钙钛矿电池技术钙钛矿东风渐起降本增效未来可期

钙钛矿光伏横空出世，效率屡创新高钙钛矿光是什？钙钛矿是以俄罗斯矿物学家Prvsi的名字命名的，最初单指钛酸钙（CTO3）这种矿物，后来把结构为3以及与之类似的晶体统称为钙钛矿物质。其中A离子处于立方晶体结构的八个顶角位置，一般是正一价的阳离子，例如有机甲胺离子C3N3+、有机甲脒离子N2C=N2+和无机铯离子（Cs+）等。B离子处于立方体的体心位置通常是正二价的金属离子例如亚铅离（P2+亚锡离（S2+）和亚锗离（G2+）等X离子处于立方体的面心位置，大部分是负一价的卤素离子例如氟离子（F-）、氯离子（C-）、溴离子（Br-）和碘离子（I-）等。A位离子的半径大小需要满足一定基本条件，必须能够填充构成钙钛矿晶体。一个B位离子和六个X位离子成6型的八面体结构，A位离子半径必须足够延伸到该框架内。因此，A位离子的半径总是比B位离子半径大。钙钛矿型立方体结构稳定与否是由各离子之间的距离决定。图1：钙钛矿型材料结构 Oeek，研究作为钙钛矿电池的核心，钙钛矿材料具有众多优异的性质，如吸光系数高、载流子迁移率高、缺陷容忍度较高等。这些性质相应的使得其电池具有一系列优点，如制备简单、成本低廉、可实现超轻超薄等。此外，通过对其化学成分进行调整优化，从而可以制备不同特点的钙钛矿材料面向不同应用场景，如半透明太阳能电池、彩色光伏玻璃等。材料的禁带宽度可以通过改变组成物质的种类及比例来调控，能覆盖的光谱吸收范围宽至红外波段，同时具备载流子扩散距离长和迁移率高的优点。需要指明的是，钙钛矿材料的光电性质使其不仅可以用于制备光伏电池，也可以用于发光二极管（LD）、光探测器、晶体管催化剂等各类应用中。材料特点电池特点原材料为基础化工品制备成本低可液相制备材料特点电池特点原材料为基础化工品制备成本低可液相制备制备温度较低；可制备柔性器件；节省原材料吸光系数高电池厚度很薄，可制备超轻超薄器件载流子迁移率高结构简单，性能优异缺陷容忍度高对原材料纯度要求低材料组分可调可实现叠层电池、半透明电池、彩色光伏玻璃等多类型应用公开资料，钙钛电池结构随着钙钛矿光伏研究的不断深入，逐渐涌现出多种技术路线。按照吸光层数量，可其划分为单结和多结（叠层）电池；按照吸光层的放置形式，可将其划分为介孔（esors和平面（lr按照电荷传输层的排列可将其划分为正（--）和反式（--n）结构电池。此外，体异质结、梯度异质结等新型器件结构也逐渐被研发单结电池是最简单、最普遍的钙钛矿电池形式。通常一个单结电池结构中包括五个部分：钙钛矿吸光层：用于吸收入射光，产生空穴和电子两种载流子，从而实现将光转化为电能。空穴传输层（L）：将生成的空穴抽取并传输至阳极，并阻挡电子通过。电子传输层（L）：将生成的电子抽取并传输至阴极，并阻挡空穴通过。透明导电氧化物电极（CO）：通常为光入射面，并与外电路相连。金属电极：通常为光反射面，并与外电路相连。图2钙钛矿电池结与发电原理Ceersoc，研究从各种关键材料的能级图中可以看出，钙钛矿材料MPI3受到入射光照射后将吸收能量大于其禁带宽度的光子，并产生光生载流子，光生载流子分离为空穴和电子并分别注入电荷传输材料中其中空穴从钙钛矿材料进入空穴传输材料Sr-OMeD电子从钙钛矿材料进入电子传输材料TO2最后分别通过金属电极Au和透明导电基底IO传输至外电路。nip与in型钙钛矿电池钙钛矿太阳能电池的组成按照功能分层一般可分为五层：阳极层、空穴传输层、光吸收层、电子传输层以及阴极层。根据需要还可以再加上电子修饰层和空穴修饰层。根据五个基本功能层的顺序可分为ip型结构和pn型结构ip型结构各层由下至上分别为阴极层电子传输层光吸收层、空穴传输层、阳极层pn型结构各层分布不同的是电子输层和空穴传输层，即为：阳极层、空穴传输层、光吸收层、电子传输层、阴极层。各层起到不同的作用，共同构成完整电池。图3钙钛矿电池p与n结构daedoalaeras，研究以n型为例：阳极层一般是IO导电玻璃，FO导电玻璃等，起收集空穴，构成电池阳极的作用。空穴传输层通常是PDO:PSS等材料该层与电池的光吸收层的界面处的接触形成欧姆接触，能够高效地传输由活性层产生的自由空穴，且需要有效地阻挡住界面处自由电的通过，进而避免电子与空穴的复合。光吸收层，即钙钛矿电池的活性层，由钙钛矿材料组成，该层是整个电池结构的核位置，其成膜质量好坏直接决定了器件性能优劣。电子传输层通常是PCM或C60等材料该层需要高效的传输光吸收层产生的自由电子，有效的阻挡自由空穴的通过，且与活性层的界面处形成欧姆接触。阴极层，一般是铝、银和铜等金属材料。