钙钛矿光伏：让光伏走进千家万户

曹杰

摘要：在“3060”双碳政策的大背景下，未来光伏在一次能源消费的占比将从不到1%提升到25%以上，市场前景可期。钙钛矿光伏作为一种新兴的光伏技术，不仅在实验室效率上与晶硅光伏的效率相似，在成本和工艺上更比晶硅光伏更有优势。此外，钙钛矿光伏弱光性能优异、光电特性可调，是晶硅光伏不具备的特点，这使钙钛矿光伏在应用场景上更有潜力，未来有望使光伏应用走进千家万户。近年来，多家初创公司开始建立百兆瓦级别的钙钛矿光伏产线，协鑫、隆基及宁德时代等巨头也纷纷布局。基于此，本文系统介绍钙钛矿光伏的发展背景、现状，研究产业化过程中遇到的问题和进展，以供参考。

关键词：钙钛矿；光伏；太阳能电池；新能源

一、光伏技术发展背景

光伏技术的发展有近两百年的历史。理论研究起源于1839年，法国物理学家Bequerel首次在电解液中的镀银铂电极上发现光伏效应。直到1950年，新型固态电子产品的需求推动了高质量硅片的发展，进而催生了硅基光伏行业。1954年，贝尔实验室报道了第一个硅基太阳能电池，也被称为第一代光伏技术。1958年，首次进行硅太阳能电池在人造卫星上的应用研究，开启了使用太阳能发电的新阶段。1960年，太阳能电池开始进入工业应用，首次实现了并网发电。

二十世纪八十年代，非晶硅薄膜光伏电池的兴起带动薄膜电池市场份额快速提升，薄膜电池的市场份额曾达到30%以上。以非晶硅、碲化镉、铜铟镓硒和砷化镓为代表的薄膜光伏被称为第二代光伏技术；而后来发明的有机光伏和钙钛矿光伏等薄膜光伏技术，可溶液加工、潜在的低成本和低能耗，被称为第三代光伏技术。在第三代光伏技术中，钙钛矿太阳能电池的诞生让其他新兴光伏技术黯然失色，成为高效率的光伏技术。

虽然钙钛矿光伏近十年的发展突飞猛进，但钙钛矿材料的历史渊源较为久远。钙钛矿材料起源于矿物质钙钛氧化物（CaTiO3），它是由德国矿物学家Gustav Rose于1839年发现，后来被俄罗斯矿物学家Lev A. Perovski表征，钙钛矿（Perovskite）由此得名。直到2006年，日本科学家Miyasaka等人首次将有机金属卤化物钙钛矿作为光敏剂应用在光伏电池中。然而，早期的钙钛矿光伏电池由于效率低、寿命短，并没有引起更多的关注。直到2012年，钙钛矿光伏电池中引入固体电解质Spiro－MeOTAD作为空穴传输材料，电池寿命明显延长，且效率提高到9.7%，研究者开始将注意力聚焦在钙钛矿光伏上。早在2010年，Henry Snaith创立全球第一家钙钛矿光伏电池公司Oxford PV，开启了钙钛矿光伏商业化的道路；同年，范斌等人也成立了我国第一家从事钙钛矿光伏电池的公司——厦门惟华光能，而彼时钙钛矿光伏技术和市场还未成熟，惟华光能在2016年被光伏巨头协鑫集团所收购。随后的几年里，研究者通过调节钙钛矿材料组分、设计新器件结构和开发新工艺，实现了单结25.7%、双结29%的光电转换效率；与此同时，诸多初创公司纷纷成立，产业巨头隆基和宁德时代等也开始布局钙钛矿光伏，共同助力钙钛矿光伏的商业化进程。

二、钙钛矿光伏优势

光伏行业发展多年来，除了晶硅外，还没有哪项技术如钙钛矿光伏一样同时吸引学术界和工业界众多的关注，这主要得益于钙钛矿光伏在成本、生产工艺以及性能上的优势。

（一）成本优势

第一，材料用量少。钙钛矿光伏电池由于光吸收能力强，材料的用量非常低，钙钛矿组件中钙钛矿层厚度大概是0.4um，而晶硅组件中的硅片厚度通常为180um，相差40～50倍。

第二，组件价格低廉。晶硅纯度必须达到99.9999%以上才能用于制造太阳能电池，而钙钛矿只需98%左右就可以用于制造效率20%以上的太阳能电池。当前，晶硅组件的制造成本在1元/W以上，而钙钛矿组件成本只有一半，未来仍有较大的降本空间。

