太阳能电池是一种能够有效吸收太阳能并将其转化为电能的半导体组件。

截至目前，太阳能电池已经经历了三个阶段的演进：

第一代：硅基太阳能电池

第一代太阳能电池主要包括单晶硅和多晶硅电池。尽管这些电池已经发展成熟并得到广泛应用，但其制备需要高纯度硅，导致制造成本较高，产业化应用受到限制。当前，第一代太阳能电池的技术水平已经达到了一定高度，其中PERC电池的量产转化效率达到23.1%，TOPCon电池的量产效率目前已超过25.3%，而HJT电池更达到了25.5%以上。

第二代：薄膜太阳能电池

第二代太阳能电池采用了薄膜技术，包括碲化镉（CdTe）、砷化镓（GaAs）和铜铟镓硒化合物等。相对于晶硅电池，薄膜电池能够容忍较高的缺陷密度，制作成本相对较低，易于量产。然而，其原材料中的一些元素地球储量有限且存在严重环境污染问题。目前，碲化镉电池的量产转化效率已达到16.6%。

第三代：新型太阳能电池

第三代太阳能电池涵盖了染料敏化电池、钙钛矿电池、量子点太阳能等新型技术。这些电池具有制备工艺简单、成本低廉、使用原材料地球储量大且转化效率高的优势。然而，由于仍处于初级阶段，这些新型太阳能电池在稳定性方面仍然存在一些挑战。

图 ：太阳能电池发展历程

资料来源：粉体网

02

钙钛矿指具有 ABX3 型化学组成的化合物，发电原理基于光生伏特效应。

钙钛矿的发现可追溯至1839年，广义上指的是具有ABX3型化学组成的化合物。该名词源于1839年，由俄罗斯科学家发现并以其名字命名。在1978年，Weber引入甲铵离子到晶体中，形成了具有三维结构的有机-无机杂化钙钛矿材料，这对于钙钛矿太阳能电池的制造至关重要。

钙钛矿太阳能电池采用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料。

广义的钙钛矿化合物具有ABX3型的化学组成，其中A（如Pb2+、Na+、Sn2+、Sr2+、K+、Ca2+、Ba2+等）是大半径的阳离子，B（如Ti4+、Mn4+、Zr4+、Fe3+、Ta5+等）是小半径的阳离子，X（如F-、Cl-、Br-、I-、O2-等）为阴离子。

在众多钙钛矿材料中，具有高介电常数的BaTiO3或一些金属氧化物钙钛矿（如PbTiO3、SrTiO3、BiFeO3等）吸光能力较差，收集自由电荷效率较低，不适用于光伏领域。相比之下，Weber首次发现的有机-无机杂化钙钛矿材料具有合成方法简单、光电性能优异等优势，更适用于光伏领域。

从具体结构来看，典型的ABX3有机-无机钙钛矿材料中，A位为有机阳离子（如甲铵离子、甲脒离子），占据了正方体的八个定点；B位为二价金属阳离子（如Pb2+、Sn2+等），处于正方体的体心；X是卤素离子（如Br-、I-和Cl-），占据了面心。

目前较为常见的钙钛矿太阳能电池原材料为碘铅甲胺（MAPbI3）。

图 ：有机-无机杂化的钙钛矿材料晶体结构

资料来源：《低成本制备高效率钙钛矿太阳能电池的研究》

钙钛矿太阳能电池的发电原理建立在光生伏特效应之上，通过电子和空穴对的产生来产生电流。该电池采用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料，其工作原理基于半导体的光生伏特效应。在光照条件下，钙钛矿材料内部处于发射区、势垒区和基区的价带电子吸收入射光子的能量，然后跃迁至导带，产生电子-空穴对。

具体而言，当钙钛矿层受到光照时，内部激子发生分离，产生电子和空穴对。电子通过电子传输层导出，而空穴则通过空穴传输层导出。当在器件上加上负载时，就能够形成完整的电路，实现电能的产生。这整个过程充分利用了半导体材料在光照条件下吸收光子并产生电荷对的特性，从而实现太阳能的转换为电能。