钙钛矿单结电池主要分为--p和--n型两种结构路线。两者区别在于载流子传输层L/L相对于钙钛矿吸光层的位置。由于需要与钙钛矿材料以及CO能级匹配的要求，在两种结构中可用作L/HL材料的选择均较有限。钙钛矿电池脱胎于染料敏化--p结构电池，因而研究较早且更加深入，目前钙钛矿电池最高效率（257%即采用该种结构对于n--p结构电池EL常使用氧化钛。由于氧化钛制备过程涉及数百度高温加热，近年来氧化锡被视为替代氧化钛的最佳选择。得益于优异的空穴传输能力，spr-OMTD通常被视为高效率n--p电池中L的“唯一”选择。但其较差的稳定性及较高的制备成本使得学界不断探索新的L材料。相比而言，--n结构电池发展要略晚一些，因此其效率略低于--p结构电池但最近几年发展十分迅速。该结构摆脱了对sr-OMeD的依赖，拥有PTA、氧化镍、oyPD自组装小分子等多种高效HL的选择目前--n电池已经成为新的研究热点。图4钙钛矿电池两种结构效率对比 NareEergy，研究介孔型与平面型早期钙钛矿材料被用在染料敏化电池的吸光层中作敏化剂，即为介孔型钙钛矿单结电池。随后将介孔材料替换为薄膜材料后，演化为平面型电池结构。介孔型钙钛矿太阳能池发展最早效率最高材料和工艺最成熟也是目前普遍研究的一类钙钛矿太阳能电池。介孔结构的钙钛矿太阳电池为：FO导电玻璃、O2致密层、TO2介孔层（多孔O2支架层）、钙钛矿层、M层、金属电极。透明导电基底是其他材料的载体，同时还是光线透过的窗口，并负责将收集到的光电子传送至外电路，透明导电基底一般采用氧化铟锡导电玻（IO或氟掺杂的氧化锡导玻璃（FO）。电子传输层由致密O2和介孔O2两层材料组成致密TO2直接制作在透明导电基底上阻止导电基底与钙钛矿材料的直接接触避免空穴向导电基底传输介孔O2既起到支撑框架作用，辅助钙钛矿生长，形成多孔TO2/钙钛矿混合层，又起到关键的传输电子的作用。常用的致密层制备方法有旋涂法、喷雾热解、LD法、磁控溅射法等，其中以喷雾热解法和旋涂法最为常用。前者的工艺相对较为稳定，重现性较好。后者由于使用成本更低，操作简单，因此成为制作致密层的主流方法。钙钛矿吸光层则是钙钛矿太阳能电池中吸收太阳光、产生光电子的活性材料，目前熟的钙钛矿材料是碘化铅甲（MPI3空穴传输层的作用是提取和传输光生空穴常用Sir-OMeD。金属电极的作用是传输电荷并连接外电路，一般通过在空穴传输层外面蒸镀一层金而获得。图5介孔型钙钛矿电池结构 图6平面型钙钛矿电池结构 知网，研究 资料来源：物理学报，研究钙钛矿电发电原理图7钙钛矿电池发电原理 图8激子行程过程资料来源：科普中国，研究 资料来源：科普中国，研究钙钛矿太阳能电池是一种将光能转化为电能的装置，其本质是半导体二极管，发电原理也正是基于PN结的光生伏特现象PN结是由一个N型掺杂（N为Netve的字头，这类半导体由于含有较高浓度的电子带负电而得此名和一个P型掺杂（P为Pstve的字头，这类半导体由于含有较高浓度的“空穴”，相当于正电荷，带正电而得此名）紧密接触所构成的其接触界面称为异质结界面（PN结。当太阳光照射在半导体PN结上时，会激发形成空穴-电子对（激子）。由光照产生的激子首先被分离成为电子和空穴，然后分别向阴极和阳极输运。带负电的自由电子经过电子传输层进入玻璃基底，接着经外电路到达金属电极。带正电的空穴则扩散到空穴传输层，最终也到达金属电极。在此处，空穴与电子复合，电流形成一个回路，完成电能的运输。钙钛矿器件的工作机制总体可以被划分为五个过程：光子吸收过程受到太阳光辐射时电池的钙钛矿层吸收光子产生受库仑力作用束缚的电子-空穴对，由于钙钛矿材激子束缚能的差异，这些载流子或者成为自由载流子或者形成激子。激子扩散过程：激子产生后不会停留在原处会在整个晶体内运动激子的扩散长度足够长，激子在运动过程发生复合的几率较小，大概率可以扩散到界面处。而且，为钙钛矿材料往往具有较低的载流子复合几率和较高的载流子迁移率，所以载流子的扩散距离和寿命较长。激子解离过程钙钛矿材料的激子结合能小，在钙钛矿光吸收层与传输层的界面处，激子在内建电场的作用下容易发生解离，其中电子跃迁到激发态，进入LUMO能级解除束缚的空穴留在OMO能级，进而成为自由载流子。载流子传输过程：激子解离后形成的自由载流子其中自由电子通过电子传输向阴极传输，自由空穴通过空穴传输层向阳极传输。电荷收集过程自由电子通过电子传输层后被阴极层收集，自由空穴通过空穴输层后被阳极层收集两极形成电势差电池与外加负载构成闭合回路回路中形成电流。钙钛矿光电池转效率突飞猛进光伏发电成本依赖于太阳能电池的光电转换效率。