钙钛矿电池产业链前景 钙钛矿为何成为第三代太阳能电池？多层薄膜结构，钙钛矿层配方多样就单结钙钛矿电池而言，主要为多层薄膜结构（电子传输层（ET... 

来源：雪球App，作者： 慕容衣，（https://xueqiu.com/4866021334/242948770）

钙钛矿为何成为第三代太阳能电池？多层薄膜结构，钙钛矿层配方多样

就单结钙钛矿电池而言，主要为多层薄膜结构（电子传输层（ETL）、钙钛矿吸光层、空穴传输层（HTL）以及电极层等）,分为正式结构和反式结构。

钙钛矿层是光吸收层，吸收光并产生电子空穴对，结构一般为有机/无机金属卤化物ABX3，配方多样化。

其中A代表甲胺离子CH3NH3+、铯离子Cs+、铷离子 Rb+等一价阳离子；B代表铅离子Pb2+、锡离子Sn2+、锗离子Ge2+等二价金属阳离子；X代表一价卤素阴离子（如溴离子Br-、碘离子I -、氯离子Cl-）。

ETL：电子传输层，必须满足与钙钛矿层良好接触，使得电子在传输过程中的潜在势垒降低，并且在完成电子传输的同时阻止空穴向阴极传输；主要材料包括 PCBM、TiO2、ZnO、SnO2等。

部分采用介孔层结构，采用TiO2或Al2O3，起到结构支撑作用。 HTL：空穴传输层，需要与钙钛矿层有良好的接触界面，减少空穴传输过程中的潜在势垒，完成空穴传输的同时阻止电子向阳极移动。

空穴传输层材料包括PTAA、 Spiro-OMeTAD、NiOx、CuSCN、CuI等有机物或无机化合物。

透明电极：一般选用商业化的ITO（氧化铟锡）或者FTO氧化物（氟掺杂氧化锡）导电玻璃。其在可见光波段的透光率高达80-90%、导电能力强、功函数合适。

优势：光吸收系数高，光电损失小，奠定高转化效率基础

钙钛矿同样运用光生伏特效应：钙钛矿吸光层吸收光子之后，电子吸收能量从价带跃迁到导带，形成电子-空穴对。

随后电子与空穴对在吸光层内部迅速分开， 分别通过电子传输层（ETL）、空穴传输层(HTL)输送到阴极、阳极，随着电子和空穴在阳极和阴极堆积，两极之间产生光生电动势，导通后进而产生光电流。

钙钛矿具备极高的消光系数，载流子、空穴对扩散长度长。一般情况下，400nm厚的薄膜即可吸收大部分光子。

载流子、空穴对扩散长度可高达1μm， 极大减小载流子复合，寿命可高达几微秒到几十微秒，光电损失较小。

吸光系数高、载流子复合小使得钙钛矿的开路电压、短路电流及填充因子均有提升，电 池性能明显改善。 优势奠定高转化效率基础。

从各类电池的极限转换效率来看，钙钛矿单结、钙钛矿多结叠层电池光电转换理论效率分别为31%、45%，高于其他结构类型电池。

优势：带隙可调，叠层运用将更加灵活

钙钛矿材料带隙可调是重要优势。带隙是电池片&组件可以吸收光子能量的最低值，实际上反应了电池本身吸收特定光谱波段 的能力。

晶硅电池带隙相对固定为1.1eV，带隙较窄，对长波长光的吸收相对较多、吸收能力亦较强，而对短波长光吸收能力相对较弱。

通过卤素元素替换、Pb-Sn合金化及阳离子工程等方式，卤素钙钛矿带隙从1.2eV到3eV连续可调。高能隙的钙钛矿电池对短波 长光吸收能力更好。

因此通过叠层运用，将高带隙的钙钛矿电池（顶电池）与低带隙的晶硅电池&钙钛矿电池（底电池）组合， 能有效增加光谱吸收范围从而提升太阳光的利用率，提升光电转换效率。

基于钙钛矿带隙可调的优势，叠层运用将更加灵活，是重要应用发展方向。目前叠层运用包括钙钛矿/钙钛矿叠层、晶硅/钙钛 矿叠层与钙钛矿/CIGS叠层等。

叠层电池可以突破传统晶硅电池及单结钙钛矿电池的理论效率极限，进一步提升太阳能电池的 转换效率。

产业化的机遇和挑战

钙钛矿电池效率发展迅速，2015年以来效率快速提升

钙钛矿电池的产业化需要满足效率高、稳定性好和产线规模化三个前提条件。 在效率提升方面，仅用13年的时间，钙钛矿电池的光电转换效率就由3.8%提升至32.5%，钙钛矿电池发展较为迅速。