图：钙钛矿太阳能电池发电原理（以反式结构为例）

资料来源：《低成本制备高效率钙钛矿太阳能电池的研究》

钙钛矿诞生十余年，效率急速提升，有望成为晶硅之后的主流太阳能电池。

2009年，首个钙钛矿太阳能电池被发明，而转换效率仅为3.8%。但经历各国实验室重视研发14年后，其效率就被提升至26%。而晶硅电池转换效率从5%左右发展至26.81%用了60余年，理论极限转换效率为29.4%，目前晶硅电池已逐步接近转换效率的天花板，反观钙钛矿电池仍具备较大的发展潜力，如单结、双叠层、三叠层、四叠层理论最高转换效率分别达32.5%、44.3%、50.1%、54.0%。

图：钙钛矿电池发展迅速  资料来源：NREL

图：钙钛矿电池发展迅速

资料来源：极电光能

03

钙钛矿太阳能电池（PSCs）作为第三代高效薄膜电池，以其高转换效率和低制作成本的优势而备受瞩目，被誉为“光伏领域的新希望”。此外，钙钛矿还能与晶硅或其他不同的钙钛矿材料组合成叠层电池，进一步提升转换效率，展现了广阔的发展前景。

叠层电池以其理论转换效率之高而备受关注。相对于传统的单结钙钛矿电池只有一个pn结，叠层电池因其可调的钙钛矿带隙宽度，可以制备2结、3结及以上的叠层电池。其中，2结叠层电池涵盖了钙钛矿-钙钛矿和钙钛矿-晶硅叠层电池，其转换效率可提高至约40%左右，而3结及以上的钙钛矿叠层电池的理论转换效率更可达到50%左右。

相较于晶硅类太阳能电池，钙钛矿电池的光电理论转化效率显著较高。目前，单结钙钛矿太阳能电池的最高光电转换效率已经达到了25.7%，其理论转化效率可达31%。而异质结/钙钛矿叠层电池的理论极限效率更可超过40%，远高于单结晶硅太阳能电池理论极限效率的29.43%。通过掺杂新型材料，叠层钙钛矿电池的转换效率最高可达50%，约为目前晶硅电池的两倍左右，展现了显著的效率提升潜力。

根据Shockley-Queisser理论，当单结太阳能电池吸光材料的禁带宽度为1.34eV时，其理论光电转换效率可达33.7%。通常认为吸光层材料的最优带隙为1.3-1.5eV，越接近此值效率越高。而目前最常用的钙钛矿材料，如MApbI3和FApbI3的禁带宽度为1.5-1.6eV，非常接近最优带隙，其理论最大光电转化效率均超过30%以上，因此钙钛矿成为一种十分理想的新型光电材料。

表 ：钙钛矿电池和晶硅电池对比

资料来源：《超长稳定的混合阳离子钙钛矿太阳能电池性能优化研究》，《应用案例—钙钛矿太阳能电池》

钙钛矿太阳能电池在效率方面的提升速度较晶硅更为迅猛。

2009年钙钛矿太阳能电池首次问世时，其效率仅为3.8%。随后的发展中，Sang Seok等人于2017年采用两步法旋涂成膜，将效率提高到22.1%；

2018年，Jun Hong Noh等研究人员通过一种无溶剂固相反应的方法，将效率提升至24.35%；而到了2022年，蔚山先进能源技术研究开发中心和洛桑联邦理工学院采用胶体QD-SnO2牢固连接到c-TiO2表面的方法，形成了连续、薄和共形的SnO2层，基于双层电子传输层将效率提升到了25.7%。

相比之下，晶硅电池的效率在1989年达到22.8%后，在近四十年间没有取得较大突破。由2009年的3.8%提升至当前的25.7%，钙钛矿电池的效率提升速度远远高于晶硅电池。这主要得益于钙钛矿电池材料具有较强的可设计性。

在光伏应用中，钙钛矿材料是一种人工设计的晶体材料，其选择灵活，可以通过人工设计不断寻找性能更好、成本更低的材料，并通过不断改进设计以提升电池性能。相较之下，晶硅材料只能进行提纯，其结构无法进行改变。因此，钙钛矿太阳能电池与晶硅电池的竞争，实质上是成千上万种钙钛矿材料与一种晶硅材料之间的竞争。这表明了钙钛矿太阳能电池在技术创新和性能提升方面具备更为灵活的潜力。