有研究显示，转换效率每提升1%发电成本可降低7%但目前晶硅太阳能电池光电转换效率遭遇发展瓶颈因此研发制备更低成本、更高效率的太阳能电池是实现光伏发电平价上网的关键，也将为实现“双碳”目标提供重要科技支撑。第一片钙钛矿光伏电池于2009年由日本科学家Miysaka制备其光电转换效（PCE）仅有38%远远低于同时期已经实现商业化应用的硅光伏电池2012年韩国的Prk和英国牛津的Sath分别对电池结构进行了调整优化使得钙钛矿电池效率突破了10%大关，吸引了全球学术界的关注。随后钙钛矿材料优异的性质被充分研究挖掘，电池效率也快速攀升至257%，在短短十余年内几乎追赶上晶硅光伏电池过去四十余年的的最佳效率267%，使其具备了未来挑战晶硅光伏电池主导地位的实力。图9钙钛矿光伏和晶硅光伏效率进展对比 NREL，从理论上讲，目前单层钙钛矿太阳能电池的光电转换效率最高为33%，双层结构可高达45%22年6月南京大学现代工程与应用科学学院和英国牛津大学学者运用涂布印刷、真空沉积等技术，在国际上首次实现了大面积全钙钛矿叠层光伏组件的制备，开辟了大面积钙矿叠层电池的量产化、商业化的全新路径。经国际权威第三方测试机构认证，该组件稳定的光电转换效率高达217%，是目前已知的钙钦矿光伏组件的世界最高效率该成绩被最新一期的《太阳电池世界纪录表》收录，相关成果近日刊发于国际权威学术刊《科学》。叠层钙钛——光电转换效率天花板当前产业化晶硅单结太阳能电池的光电转换效率已经达到23~25%，实验室最高效率也已达到~27%十分接近单结理论最大效率~31%进一步提升单结晶硅电池效率的空间极为有限。通过使用多层吸光层来构建叠层结构的光伏电池，可以更加充分的利用入射的太阳光，拥有更高的理论效率天花板。如下图所示，在理想情况下，两结叠层电池的理论效率大幅提升至~45%更多吸光层可以继续增加理论效率但边际效益显著下降因而从性能和经济性考虑，两结叠层电池是未来产业化的主要方向。叠层电池中通常包含一个宽带隙吸光（16-20V，用于吸收蓝光范围和一个窄带隙吸光（09-14V用于吸收红光范围前述提到钙钛矿由于其化学组分可以调整（晶硅、砷化镓等半导体不具备此性质），因而较为容易控制其带隙和吸光范围，非适合用于制备叠层电池。当前基于钙钛矿的叠层电池主要有两种技术路线：钙钛矿/晶硅层和全钙钛矿叠层电池。此外还有钙钛矿/有机叠层电池、钙钛矿/CIGS叠层电池等正在探索的方案。图10光伏电池吸光层数量与理论最大效率关系 Nare，研究钙钛晶硅叠层电池由于晶硅具有窄带隙的特点，其吸收短波长光子时会产生较大的能量损失，限制了其最高转换效率通过将其与对应的宽带隙吸光材料（16-17V）结合构建叠层电池可有效实现效率提升目前钙钛矿/晶硅叠层电池的实验室内最高效率已达到313%并有望在来继续提升至35%以上。目前晶硅光伏有三大主流技术路线：PEC、OPCnIT。尽管目前PEC仍占有较大的市场份额，但按照各厂商新增产线产能来看，未来3-5年内，OPCn和IT将迅速投产放量，有望在2030年前实现三足鼎立之势。因此当前钙钛矿/晶硅叠层技术研发主要为钙钛矿/IT和钙钛矿/OPCn两种路线。图11晶硅光伏技术演化 NareReewaeras，研究图12主要晶硅技术占率预测 CI，研究PCPCPnT理论最高效率（%）245287275器件厚度（μm）170-19015016090-140制备工艺工序中等工序复杂工序简单生产成本（元）060807-0910-20设备投资（亿元）12152~2（从PERC升级成本为0535~45公开资料，钙钛矿太阳能电池的带隙可调、转换效率高且制备成本低廉等特点，使其适合用于构筑高效率低成本的串联叠层太阳能电池构筑串联叠层器件是提升电池效率的重要途径，其中宽带隙顶电池吸收短波长的太阳光，窄带隙底电池吸收未被宽带隙顶电池利的长长太阳光。通过使用不同带隙的半导体材料，可以减小单结电池中载流子热驰豫导致的量损失，同时还可拓宽太阳能光谱的利用范围，从而提高电池效率。图13钙钛矿硅叠层电池结构仁烁光能，研究OPCon技术与当前主流的PEC技术一脉相承，依托现有设备和产线升级，可以大幅提高晶硅电池的效率与钙钛矿相结合构建钙钛矿/OPCon叠层电池可以最大程度上利用现有PEC设备和产线相比而言IT电池具有工序简单的特点可以缩短出货周期，长期来看成本优势明显，但其与PEC及OPCon具有较大差异，无法利用现有PRC设备产线。近年来，钙钛矿/晶硅叠层电池效率屡创新高，主要采用钙钛矿/IT组合。