到各大资本、投行的重视。

内容资料参考来源： 储能蓄电池、势银、智研咨询、协鑫光电、纤纳光电、极电光能等