导 读

钙钛矿材料丰富，产业化前景广阔。太阳能电池主要分为晶硅电池和薄膜电池两大类，这两类电池起初在技术上相对独立，在各自方向不断发展迭代。

晶硅电池中，N 型和 P 型单晶硅电池是产业主流。在薄膜电池中，有砷化镓（GaAs）、碲化镉（CdTe）、铜铟镓硒（CIGS）、钙钛矿这几种常见的化合物电池。其中部分电池含有的稀有元素（如：镓）在地壳内含量极其稀少，导致了规模化、产业化困难，市场空间比较有限。相对来说，钙钛矿所需的元素在地壳中含量丰富，这为其规模化发展提供了必要条件。

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钙钛矿及钙钛矿电池的概念

钙钛矿电池理论效率极限远高于单结晶硅电池。普通单晶硅电池/晶体硅太阳能电池极限转换效率分别为 24.5%/29.4%。据晶科能源和通威股份数据显示，目前量产的 TOPCon 和 HJT 电池效率可分别达到 25.6%以上和 26.49%，接近 TOPCon电池和 HJT 电池的理论效率极限（分别为 28.7%和 27.5%）。而钙钛矿单层电池极限转换效率可达 33%，同时，钙钛矿可以与其他光伏技术结合合成得到极限转换效率更高的叠层电池，比如晶硅/钙钛矿叠层电池和钙钛矿/钙钛矿叠层电池极限分别可达 43%和 45%。

钙钛矿电池工艺方面的优势主要在：

1）产业链流程较晶硅组件缩短；

2）纯度要求和能耗低。

原料成本低，有望未来实现理论成本 1 元/W：钙钛矿电池原材料为基础化工材料，原料常见、不含贵金属且储量丰富价格低廉。

钙钛矿电池规模的扩大仍存在三大挑战：

1）大面积制备电池效率下降

2）钙钛矿电池的稳定性不足

3）钙钛矿电池成本仍然较高

据极电光能表示，在中试线阶段，产能拉满的情况下，钙钛矿成本可以达到 1.5 元/W,在 GW级量产初期，成本可以持续降至 0.9 元/W 左右。

我国持续出台钙钛矿相关政策，推动钙钛矿电池产业化发展：

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钙钛矿的工艺

2.1 钙钛矿电池结构主要采用平面结构

钙钛矿电池可分为介孔结构（mesoscopic）和平面结构（planer）两种，平面结构的应用更加广泛。

2.2 钙钛矿电池的制备

钙钛矿电池制备通常由九步组成，镀膜、刻蚀、封装三大工艺是核心。制备流程通常分为九步，首先制备并处理玻璃基底，进行刻蚀，再依次制备电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层，对这三层进行刻蚀后，蒸镀金属背电极，进行刻蚀将电池分开，最后封装。其中最重要的部分是钙钛矿层制备，产业中正在积极解决其大面积制备效率低和不稳定的问题。

2.3 镀膜工艺

钙钛矿电池需要镀膜工艺的共有五个部分：导电玻璃、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层和金属背电极。

TCO 导电玻璃可用于制备玻璃基底，是钙钛矿电池电极的关键部件。TCO 玻璃可分为 FTO、ITO、AZO 三类，其中 FTO 靶材是在氧化锡中掺杂了氟离子，ITO 靶材是掺杂了铟离子，AZO 靶材是在氧化锌中掺杂铝离子。

电子传输层制备方法多样。电子传输层在钙钛矿太阳能电池中起着传输电子、阻挡空穴的作用，是钙钛矿电池不可缺少的一环。

钙钛矿光活性层制备是钙钛矿电池制作的核心环节之一，对组件最终的转化效率起决定性作用。钙钛矿光活性层的制备工艺较多，一般可分为溶液制备法（湿法）和气相沉积法（干法），湿法包括狭缝涂布法、刮刀涂布法、旋涂法等，干法主要是真空镀膜法。考虑到大面积制备和稳定性问题，目前实际投产使用较多的是狭缝涂布法。

2.4 刻蚀工艺

以激光刻蚀为主的刻蚀工艺贯穿钙钛矿电池制备全流程。钙钛矿电池各层结构均含金属氧化物薄膜，需要进行激光刻蚀或化学刻蚀，对金属氧化物薄膜进行刻划，去除部分金属氧化物薄膜（即形成刻蚀槽），从而将钙钛矿电池划分成多个长条状的电池组，使整个钙钛矿面板形成一道道子电池，并串联成组件，提高导电效率，避免因钙钛矿电池面积大导致效率下降。相较化学刻蚀法，激光刻蚀，具有精度高、死区小的优势，是光伏领域主要的刻蚀方法。

2.5 封装工艺

封装对维持钙钛矿电池稳定性起重要作用。钙钛矿电池各膜层制备好后，使用激光清边并使用设备测试其效率和功能，最后进行封装。钙钛矿电池各功能层材料对空气中的水氧、紫外光、压力等敏感，会发生材料改性分解、功能丧失的情况。而封装技术能够有效将工作元件与外界环境隔离，提高钙钛矿电池使用寿命。

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叠层电池

制备叠层电池是太阳能电池光电转换效率提升的重要突破口。叠层电池由多个带隙不同的子电池堆叠而成，宽带隙顶电池与窄带隙底电池分别吸收短波长与长波长的太阳光，能有效扩宽太阳能光谱利用范围，提高太阳能电池光电转换效率。