图14钙钛矿/晶硅叠层电效率进展 《钙钛矿及其叠层太阳能电池现状及发展趋势张晓丹，研究全钙钛矿叠层电池钙钛矿组分可调的特点使得其不仅可以用作宽带隙吸光层，也可以调整得到窄带隙光层，两者结合即可得到全钙钛矿叠层电池。相比于钙钛矿/晶硅叠层仍然对晶硅产有很的依赖性，全钙钛矿叠层完全无需依赖于现有晶硅产业链，因此可以充分释放钙钛矿自身优势，如吸光能力强（器件轻薄、可柔性）、成本低、可低温加工等。将钙钛矿单结电的制备工艺略加调整即可升级制备全钙钛矿叠层电池。图15全钙钛矿叠层电池NareEergy，研究钙钛矿晶硅（）叠层全钙钛矿叠层钙钛矿晶硅（）叠层全钙钛矿叠层理论最高效率（%）40>40当前最高效率（%）313280初始产能投资（亿元）8-103-5生产成本（元）12-302-09最高工艺温度（℃）1500<200产业链晶硅钙钛矿钙钛矿器件厚度（μm）102<1柔性器件X√纤纳光电，据仁烁光能介绍，全钙钛矿叠层电池的理论转换效率可达43%，产业化量产效率有做到35%以上；在度电成本方面，全钙钛矿度电成本约为422美分，较晶硅/钙钛矿叠层电池的度电成本略低。图16晶硅/钙钛矿叠层度电成本 图17全钙钛矿叠层度电成本 资料来源：仁烁光能，研究 资料来源：仁烁光能，研究钙钛矿电池制备方法钙钛矿光伏电池的制备流程如下：图18钙钛矿电池制备流程 牛津光伏，研究材料制备：钙钛矿材料制备主要包括致密层TO2胶体、介孔层TO2胶体钙钛矿前驱体溶液、Sro溶液材料的制备。处理导电基地IO导电玻璃一般用n粉和盐酸溶液刻蚀后放入洗洁精水溶液中超声清洗。搓洗干净后再依次用去离子水、无水乙醇、丙酮、异丙醇分别超声清洗。最后，将IO导电玻璃用氮气吹干，并用氧气等离子清洗。制作电子传输层电子传输层由致密层TO2和介孔层TO2两层材料组成采用依次旋涂成膜的方式制备。制作钙钛矿吸光层：吸光层的制作是钙钛矿太阳能电池组装的关键步骤其成膜质量受环境温度环境湿度环境含氧量退火温度退火时间操作手法等多个因素影响，并在很大程度上影响了最终器件的性能钙钛矿吸光层MPI3的制作方法主要包括溶液法（或者旋涂法）、共蒸发法和气相辅助溶液法。①溶液法：主要包括旋涂、熏蒸、退火3个关键步骤，其流程如图所示。该方法简经济一般将Pb2和C3N3X按一定化学计量比溶解在溶剂中组成前驱体溶液然后将其直接旋涂在O2上，随后在100℃、N2手套箱中干燥。干燥期间，Pb2和C3N3X反应，生成C3N3P3同时颜色不断加深-丁内酯和N,N-二甲基甲酰胺（DMF）是常用的前驱体溶剂。该方法简单易用，但其制备的薄膜形貌变化大，对性能的可控性差。需要注意的是溶液法的旋涂工艺往往会导致表面覆盖不全，出现针孔。这会使电池中的空穴传输层与电子传输层直接接触，产生分流，从而降低电池填充因子和开路电压。图19溶液法钙钛矿吸光层的制作方式 资料来源：知网，研究表4：液相法制备工艺优点缺点旋涂法Spincoaing初始投资小薄膜均匀只适用于小面积材料浪费严重刮涂法Bladecoaing节省材料兼容卷对卷工艺刀片与样品基底接触狭缝涂布Slotdiecoaing节省材料兼容卷对卷工艺刀片与样品基底接触喷墨法nkjetcoaing允许图案设计喷头分辨率可调部分材料浪费喷雾法Spraycoaing允许图案设计可制备大面积薄膜材料浪费严重需要额外掩模版NRE，研究图20几种主要液相制备钙钛图与市场占比Maeras，SoarRR，研究②共蒸发法：真空蒸镀法现已广泛运用于晶硅和薄膜太阳能电池的制备中。共蒸发（c-vaortin）的方法可以生长出高质量的𝐶3𝑁3𝑏𝐼−𝑋𝐶𝑙吸收层。在0−3Pa的本底真空下，向表面沉积了TO2的F（fur-oedtxd）导电玻璃上共蒸镀CL2和𝐶3𝑁3𝐼。两反应生成𝐶3𝑁3𝐼−𝑋𝐶𝑙，随后在100℃，2手套箱中退火使材料晶化完全。采用共蒸发法制备的钙钛矿材料杂质缺陷少，结构致密，表面具有完美的均一性然而该方法需要高真空这不仅对设备的要求较高且对能量的消耗十分巨大。图21蒸镀法制备钙钛矿电池Nare，.Mae.Ce.，研究③气相辅助溶液法：如前所述，传统溶液生长会出现针孔及表面覆盖不全的现象，真空共蒸发法不经济不环保因此逐步发展出气相辅助溶液法该方法先用溶液法将2沉积在覆盖c-O2的FO玻璃上，然后在150℃、𝐶3𝑁3𝐼和2的气氛中，通过原位反应生长出了𝐶3𝑁3𝐼3吸收层。VSP法制得的吸收层具有完全的表面覆盖率，低的表面粗糙度以及微米级的晶粒尺寸。这使得载流子在输运时具有低的表面复合率，从而使电池呈现出较高的开路电压。整个过程对真空度无特殊要求，相比共蒸发法经济环保。