近期，钙钛矿硅叠层光伏电池技术转化率再创新高：德国柏林亥姆霍兹研究中心（HZB）创造的最新记录为32.5％。

国内团队在钙钛矿电池研发进度较快，目前南京大学谭海仁团队钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能电池稳态转换效率达到29%。

挑战：未达效率上限，需实现大面积钙钛矿组件生产

当前钙钛矿电池的转换效率还未达到其理论转换上限，有长期提升空间。对近期国内外钙钛矿电池研究梳理，聚焦于新型钙钛矿材料的研究；对已 有研究成果做材料和结构的进一步改性。

实验室效率水平在10%-30%不等，不论是单结亦或是叠层均有较大提升空间。钙钛矿多种技术方案，对材料和 工艺选型未有定论。

实验室效率进展快但产业化量产效率仍较晶硅电池低，实验室效率≠量产效率，目前还有很大差距。

实验室的效率是基于小尺寸，而量产需要大尺寸工艺， 但钙钛矿电池转换效率普遍随着尺寸的增加而下滑。

目前国内大尺寸钙钛矿组件的最高转换效率不到18%，跟TOPCon、HJT等晶硅电池比还有较大差异。

产业将大面积组件转换效率18%作为一个关键节点，目前纤纳光电和协鑫光电大面积组件效率进展相对领先，极电、宁德、仁烁持续追赶。

挑战：稳定性有所发展但仍制约钙钛矿组件广泛运用

不同于晶硅电池稳定的单晶硅晶格结构，钙钛矿核心层主要为化学组分，在潮湿、光照条件下稳定性较差， 由此会产生分解，最终导致器件效率持续下降。 存在光致劣化现象。

如果有足够的光照，会引发连锁反应，越来越多的碘化物在富含碘化物的地区聚集，越 来越多的溴化物被挤出。

随后化合物的分离倾向于在这些低带隙区域捕获产生电的光载流子，严重阻碍电池 的效率。

由于钙钛矿电池一般为有机金属卤化物钙钛矿电池，有毒铅的存在对环境和健康也有害。 易氧化、易潮解。

部分钙钛矿层的材料设计中包含Sn2+等易氧化和卤素、铵盐离子等遇水易水解组分。 近年来，通过在钙钛矿结构引入隔绝层、添加还原剂分子、改进封装材料&工艺（丁基胶）等。

国内外钙钛 矿MPP稳定性水平（钙钛矿电池在最大光功率输出点MPP处的长期运行稳定性时间）已达几千小时。

近期纤纳光电实现IEC61215、IEC61730（进行湿冻、热循环、湿热、脉冲电压等几十项严格测试）稳定性 验证取得重大突破，钙钛矿稳定性达到进入市场标准。

新技术革新，设备先行，薄膜设备运用较多，激光设备运用明确

从具体设备看，钙钛矿生产主要是薄膜沉积、激光、封装等关键工艺。薄膜沉积设备运用较多，包括涂布机、 （狭缝&刮涂&喷墨等）、PVD、RPD、蒸镀等设备。激光设备运用相对明确。