钙钛矿叠层电池理论效率优势明显，双结叠层是产业主要发展方向。2023 年底隆基绿能的背接触晶硅异质结电池创造了最高晶硅电池转换效率 27.09%，趋近理论极限 29.4%，晶硅电池发展空间受限明显。而钙钛矿/晶硅电池最高理论效率达到 43%，双结钙钛矿叠层电池最高理论效率达到 45%，且吸光层的增加能够导致更高的理论效率。但考虑实际生产经济性，双结叠层是主要发展方向，可分为四端、两端结构。

3.1 钙钛矿-HJT 叠层更具优势

钙钛矿与晶硅具备良好叠层电池匹配度，可形成高效率叠层电池。晶硅具有1.1eV 的窄带隙，容易吸收长波长光子，但吸收短波长光子时产生较大能量损失，成为晶硅电池效率提升的重要瓶颈。目前钙钛矿/晶硅叠层电池效率已达 33.9%（2023 年 11月隆基绿能）。

当前钙钛矿/晶硅叠层电池技术研发主线中钙钛矿/HJT 叠层电池更具优势。结构方面，HJT 电池表面本身为 TCO 玻璃，能够有效简化叠层工艺，无需对电池产线进行更改；TOPCon 电池表面氮化硅与氧化铝为绝缘体，需对表面物质进行清除，或加入掺杂与钝化工艺，使工艺复杂化。同时 HJT 电池制备工序更为简单，能够缩短出货周期，具有长期成本优势。

高效钙钛矿/晶硅叠层电池制备受底电池受光侧表面形貌影响。按晶硅底电池受光面的结构，钙钛矿/晶硅叠层电池制备路线可分为两类：（1）在平面晶硅衬底采用溶液法制备钙钛矿，并利用光学工程解决平面界面光反射损失；（2）保留晶硅表面绒面结构与陷光效果，开发保型沉积钙钛矿层电池新方法，目前已开发出热蒸发结合两部沉积法、气相沉积法和刮涂法等多种方法来实现陷光绒面上生长钙钛矿膜层。

3.2 全钙钛矿叠层电池

全钙钛矿叠层电池能够最大限度发挥钙钛矿材料自身优势。钙钛矿带隙可调特性使其不仅能作为宽带隙吸光层，而且能够调整作为窄带隙吸光层，二者结合成为全钙钛矿叠层电池。对比钙钛矿/晶硅叠层电池，全钙钛矿电池能够摆脱晶硅成本与性能束缚，充分发挥钙钛矿材料自身成本低廉、吸光性强、低温加工等优势，成为未来叠层电池的重要发展方向。

全钙钛矿叠层电池理论效率最高，有望成为太阳能电池未来产业发展终极路径。全钙钛矿叠层子电池带隙灵活调节能够更大范围覆盖太阳光谱，电池理论效率超过 43%。

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钙钛矿电池设备构成

钙钛矿电池制备设备主要由镀膜设备、涂布设备、激光设备、封装设备构成。

镀膜设备主要包括 PVD（Physical Vapor Deposition，物理气相沉积）设备、ALD（Atomic Layer Deposition，原子层沉积）设备，其中 PVD 设备采用的技术又可细分为真空蒸镀、溅镀、RPD（等离子体沉积）设备。协鑫光电公布的100MW 大面积钙钛矿光伏组件生产线主要包括 2 台涂布机，3 台镀膜设备（2 台传统 PVD 设备和 1 台 RPD 设备）以及 4 台激光机。

钙钛矿电池制备尚未形成统一技术路径。TCO 玻璃制备主要使用磁控溅射 PVD 在浮法玻璃上镀膜。电子传输层、钙钛矿层和空穴传输层的技术路线较为相似，主要使用镀膜设备或涂布设备，电极层则主要使用 PVD 设备蒸镀形成金属背电极。不同技术路线之间使用 PVD 设备和涂布设备的数量和比例不同，但总体看，镀膜、涂布、激光、封装设备的价值量占比分别约为 50%、20%、20%、10%。

空穴传输层、电子传输层制备以镀膜设备为主。其中 PVD 设备应用广泛，蒸镀设备成膜效率高但高昂成本限制其大规模发展，溅镀设备工艺成熟、性价比高。RPD 设备的优势在于可以减少对钙钛矿电池的轰击损害，但价格昂贵且目前仅有捷佳伟创为唯一 RPD 授权设备商。相较于 PVD 设备，ALD 设备制备出的膜层更为绵密。目前国内镀膜设备供应商主要有京山轻机、捷佳伟创、奥来德、弗斯迈、微导纳米等。

钙钛矿层制备主要采用涂布设备。钙钛矿层制备多采用狭缝涂布机。目前，上海德沪涂膜市占率达到 70%，此外弗斯迈、大正微纳、协鑫光电、万度光能等均有涂布设备布局。

激光设备以国产为主。德龙激光、大族激光、杰普特、迈为股份、微导纳米等国产钙钛矿设备厂商竞争实力雄厚，部分设备已进入验收、出货、交付阶段。

目前国内主要激光设备供应商如下。

封装设备可以与晶硅行业共用，多采用 POE 胶膜。钙钛矿封装工艺与晶硅相似度较高，但由于钙钛矿材料比较敏感，一般采用 POE 胶膜进行封装而不能采用晶硅电池所使用的 EVA 胶膜，避免因 EVA 胶膜的水汽透过率较高以及降解分解会产生醋酸对钙钛矿材料造成腐蚀。

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