制作空穴传输层使用制备好的Spro溶液用过滤器过滤后旋涂在制作了钙钛矿薄膜的基片上，在干燥箱中放置12h以上，即制作完Sro空穴传输层。蒸镀金电极：利用真空蒸镀设备，在空穴传输层上蒸镀厚度约为80m的金薄作为电极，即获得最终的钙钛矿太阳能电池器件。由于使用金金属造价较高，目前也在考虑使用其他替代金属。制作完成的钙钛矿电池，还需要封装成组件。整体来看，各个环节的制备方法及所材料如下：图22钙钛矿各层制备方法与对应材料资料来源：公开资料整理，研究优点众多且突出，光环下仍需关注短板三大优点突出：高效率、低成本、室温柔制备钙钛矿光伏电池从2009年诞生于实验室到今年逐步开启产业化进程仅仅度过了十余年时间，相比于晶硅电池、Ⅲ-Ⅴ族电池动辄三四十年的发展历史，无疑是横空出世。其要具有三大优点，即高效率、低成本以及可在室温条件下制备柔性器件。高效率钙钛矿对比目前市场主流光伏电池技术，钙钛矿无疑处于效率的第一梯队。目前效高于钙钛矿的仅有单晶硅和Gas两种技术，其中Gs由于成本较高，主要应用于空间航天领域，因此未来一段时间单晶硅将是钙钛矿的主要挑战目标。考虑到钙钛矿的研究只进行了十余年，众多材料和器件机理难题仍有待突破，未来效率仍将有较大的提升空间，效率上追平乃至超越晶硅电池可以期待。表5：主流光伏电池技术效率对比实验室最高效率（）产业化组件效率（）单晶硅26724-25非晶硅102/as291251anP220/C234192Cde210195182/Peroskie257214Soareleeyabes,NRE,图23主流光伏电池技术效率对比 SoarRRL，研究图24钙钛矿电池效率进展图Maeras，研究低成本相比于晶硅电池，较低的成本是钙钛矿另一大优势。晶硅光伏产业链涉及四个主要节：硅料、硅片、电池片、组件。由于晶硅产业链较长，各个环节均有较高进入壁垒及头企业，导致价格波动大、扩产周期长、周期性明显等特点。目前，各大晶硅龙头正在快上下游一体化进程来降低综合成本，对冲周期波动带来的影响。钙钛矿光伏产业链则相对更短，并天然的具有“一体化”的特点。通过采购化工原材料，即可在同一间工厂完成最终组件产品的交付，大大缩短了产品生产交付周期，同时降低了综合成本。尤其需要指出的是，钙钛矿组件中钙钛矿原材料成本通常只占5-8%，且价格稳定远低于晶硅组件中成本超过三分之一且价格波动剧烈的硅料据协鑫光电测算钙钛矿产能达到100MW时，组件生产成本可降至094元/W以下，协鑫100MW产线量产成本09/（约为PEC的714%OPC/HJT的63%产能达到1GW时，量产成本可降至08元/W以下，如果组件效率达到17%，电池规格达到24m，组件成本将降至07~075元/（约为PC的60%，OPC/JT的52%）。图25钙钛矿组件成本构成玻璃及封装材料 靶材 钙钛矿 能源动力 固定资产折旧 人工资本协鑫光电，研究可低温柔性制备可液相、流程简单、低能耗的制备是钙钛矿电池的一个重要特征。不同于晶硅等其他光伏技术需要上千度高温来处理原材料，钙钛矿的原材料（碘化铅、甲胺、甲脒等）可溶于有机溶剂中得到前驱体溶液，这些过程均可在室温条件下完成。将这些前驱体溶液通过旋涂、狭缝刮涂等液相制膜工艺均匀涂抹在基底材料上，辅以最高不超过200℃的火处理，即可得到钙钛矿吸光层薄膜。钙钛矿光伏中的其他层材料也可使用同样的液相制膜工艺或热蒸镀工艺制备整个电池制备流程从原材料到最终成品具有步骤少能耗低、可液相制备的特点赋予了其低廉的综合制造成本上述均可同时在柔性基底上实现制备，从而可以实现晶硅光伏无法完成的超轻超薄柔性光伏器件。图26：柔性钙钛矿电池应用实例仁烁光能，研究钙钛矿应用场景广阔钙钛矿的主要应用市场包括IPV和车顶光伏玻璃等。IPV即光伏建筑一体化BingItrtedPV)，是一种将太阳能发电(光伏)产品集成到建筑上的技术，可分为两大类一类是光伏方阵与建筑的结合。另一类是光伏方阵与建筑的集成，如光电瓦屋顶、光电幕墙和光电采光顶等。在这两种方式中光伏方阵与建筑结合是一种常用的形式，特别是与建筑屋面的结合。钙钛矿具有可透光、可柔性化生产可弱光发电等优势以及相较于铜铟镓硒碲化镉等电池更低的成本和更高的效率的优势，IPV是其天然的应用场景，IPV将成为钙钛矿未来最主要的产品方向。图27钙钛矿在BIV的应用场景仁烁光能，研究钙矿汽车顶棚光伏玻璃也是未来钙钛矿的主要应用方向之一。如果车顶可安装钙钛矿电池的面积为2㎡，如果新能源汽车顶棚全部替换为钙矿光伏玻璃的话，每天的发电量可以提升40-60公里的行驶里程，将极大地缓解电动汽车车主的充电焦虑问题，每年可节省大量的一次能源和减少大量的二氧化碳排放。