薄膜设备投资占据较大比例

目前设备工艺选择路线将影响薄膜质量及整体生产成本。目前，镀膜设备占据设备投资较大比例，占比约50%-60%。

其次是激光设备、涂布设备。此外还有玻璃 清洗设备、结晶干燥设备等。目前100MW设备投资在1亿-1.2亿水平，规模化后，设备具备明显投资下降空间。

具体以100MW产线配置来看： PVD设备（1mx2m大尺寸），TCO、电子传输层、空穴传输层、金属电极各可配置一台。

考虑到PVD方案对钙钛矿层或造成损伤，电子传输层的制备或采取RPD 方案（RPD设备更贵）。TCO及金属电极亦可使用RPD。

涂布设备：在所有薄膜设备中最便宜。目前主要用于钙钛矿层，在大面积制备、降本需求下，涂布设备有望向电子传输层和空穴传输层运用渗透。

蒸镀设备：此前主要用于OLED工艺。钙钛矿蒸镀工艺薄膜均匀性等指标要求较OLED低，蒸镀获得的钙钛矿薄膜性能较高。

但设备价值量仍处于较高水平，且由 于蒸镀设备面临镀率较低的问题，设备用量上较PVD设备将更多。

ALD：由于自限性反应优势，薄膜紧实均匀，厚度易控，在多结电池交界处及空穴传输层与金属电极之间（注：反式结构）以ALD制备隧穿层及缓冲层。

激光设备主要是P1到P4的4道工艺设备，此外还包括玻璃清洗设备（玻璃清洗较硅片清洗制绒更简单）、结晶干燥设备及层压机等设备。

PVD&RPD：设备技术相对成熟，在HJT已有应用

镀膜设备：透明导电薄膜、空穴传输层、电子传输层、电极均可使用PVD&RPD。PVD&RPD设备技术相对成熟，在HJT已有应用。

PVD设备：采用直流磁控溅射的方式，氩气离子在电场与磁场引导下达到靶材上，将靶材原子分子溅射到衬底以沉积薄膜，可以采用自上朝下或自下朝上的沉积 结构。

镀膜膜厚均匀易控制，工艺稳定可控，重复性较好，靶材寿命较长，适合连续生产，但离子轰击可能对其他膜层造成损伤。

RPD设备：使用等离子体经磁场偏转后轰击到靶材上，等离子束将靶材原子分子轰击出来，升华后沉积到样品上形成薄膜。

RPD工艺具有低离子体轰击损伤、低 沉积温度、高解离率、具有大面积沉积和高镀膜速率。

目前捷佳伟创、京山轻机等已向钙钛矿行业提供PVD设备；RPD国内厂商仅捷佳伟创取得住友授权，设备为国内独供。此外，众能光电、宏大真空等对PVD环节 有所布局。

ALD：促进钙钛矿产业化发展的改良工艺设备

ALD基于自限性反应，镀膜的阶梯覆盖率及均匀性表现优异且可控制膜厚(循环次数）。 基本原理来看，第一步先做前驱体脉冲，由于自限制性反应，会吸附在表面，之后再用惰性气体做吹扫；

再 用第二层前驱体脉冲，进行化学反应，形成想要的膜层，然后再把充入的多余的部分或未反应的部分用惰性 气体清扫掉，会形成干净的反应结果。

重复前面的步骤，最后形成所需厚度的致密薄膜。 基于良好的薄膜的沉积性能，在钙钛矿的运用中，ALD目前主要用于晶硅-钙钛矿或者全钙钛矿电池叠层 交界处的隧穿层制备。

在钙钛矿的进一步改良中，在电子传输层和电极层之间通过ALD引入缓冲层，提 升稳定性。对文献梳理来看，目前两种功能层均为SnO2致密薄膜。

目前已经在钙钛矿领域已经出货ALD设备的企业包括微导纳米、众能光电。京山轻机与华中科技大学合作， 已有ALD样机在客户处验证。

激光设备：激光开槽在钙钛矿电池有多道应用

激光在钙钛矿电池应用主要为激光开槽，打开部分膜层，达到阻断导电，形成单模块、电池分片的目的。

打开透明导电薄膜：PVD沉积透明导电薄膜后，第一道激光开槽打开透明导电薄膜，并沉积空穴传输层，将导电薄膜分割成多个子单元。

依次制备空穴传输层、钙钛矿层及电子传输层后，第二道激光打开空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层。

在此基础上，在槽内及电子传输层表面制备电极金属。 电极金属沉积完成后，第三道激光打开电极金属层、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层，以完成钙钛矿电池片的分片。 第四道激光主要将电池边缘的各层沉积膜去除，起到激光清边的作用。

设备需求：维持P1、P2、P3线的间距精度，减少电池的死区面积，提高电池效率和稳定性，因此激光设备精度是微米甚至百纳米级别的加工要求。

由于 P2、P3要打开钙钛矿，需尽可能减少热影响对钙钛矿层的影响，因此激光器多采用冷光源，激光器为皮秒级及飞秒级。