第三，投资成本低。以1GW产能投资来对比，晶硅的硅料、硅片、电池、组件全部加起来，需要10亿元的投资，而同等规模下，钙钛矿的投资约为5亿元左右，是晶硅的一半。

（二）工艺优势

第一，工艺简单，产业链缩短。对于晶硅而言，硅料、硅片、电池、组件需要4个以上不同工厂生产加工，一片组件的制造时间为3天左右；而对于钙钛矿只需1个工厂加工，从玻璃、胶膜、靶材、化工原料进厂到组件成型，总共需要45min。

第二，低温制备，能耗低。晶硅在拉单晶的过程中需要900℃以上的温度将硅料融化，而钙钛矿各功能层的加工温度不超过180℃，且大多数环节也无需真空条件。钙钛矿光伏与晶硅光伏的对比，如图1所示。

（三）性能优势

1.光电转化效率高

钙钛矿材料具有较高的光吸收系数和较长的载流子扩散距离。在可见光波长范围内，钙钛矿的光吸收系数比硅高1～2个数量级；钙钛矿材料吸收的光子转换成电子后，由于其载流子具有较长的扩散距离，很容易被电极收集、损耗较小，因此综合表现出较高的光电转换效率。

2.弱光性能好

理论研究表明，弱光下光伏电池的发电效率与能带间隙有关，在接近2eV带隙时，光伏电池在弱光下的效率高达52%。而晶硅的带隙约1.1eV，偏离2eV较多，弱光下发电效率很低。

3.光伏特性可调

钙钛矿材料可以通过调节组分，使其能带间隙在1.4～2.3eV之间连续可调，可以衍生出区别于硅基光伏的应用，例如，弱光光伏发电、半透明电池实现建筑光伏一体化以及制成叠层电池。而相较之下，晶硅光伏电池只有单一的带隙，性能的优化空间与应用场景均十分有限。

三、材料与器件

（一）钙钛矿材料

有机无机复合金属卤化物钙钛矿材料是指化学式满足ABX3这类钙钛矿型结构的具有光电特性材料，其中A为一价有机（甲基铵，MA+或甲脒，FA+）或无机（Cs+）阳离子，或两者的混合物；B是Pb2+或Sn2+，或两者的混合物；X是卤化物阴离子（I－、Br－或Cl－或它们的混合物）。B位阳离子和X位卤化物阴离子形成八面体，占体心立方晶格的角位，而A位阳离子位于中心。晶格中的离子半径决定钙钛矿材料的结构，而结构会影响钙钛矿材料的电子性质和稳定性，从而影响钙钛矿光伏电池的性能和寿命。因此，研究者通常调控钙钛矿材料A、B和X位离子的配比，优化光伏电池的稳定性。

（二）器件结构

光伏器件通常是基于P－N结或P－I－N（或N－I－P）结型的结构，其中，P、N和I分别代表P型半导体、N型半导体和本征半导体。P型半导体常被用作空穴传输材料，在钙钛矿器件中常用的P型材料包括有机材料Spiro－MeOTAD、PTAA和无机材料NiO等；N型半导体常被用作电子传输材料，常见的N型材料包括有机材料PCBM、C60和无机材料SnO2、TiO2等。钙钛矿光伏电池是典型的P－I－N型三明治结构，在N型半导体和P型半导体之间的本征半导体区域形成P－I－N结，钙钛矿在器件结构中被视作本征半导体。对于叠层电池，是将钙钛矿电池和晶硅电池或将宽带隙钙钛矿电池和窄带隙钙钛矿电池堆叠起来，利用两个子电池各自对不同光波长的吸收能力差异，提高光电转换效率。目前，实验室单结钙钛矿电池的认证效率为25.7%，而宽带隙/窄带隙钙钛矿叠层和硅/钙钛矿叠层的实验室认证效率分别为29%和32.4%。

（三）制备工艺

有机金属卤化物钙钛矿具有丰富的材料种类，薄膜制备工艺也较为多样化。起初，学术研究上以旋涂法为主，绝大部分器件的有效面积小于1cm2，远低于太阳能电池商业化所需的尺寸。对于大尺寸钙钛矿薄膜的制备，旋涂法不仅会显著降低薄膜的均匀性，也会浪费大量的原料。近年来，研究者致力于开发制备大尺寸钙钛矿薄膜的工艺，大体上分为两类：第一，溶液法，例如，刮刀涂布法、喷涂法和狭缝涂布法等；第二，固相反应法，例如，热蒸法和化学气相沉积等。其中，刮刀涂布和狭缝涂布法是目前产业化应用较多的工艺，而热蒸法是硅/钙钛矿叠层电池较主流的工艺。