在车顶棚领域，钙钛矿与晶硅比可透光可性，与铜铟镓硒、碲化镉比成本低效率高，与有机光伏比稳定性更好效率更高，因此该领域也成为钙铁矿未来的最主要的应用领域之一。图28钙钛矿在车顶的应用场景 仁烁光能，研究两大困扰待解决：稳定性、大面积制备稳定性光伏电池稳定性越好、寿命越长，则其度电成本越低。目前市场上成熟光伏产品寿命通常达到25年以上而目前学术界和产业界仍然缺乏对钙钛矿光伏寿命标准化度量的共识当前钙钛矿光伏产业化最大的障碍即材料稳定性较弱、电池寿命较短，封装后的电池在正常使用条件下90寿命（剩余效率为初始效率的90%）超过10000小时仍然是一个不小的挑战。在早期的液态钙钛矿电池中，由于钙钛矿材料在液态电解液中的稳定性较差，使得电池性能迅速退化，而固态钙钛矿太阳能电池能够取得较高的光电转换效率，得益于其在固态环境下相对稳定。图29钙钛矿电池稳定性影响因素 资料来源《钙钛矿太阳能电池肖立新，研究总的来说，影响钙钛矿稳定性的原因可以概括为以下两点：一是钙钛矿材料本身的稳定性，主要包括热稳定性和湿度稳定性；二是电池结构的稳定性，主要涉及电池结构中的电子传输层及空穴传输层此外光照高温电场应力等都会造成钙钛矿电池性能下降。在潮湿环境中，水分子可以容易的进钙钛矿材料内，与钙钛矿组分中一些基团形成水合物，并通过形成氢键和质子化作用等使钙钛矿材料分解。除了钙钛矿材料外，器件内包有许多必不可少的其他辅材，通常由有机小分子或聚合物组成，如空穴传输层r-OMeD电子传输层PCM等在水和氧的环境中也十分脆弱容易形成各类材料缺陷、降低使用性能。而另一类辅材采用金属氧化物，如氧化钛、氧化镍等，是常用的光催化剂，在光照条件下可以催化某些材料的氧化分解，从而破环器件结构。封装是目前最有效的提高钙钛矿电池稳定性和寿命的方法。有效的封装可以在保持透光率的同时，隔绝钙钛矿电池与水氧环境的接触。目前常用的封装材料包括Tfn、刚烷纳米复合材料、UV固化氟聚合物、氧化铝等。有效封装后的钙钛矿电池可以在双85测试条件（85℃，85%湿度）下运行数千小时后仍具有初始效率的90%。目前为止的研究表明，通过元素工程设计晶体结构稳定的钙钛矿材料，并结合界面程实现太阳能电池结构设计的优化，杂化钙钛矿太阳能电池的稳定性问题是有望完全解的。大面积制备实现高效率钙钛矿电池的大面积制备是其产业化的另一大挑战。对大多数光伏技术说，大面积制备往往伴随着电池效率的降低，这主要是由于电池面积增大伴随着串联电阻的线性增大。对于钙钛矿电池而言，这种随电池面积增加而性能降低的现象更加明显。除了串联电阻的普遍因素外，影响高效率钙钛矿电池大面积制备的主要原因是其材料性质制备方法。如前文所述，目前钙钛矿电池制备方法分为两大类：液相法和蒸镀法。液相法是指钙钛矿原材料粉末溶于有机溶剂，将得到的前驱体溶液通过制膜技术均匀涂抹在基底上制成电池。图30大面积钙钛矿电池效率 daedoalaeras，研究虽然液相法制备钙钛矿具有诸多优点，但其仍需解决大面积制膜不均匀性问题。相比之下，蒸镀法具有一定的自身优势，该方法制备钙钛矿几乎不涉及有机溶剂，不仅可以有效避免大面积制膜不均匀性，同时大大减少了有机溶剂用量，一定程度上有利于环保。此，蒸镀法天然适用于大面积制膜，且具有较高可重复性。蒸镀法主要包括热蒸发（高空）和化学气相沉积（低真空法）两种工艺。目前针对蒸镀法的学术研究远少于液相法，因而蒸镀法制备的钙钛矿电池性能较液相法仍有较大差距此外液相+蒸镀的复合制备艺目前也在探索中，有望将两种工艺优点结合起来。图31液相法s蒸镀法制备钙钛矿电池效率对比ppedssRees，研究上下游加快布局，产业化进程有望提速过去十年钙钛矿光伏在学术界的重大突破推动钙钛矿产业化进程。由于钙钛矿光伏以晶硅光伏为主导的现有光伏产业链具有较大差异，钙钛矿光伏的崛起势必将重塑整个业链。目前不仅产业端在积极推动钙钛矿商业化，政策端也不断刺激钙钛矿产业化。表6：近期钙钛矿行业政策时间 政策内容2022年4月月 国家能源局和科技部印“四五能源领域科技创新规划要开展高效钙钛矿电池制备与产业化生产技术的示范试验具体包括研制基于溶液法与物理法的钙钛矿电池量产工艺制程设备开发高可靠性组件级联封装技术研发大面积高效率高稳定性环境友好型的钙钛矿电池开晶体硅钙钛矿、钙钛矿钙钛矿等高效叠层电池制备及产业化生产技术研究。2022年8月2022年8月科技部联合九部门发布了《科技支撑碳达峰碳中和实施方案（2022—2030年》工信部公开征求对《关于推能源电子产业发展的指导意（征求意见稿》坚持研发高效硅基光伏电池、高效稳定钙钛矿电池等技术。征求意见稿提出，发展先进高效的光伏产品及技术。