图 ：钙钛矿电池转化效率提升速度快

资料来源：NERL

钙钛矿可与HJT、TOPCon等晶硅电池组成高效的叠层电池。晶硅的带隙为1.12 eV，而典型的甲胺铅碘(CH3NH3PbI3) 钙钛矿带隙为1.55 eV。通过部分用Br−替代I−来调节钙钛矿吸收层的带隙至1.7 eV，预期可以获得35%的效率，极限效率更可达60%。目前，钙钛矿/晶硅叠层电池在实验室中已经取得了29.8%的效率。另一条路线是TOPCon与钙钛矿的叠层，基于隧穿氧化硅钝化解除（TOPCon）底电池，最高效率达到28.2%。该器件采用了与产业化相兼容的黑硅纳米绒面和TOPCon结构的设计。

不同组分的钙钛矿也可组成叠层电池。通过调整卤素占比，可以获得不同组分的钙钛矿材料，对应的带隙和能级分布也各不相同。此外，带隙连续调控的可能性使得钙钛矿在发光、光伏、光探等多个领域都有广泛应用。钙钛矿/钙钛矿叠层电池的效率略低于钙钛矿/晶硅叠层电池，但经过认证的产品已经达到了60%的极限效率。目前，钙钛矿/钙钛矿叠层电池在实验室中的效率已经达到了28%。这表明钙钛矿叠层电池在多个方面具有潜在的应用价值和高效能力。

表 ：不同类型钙钛矿电池最新转换效率

钙钛矿电池相对于晶硅电池具有更轻薄、透光性更好、柔性更强的特点，不仅在效率上有优势，而且在短波长范围内具备强大的吸光能力。

将钙钛矿电池与其他太阳能电池集成后，可以全面捕捉和转换更宽光谱范围的太阳光。通过叠层设计，太阳能光谱分为连续的部分，最外层的宽带隙材料电池吸收波长最短的光，而波长较长的光透射到内层，使较窄能带隙材料电池充分吸收，最终最大化光能转化为电能，提高电池的转换效率。

钙钛矿原材料易得且制造产业链明显缩短。

生产过程：

钙钛矿电池的生产过程相较晶硅电池更经济，仅需45分钟完成从原材料到组件的整个流程。

其组件制备可由单一工厂完成，与晶硅电池相比，无需在不同工厂进行硅料、硅片、电池片和组件的加工，使得生产更加集中和经济。

协鑫纳米披露，钙钛矿太阳能电池的生产流程简单，能够在45分钟内在单一工厂内完成玻璃、胶膜、靶材、化工原料的加工，极大缩短了产业链，使价值高度集中。根据纤纳光电、协鑫纳米、牛津光伏等三家公司公布的数据，实现1GW产能所需的投资金额对比显示，晶硅电池需要在四个不同工厂分别加工硅料、硅片、电池和组件，耗时至少3天。

晶硅的整体投资规模约为11.6亿元，而实现1GW产能的钙钛矿电池仅需约5亿元左右，仅为晶硅的一半左右。与投资更高的第二代GaAs薄膜太阳能电池相比，钙钛矿电池的成本更低，仅为其1/10。

图 ：钙钛矿太阳能电池产业链显著缩短

资料来源：头豹研究院《2022 年中国钙钛矿电池行业概览》

产能投资： 钙钛矿电池的产能投资明显低于晶硅电池。协鑫光电披露，1GW产能下，钙钛矿仅需5亿元，而晶硅则需要11.6亿元。100MW中试线的单瓦成本低于1元，随着产能扩大，1GW产线单瓦成本可下降至0.7元，成本逐渐降低。

制备成本： 钙钛矿的制备条件温和，有效降低成本。电池核心材料复合钙钛矿可通过温和条件的制备，如涂布法、气相沉积法等，工艺简单、制造成本低、能耗低、环境友好。

原料： 钙钛矿太阳能电池的原材料易得且要求低纯度，与晶硅相比用量更少。晶硅电池对硅料要求高达99.9999%，而钙钛矿太阳能电池的制作只需90%左右的钙钛矿材料即可达到20%以上的转换效率。硅料价格上涨对下游产业造成压力，而钙钛矿电池无需硅料，约1000吨钙钛矿原料即可替代每年50万吨硅料，解决原材料瓶颈问题。

硅料价格： 硅料价格上涨导致下游产业利润下滑，而钙钛矿电池无需硅料，制作金属卤化物钙钛矿的原材料价格低廉、储量丰富。其制备过程简单，不要求高纯度，环境要求低，成本较低。钙钛矿组件的主要成本在电极材料，未来仍有较大的成本降低空间。

图：钙钛矿太阳能电池单位原材料投入显著低于晶硅类

资料来源：索比光伏网