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一、光伏钙钛矿发展空间广阔
1.1 钙钛矿简介
光伏电池一共经历了三代技术：1）第一代晶硅电池技术，以硅基为基础制结形成，即我们所 熟知的 BSF、PERC、TOPCON、HJT、BC 等电池技术；2）第二代薄膜电池技术，以铜铟 镓硒(CIGS)、碲化镉(CdTe)和砷化镓(GaAs)等材料为代表。薄膜电池技术由于效率低、成本 高（单 GW 投资 20 亿以上，目前占比不足 5%），无法与晶硅电池性能媲美；3）第三代是以 钙钛矿太阳电池为主导的有机太阳能电池等，近年发展非常迅速，有望成为超越晶硅电池的 新一代光伏电池技术。
钙钛矿电池是由分子式为 ABX3 的钙钛矿材料构成的，其分为无机氧化物钙钛矿和卤族化合 物钙钛矿，后者具备优异的载流子扩散距离、荧光量子效率和载流子迁移率等优势，且禁带 宽度可以调节，这些性能特点适合其应用于光伏领域，目前光伏领域最常用的钙钛矿材料是 CH3NH3PbI3（A 表示 Cs+、CH3NH3+或 CH(NH2)2+；B 表示 Sn2+或 Pb2+；X 表示 Cl-、B r或 I-）。
钙钛矿电池结构主要分为三类：介孔 n-i-p 型、平面 n-i-p 型和平面 p-i-n 型。1）介孔结构， 介孔结构可以支撑钙钛矿层的生长，提升钙钛矿层与电子传输层的接触面积，进而有利于载 流子的传输，介孔型器件表现出更佳的器件性能然而介孔层的制备需要高温锻烧，不便于工 业化的生产。2）平面结构，可以低温制备，适合应用于光伏领域进行大面积制备。平面 n-ip 型和平面 p-i-n 型的差异在于结构完全相反。
单节钙钛矿电池核心膜层有 5 层，导电基底、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层、背电极， 加上封装胶膜和玻璃就完成了组件的生产。 1、透明导电基底（TCO 玻璃）：常见 TCO 玻璃材料主要是 ITO、FTO 和 AZO，其导电材料 不同，制作方法也不同：1）ITO，为掺锡氧化铟，技术成熟、透光性、导电性良好，但是需 要金属铟，成本高，常采用 PVD 方式制作 2）FTO，掺氟二氧化锡，导电性稍差，但成本低， 多用于光伏薄膜电池，主要采用 CVD 的方法 3）AZO，掺铝氧化锌，具备良好的透光性及导 电性，且价格便宜，但量产难度较大，工艺流程尚存在一些问题,主要采用 PVD 方法制作。 2、电子传输层（ETL）：ETL 用于接收钙钛矿层传输的电子并输送到电极，同时阻止空穴传 输，因此需要和活性层能带匹配且接触优良，降低电子传输势垒；目前 n-i-p 结构主要用 TiO 2、 SnO2、ZnO 等金属氧化物，而 p-i-n 则选择有机材料富勒烯及衍生物。 3、钙钛矿层：电池核心层，薄膜质量决定光子的吸收、解离与运输，常用材料为 FAPbI3（或 MAPbI3），其中 FAPbI3具备优异光电性能与较小的离子迁移率，A 位有机的杂化钙钛矿相较 全无机综合性能良好运用广。4、空穴传输层（HTL）：同 ETL 层一样，钙钛矿层产生的空穴将传输至 HTL 再向 TCO 层输 送，也需要优质接触性能；n-i-p 结构材料是有机小分子与无机材料 Spir-OMeTAD、Ni O、 CuO、P3HT等，而 p-i-n 中常使用有机聚合物 PTAA。 5、顶电极：接受并传输电子，材料导电性需优良，如金属材料：金、银、铜，与非金属材料： 碳等，同时也可以用 TCO 做双面发电结构。
1.2 相比晶硅，钙钛矿效率和成本空间更为广阔
光伏电池趋势在于提效降本，相比晶硅，钙钛矿具备高效、低成本的特性。 晶硅电池转化效率目前在逐步贴近其天花板。晶硅理论效率极限在 29%，根据 CPIA ，目前 主流光伏电池技术路线已经在 26%+，接近于理论极限。而钙钛矿单节电池理论极限在 31%， 叠层电池理论效率极限在 45%，具备更高的提升空间。
钙钛矿生产成本，也具备明显优势。投资金额上，量产后 GW 级钙钛矿组件投资额在 5 亿元 /GW 左右，约为晶硅电池组件投资额的一半，同时也减少了中间产品的流转过程，缩短生产制造工艺；制造成本上，预期量产后的钙钛矿组件价格在 0.5~0.6 元/W 的价格，接近晶硅产 品的一半。
1.3 钙钛矿的材料稳定性是产业化的最大阻碍
循环寿命和大面积制备是制约钙钛矿发展的重要因素，在微观结构以上，则体现为钙钛矿材 料的稳定性问题。