加快智能光伏创新突破，发展高纯硅料、大尺寸硅片技术，支持高效低成本晶硅电池生产，推动N高效电池柔性薄膜电池钙钛矿及叠层电池等先进技术的研发应用提升规模化量产能力。资料来源：公开资料整理，研究目前钙钛矿尚处于产业化的初期阶段，业内企业在原材料、生产工艺、电池结构与备端不断取得突破，努力去解决钙钛矿组件的稳定性、大面积制备和高效率的“不可能三角”问题。图32钙钛矿电池商业化路线图SoarRRL，研究钙钛矿电池产线建设，不同规模产能的成本差异较大，随着产线产能的提高，平均建设成本将显著降低以钙钛矿龙头企业纤纳光电为例其目前运行的20MW产线投资额为5050万元，新建的100MW产线投资额约为121亿元，产能提升至原先5倍，投资额仅提升至原投资额的2.4倍。据企业测算，若将产能提升至1GW，产线投资额约2.7亿元，产线建设成本大大降低。图33纤纳光电100W钙钛矿项目投资成本构成 图34钙钛矿产线建设规模效应明显产线建筑结构（㎡）装修钙钛矿产线系统（套） 封装系统套合成系统（套）

0W W基建 钙钛矿产线设备 封装系

W合成系统资料来源：纤纳光电，研究 资料来源：纤纳光电，研究目前钙钛矿尚处于产业化初期阶段，产能较小。据不完全统计，22年钙钛矿组件产能约为880M，我们预计2026年产能有望达到37G。据极电光能介绍，公司150MW钙钛矿产线于21年四季度启动建设总投资超2亿元产线的每个生产环节都采用了行业最先进的设备，换算下来单GW投资额约13亿，预计随着技术不断进步以及规模效应，到2026年钙钛矿单GW投资额有望下降到6-7亿元，未来5年产业投资空间超200亿，对应设备厂商有望受益。表7：未来5年钙钛矿产能预计）20222023E2024E2025E2026E协鑫光电1001002005005000纤纳光电1001002005001000极电光能15015015015010000无限光能101001001000仁烁光能1015015010001000万度光能20020020020010000大正微纳101001001001000众能光电2002002002001000合特光电1001001001001000金昌鑫磊鑫半导体100010001000奥联光能501202002000光晶能源1001001001000脉络能源101001001001000曜能科技1001001000合计88013603820535037000资料来源：各公司官微、官网，研究图35钙钛矿电池生产核心环节及设备 公司公告，研究企业事件德沪涂膜开发的全球首套用于大面积钙钛矿太阳能面板制造核心涂企业事件德沪涂膜开发的全球首套用于大面积钙钛矿太阳能面板制造核心涂膜设备系统验收成功，是我国首个超越日、德、韩国厂商可提供高品质量产电子级精密狭缝涂布设备的本土公司。目前中国唯一可以参与世界竞争的电子级涂膜设备公司，对标世界前五德日韩狭缝涂布设备公司。200年，德沪涂膜成为全球第一条00W钙钛矿电池量产试验线首台套核心涂膜设备供应商，并顺利通过验收。目前德沪涂膜是最大的钙钛矿电池制造用核心狭缝涂布设备供应商，在国内钙钛矿电池和平板显示领域市场占有率达70%以上弗斯迈弗斯迈捷佳伟创（300724）大正微纳2021年度钙钛矿光伏设备优秀供应商，主要提供钙钛矿电池组件自动化生产线设备及整体解决方案公司钙钛矿设备目前主要是RPD“立式反应式等离子体镀膜设备）等PD设备为主，整线设备处于研发段，具体出货情况根据客户需求公司产品包括狭缝涂布、真空镀膜等设备杰普（68825杰普特在柔性钙钛矿薄膜切割领域取得重大突破，为大正微纳定制的全球首套柔性钙钛矿膜切设备，通过验收并正式投入生产使用。众能光电 公司实行钙钛矿电池组件和光电装备生产双轮驱动策略207年至今众能光电设计和生产的装备在国内外50+客户中得到应用，有力推动光电技术的研发和产业化进程，且实现大型研发和量产装备的国际供货。京山轻机 2021年初投资0亿新建智能装备制造中心，用于新增高端光伏组件设备生产线以及建立制备异质结和钙钛矿（000821） 叠层电池核心设备研发机构；同年5月又与钙钛矿电池领先企业协鑫光电开展钙钛矿叠层电池技术开发合作研发的钙钛矿电池团簇型多腔式蒸镀设备用于钙钛矿电池制备过程中钙钛矿材料及金属电极材料的蒸镀，近日已经实现量产，并应用于多个客户端。钙钛矿电池设备处于研发阶段迈为股份（300751）事件企业公司公告，研究企业 事件表企业 事件纤纳光电 22年10月份，完成D轮融资。用于钙钛矿光伏100W产线扩建、叠层产品升级、应用产品研发和生产等项目。