四、产业化进程

（一）挑战及进展

虽然钙钛矿光伏电池具有众多优势，且在效率方面取得了显著成就，但在通往产业化的路上仍有不足，主要表现在以下方面：

1.稳定性

钙钛矿材料是一种离子型化合物，易受水蒸气和氧的影响，其中的卤素碘离子尺寸较小，在光照和高温的作用下易产生离子迁移，从而使电池效率大幅下降。另外，作为一种有机—无机杂化的离子晶体，钙钛矿晶体结构中的有机成分不耐高温。目前，主要通过调节材料的组分让晶体结构更为稳定，从而延长光伏组件的寿命。此外，其他功能层和电极材料对整个电池的稳定性也至关重要。

目前，业界在钙钛矿稳定性的改善方面取得了一些突破性进展。2020年底，万度光能宣称在晶硅IEC61215标准下，钙钛矿组件连续工作9000h性能维持稳定；2021年，纤纳光电宣布其光伏组件通过基于IEC61215标准的稳定性加严测试，性能衰减小于效率初始值的5%。然而，IEC61215是针对晶硅光伏的加速老化测试，但晶硅和钙钛矿属于完全不同的材料体系，钙钛矿光伏测试套用晶硅的测试标准是否合适还有待讨论。

2.大尺寸制备

虽然钙钛矿光伏电池在实验室中（≤1cm2）获得了较高的光电转换效率，但器件尺寸做大后，效率下降。制备大尺寸高效率钙钛矿光伏组件较难的原因主要包括：第一，钙钛矿薄膜尺寸放大后容易出现孔洞和厚度不均匀等现象；第二，钙钛矿光伏组件中的金属氧化物薄膜方阻较大，尺寸放大后阻抗导致的器件效率衰减较明显。

随着钙钛矿技术及大尺寸工艺的发展，大尺寸钙钛矿光伏组件的性能也稳步提升。协鑫光电于2020年开始建设100MW的产线，钙钛矿组件尺寸达1×2m2，宣称2023年将效率提升18%以上。2022年5月，杭州纤纳光电推出了钙钛矿光伏组件，尺寸为1245×635×6.4mm，此前，公司开发的20cm2尺寸的迷你组件效率高达21.4%。2023年3月，极电光能150MW产能的产线已投产，在800cm2的小组件上实现了19.9%的效率。除了上述三家公司在大尺寸钙钛矿光伏组件的效率上取得了突破性进展，海外的Oxford PV和国内的万度光能等也纷纷在建百兆瓦级别的量产线。

3.环保问题

当前，性能优越的钙钛矿光伏材料都含有铅，较高剂量的铅对环境和人体都有危害，钙钛矿材料包括铅剂量的问题仍有待进一步讨论。事实上，钙钛矿光伏器件中的铅含量较低，铅作为一种耐热焊料被用于晶硅光伏组件中，RoHS标准要求铅在晶硅光伏组件中的含量不高于0.1%，而钙钛矿光伏组件中的铅含量低于0.01%。0.4um厚的钙钛矿薄膜含有约0.4g铅/m2，含量不到硅基光伏组件中使用的铅焊料量的1/50。此外，与金属铅不同，钙钛矿中所含的铅离子（Pb2+）可通过用酸洗以水溶液的形式回收。

（二）竞争格局

钙钛矿光伏技术尚处于商业化前夕，还没有形成完整的产业链，随着学术界和工业界的不断推进，技术会日趋成熟，产业链也会日益完善。目前，在中游钙钛矿光伏组件环节，国内外有近三十家公司在布局钙钛矿光伏的产业化，国内一些公司在大尺寸组件性能和稳定性等方面较领先。国外的公司主要包括英国的Oxford PV、波兰的Saule Technologies，国内的公司主要包括纤纳光电、万度光能、极电光能，以及光伏巨头协鑫光电和隆基光伏等。当前，竞争格局未定，有技术实力和工程化能力的公司仍有较大的发展机会。

五、结语

在“3060”双碳政策的大背景下，未来光伏在一次能源消费的占比将从不到1%提升到25%以上，光伏市场前景可期。有机金属卤素钙钛矿作为一种新兴的光伏技术，实验室效率经过十几年的发展就可以比肩晶硅电池六十多年才实现的效率。相比晶硅光伏，钙钛矿光伏还具有以下优势：第一，成本低，体现在材料用量少、原料价格便宜以及产线投资成本低三个方面，未来钙钛矿光伏组件的成本有望降低至晶硅组件成本的1/2。第二，工艺简单，缩短产业链且降低能耗，钙钛矿光伏的生产时间及能耗都不到晶硅光伏的1/10。第三，性能优异，尤其体现在弱光性能好和光伏特性可调两方面，有望促使将钙钛矿光伏技术应用在晶硅不能胜任的场景，有机会使光伏进入千家万户，为家用电器提供能源。要想实现这一美好蓝图，钙钛矿光伏依然需要努力提升自身的寿命和大尺寸组件的效率。当前，钙钛矿光伏处于商业化前夕，是创投机构可以关注和布局的方向。