使用寿命可能短于晶硅电池是钙钛矿面临的重要问题，晶硅电池使用寿命达到 25~30 年，目 前看钙钛矿生命周期显著少于这一水平，寿命短与钙钛矿材料的性质有关，1）光、热会影响 钙钛矿材料的稳定性使其易于分解；2）水、氧会与钙钛矿材料发生发应加速材料分解。
钙钛矿的寿命问题，微观结构上体现出的是稳定性。水、氧问题通过封装等方式可以较好的 解决稳定性问题，但是光、热问题需要钙钛矿材料配方的进步来解决，钙钛矿材料的配方是 企业核心壁垒。 对于钙钛矿，生产难点在于大面积制备，这主要与钙钛矿层结晶难度有关。钙钛矿结晶的时 间很短，但是在生产钙钛矿层的过程中，无论涂布法还是蒸镀法，均耗时较长，会导致结晶 度降低，影响转化效率。
另外，在水氧光热等外部因素影响下，电极材料与钙钛矿离子也会发生反应，导致不稳定性。 改进方式主要为钙钛矿材料的改性、增加钝化层阻挡离子迁移、或者对电极材料进行修改。
二、钙钛矿赶超晶硅路径
2.1 晶硅与钙钛矿 LCOE 的对比
晶硅组件价格已基本进入底部区间，制造端降本对降低光伏 LCOE 的贡献度越发有限，电池 效率的提升成为 LCOE 降低的重要方式。钙钛矿效率提升非常快，从 2009 年的 3.8%，提升 到 25.7%的实验室效率，效率提升曲线比晶硅电池更为陡峭。协鑫光电已经量产 1 米* 2 米的 钙钛矿单节组件，效率达到 19.04%，钙钛矿较高的理论效率空间让钙钛矿拥有了替代晶硅 电池的可能性。 目前钙钛矿成本还较高，未来会出现明显的成本下降。目前 100MW 钙钛矿组件成本约 1.4 元/W，未来规模化量产后，成本降低有望降低到 0.5~0.6 元/W，相比目前晶硅 0.8~0.9 元/W 的组件成本，具备较明显的制造优势。
按照目前钙钛矿组件成本计算，在 15/25 年寿命假设下，其 LCOE 为 0.321/0.265 元/KWh， 与现有晶硅电池级相比还不具备经济性；当钙钛矿进入 GW 级量产时，其 15/25 年寿命下的 LCOE 为 0.285/0.238 元/kWh；而远期实现大批量产业化应用时，其 15/25 年度电成本为 0.265/0.224 元/W，已经与目前晶硅组件度电成本相当，实现对晶硅组件的替代。
可见，效率、寿命是目前钙钛矿的重要制约，这两个问题得到解决，成本会随量产规模扩大 而快速下降。
2.2 钙钛矿寿命提升路径
水汽/氧气混入组件导致钙钛矿材料分解，可以通过严密的封装方式缓解，POE 胶膜和丁基 胶可以作为封装材料良好阻挡水汽、氧气。POE 粒子已经在国产化道路上，丁基胶还主要依 赖于进口，国产产品还有进步空间。 光：紫外光照射是影响钙钛矿太阳能电池稳定性的另一个重要因素。钙钛矿活性层长期暴露 于紫外光下会受到破坏，导致钙钛矿层缺陷增加，最终导致钙钛矿层降解。采用钝化膜层（钝 化层在钙钛矿层两侧以形成膜层间分离）、添加剂、或过滤紫外光照可以解决这一问题。 热：在电池工作过程中，光和载流子运输、漏电等因素会使光伏组件的温度升高；在未来的 产业化过程中，不同材料热膨胀系数的不匹配和运行过程中温度分布的不均匀，将导致大面 积钙钛矿太阳能电池产生不同的热应力，导致热应力失效，从而影响其稳定性。优化钙钛矿 材料和配方可以解决这一问题。
除材料配方外，钙钛矿层、空穴层和电子传输层的制备工艺的完善也在工程上带来寿命的变 化，设备也再持续更新。 钙钛矿层目前的主流技术路线为涂布法，蒸镀也具备发展潜力，叠层电池也可能采用喷墨打 印。狭缝涂布工艺类似锂电电极材料涂布，将钙钛矿溶液通过涂布头均匀沉积在基底上，属 于湿法工艺，性价比较高，是目前单节电池制作的主流工艺，其难点在于稳定性问题，涂布 后干燥、结晶可能出现裂纹、穿孔等问题，导致成膜不均影响电池寿命，主流设备厂商在干 燥设备持续改进，提升成膜率；蒸镀则因高精度和大面积制备优势，在产业界也拥有些企业 使用该技术；喷墨打印主要针对叠层电池，可以更好的缓解两端叠电池晶硅绒面问题。 电子传输层，主要采用 RPD/ALD 技术，在光照下会产生空穴导致钙钛矿层分解；空穴传输 层，主要采用 PVD 磁控溅射，也有部分厂商采用涂布技术制作，其可能与钙钛矿材料反应， 导致传输性能下降。因此，需要在钙钛矿层两侧加上钝化层以减少膜层间的分解损伤，而钝 化层往往采用蒸镀/涂布工艺。
2.3 钙钛矿效率提升方式
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