衢州钙钛矿集中式光伏电站未来总体规划5，总用地面积600亩。一期项目已正式动工，占地约250亩，装机容量12，计划总投资6000万元。202年5月0日发布了全球首款钙钛矿商业化组件aph。协鑫光电 近日完成5亿元人民币+轮融资由淡马锡投资红杉中国DG资本三家联合领川流投资等机构跟投大股东协鑫科技持续加码，本轮融资将用于完善协鑫光电100W大尺寸钙钛矿组件产线的工艺和设备开发。预计23年底组件转换效率达到18%。万度光能 可印刷介观钙钛矿电池生产基地签约落户湖北鄂州。占地面积约10亩，分两期建设，一期建设一条200W级产线成功后扩充至10W产能项目建成投产后可年生产10W以上电池实现年产值00亿元提供就业岗位500个以上。曜能科技 2021年完成数千万元A轮融资，由高瓴气候变化团队投资。极电光能 完成e-A轮融资，由碧桂园创投、九智资本联合领投，建银国际、云林基金跟投，控股股东稳晟科技追加投资，主要用于新技术研发和试制线建设。22年12月8日，司10W钙钛矿光伏生产线正式投产运行，标志公司从实验室研发迈向全面产业化的新阶段。该产线是全球目前已投产且产能最大的钙钛矿光伏生产线，同时具备BPV产品和标准组件的生产能力。锦能新能源钙钛矿铜铟镓硒叠层电池全产业链项目签约落户湖南常德项目全部建成投产达产后量产转换效率22%以上，年产值约25亿元，年税收约3亿元。大正微纳 公司已投资8000万元在江苏建设0W年产能生产线大正使用湿化学法和卷对卷生产线PD沉积的方法组合进行制造，40厘米×0厘米的组件将被切割成小块，运给中国的智能手机和平板电脑制造商。大正目前划再投资2亿元人民币，将年产能扩大到100。众能光电 公司实行钙钛矿电池组件和光电装备生产双轮驱动策略。208年率先实现盈利，行业头部企业之一。国家级高新技术企业等荣誉。具备多快好省建设规W级光电器件生产线的能力。2019年进入量产阶段10010mm器件的效率从5%提升至18%，良品率达到95%以上，已经具备100kW产能。黎元新能源 国内较早进行钙钛矿大面积组件研发的团队，2017年在361cm2的钙钛矿组件上实现了11%的效率记录。无限光能 宣布完成数千万元天使轮融资，由碧桂园创投、耀途资本、光跃投资共同参投。本轮融资将主要用于大尺寸钛矿太阳能电池模组试验线的建设、扩充研发及量产技术团队。合特光能合特光能仁烁光能奥联电子（300585）宝馨科技（002514）主要是绿色建材方向，刚刚被杭萧钢构控股，应该会在BPV应用上发力，计划在2022年底投产首条异质结/钙钛矿叠层电池中试线，目标效率28%以上。目前，仁烁光能的10W钙钛矿叠层研发线已经建设成功。22年8月完成数亿元e-A轮融资，本轮融资由三行资本领投，中科创星、苏高新创投、金浦智能、险峰长青、云启资本、中财产业基金等跟投。本次募集资金主要用于150W钙钛矿组件量产线落地。202年12月9日公司发布公告，将对外投资快速建立并完善钙钛矿太阳能电池制备技术体系、制备能力，备钙钛矿太阳能电池工艺装备研制体系、规模化生产能力，推动钙钛矿光伏产业化发展。计划2023年0钙钛矿中试线投产2024年600W钙钛矿装备和120W钙钛矿电池组件生产线投产力争5年内形成8W钙钛矿装备和2W钙钛矿电池组件生产能力实现钙钛矿电池研发装备研制和装备制造规模钙钛矿电池效率处于行业领先水平。22年8月0日，宝馨科技(0254)发布公告称拟与苏州大学特聘教授和博士生导师彭军、杨新波签订《项目合作框架协议合作开发钙钛矿太阳能(00051)电池钙钛矿-硅叠层太阳能电池以及生产设备促进钙钛矿伏技术产业化企业 事件公司公告，表10：国内钙钛矿材料厂动态企业事件金晶科技（600586）22年10月纤纳光电与上市公司金晶科技签订战略合作协议拟在钙钛矿用CO系列玻璃领域建立战略合作关系。在钙钛矿组件制造成本中CO玻璃的成本占比达32%，此前只有日本的个别企业能够量产。金科技通过积极研发已打破国外垄断技术，成为国内外为数不多能够量产CO玻璃的企业之一金晶科技已具备两条年产1500万平方米的生产线，为了进一步满足市场的需求，22年9月中旬，金晶科公告拟自筹资金投资45亿元将全资孙公司滕州金晶玻璃有限公司二线600D玻璃生产线升级改造为CO玻璃产线。资料来源：公司公告，研究投资分析意见目前钙钛矿电池的产业化已经初见端倪，且叠层钙钛矿电池凭借30%以上的转换效有望成为光伏领域的终极技术形态，长期来看，市场空间巨大。目前钙钛矿领域的公司要包括一体化组件厂（钙钛矿生产工艺简单，天然具备一体化优势）和钙钛矿设备厂。目前主攻钙钛矿的组件厂多为尚未上市的新兴企业