半岛彩票:钙钛矿行业深度：市场空间、产业化情况、产业链及相关

　　钙钛矿是以俄罗斯矿物学家Perovski的名字命名的，最初单指钛酸钙（CaTiO3）这种矿物，后来把结构为ABX3以及与之类似的晶体统称为钙钛矿物质。在此之后，钙钛矿优异的性质被充分研究挖掘，成为了具有明显优势的第三代光伏技术。经过不断研究，钙钛矿电池效率也在快速攀升，并涌现出了多种技术路线，使其具备了未来挑战晶硅光伏电池主导地位的实力。

　　下面我们将从钙钛矿材料的概念入手，了解其作用、优势及工作原理，并针对钙钛矿电池行业的产业链进行分析，详细梳理钙钛矿电池的原料、技术路线、制备工艺、生产设备以及应用场景等内容，深度解析钙钛矿的产业发展。

　　钙钛矿是一类具有ABX3分子结构的晶体总称，可用于制备钙钛矿太阳能电池。钙钛矿结构的化学通式中A位一般为原子半径较小的阳离子（如Cs+、MA+、FA+等），B位为原子半径较大的过渡金属离子（如Sn2+、Pb2+等），X为卤素阴离子（I-、Br-、Cl-等）。钙钛矿材料拥有优越的电荷传输性质、长载流子扩散距离、全光谱吸收和高吸光系数，因而可以有效吸收太阳光并高效地产生光生载流子，同时减少在光电转换过程中的能量损失，是较为理想的光电材料。

　　（1）第一代是以晶硅为主的太阳能电池，主要应用场景为集中式光伏电站，目前技术最为成熟，但光电转化效率已经接近上限，提效降本空间较为有限，边际成本大幅升高。

　　（2）第二代以薄膜太阳能电池为主，典型代表为铜铟镓硒（CIGS）、碲化镉（CdTe）太阳能电池，主要应用场景为分布式光伏，实验室小面积试件光电转化效率高于晶硅电池，但实际应用中光电转化效率低于晶硅，且造价较为昂贵。

　　第三代钙钛矿电池为新型化合物薄膜太阳能电池，具备第二代薄膜电池效率提升速率快、成本低、材料可设计性强的优势，同时随着商业化推进，有望弥补第二代面临的量产表现与理论优势条件差距大的问题。

　　钙钛矿电池主要由以下五个功能层组成：透明导电氧化物（TCO）、电子传输层（ETL）、钙钛矿层、空穴传输层（HTL）和背电极。钙钛矿作为一种半导体材料，会产生光生伏特效应，即半导体在光照下会产生电动势。在光照条件下，钙钛矿化合物吸收光子，在吸收光子后其价带电子会跃迁至导带，导带电子随后被注入到TiO2的导带，然后被传输到FTO，与此同时空穴传输至有机空穴传输层（HTL），从而电子-空穴对分离，在接通外电路时，电子与空穴的移动产生电流。

　　第三代新型电池中，钙钛矿拥有载流子寿命长、带隙（半导体可以吸收的最低能量）可调、光吸收单位宽等优势，钙钛矿电池的应用有单结和叠层两个技术方向。

　　钙钛矿电池相对于晶硅电池效率上限更高。钙钛矿电池具备高光吸收系数、受温差影响小，光电损失少。典型的甲胺铅碘（CH3NH3PbI3）钙钛矿带隙为1.55eV，接近最优带隙，单结效率实验室效率已突破至25%以上，效率上限可达30%以上。而晶硅电池效率上限难以突破30%。并且钙钛矿材料带隙可调节，与晶硅叠层，理论效率更高。用1.12eV带隙的晶硅电池与1.73eV钙钛矿电池串联，可以保证太阳光谱照射的最佳分布吸收，理论效率超过43%。

　　钙钛矿电池相对于晶硅电池成本更低。钙钛矿组件目前产能投资略低于晶硅组件，约为5-7亿元/GW，未来成熟后有进一步下降空间，而晶硅组件产能投资需要7.5亿元。GW级别量产，钙钛矿材料占比3.1%，组件成本小于1.0元/W，5-10级别量产，组件成本可降至0.5-0.5元/W。

　　钙钛矿电池相对晶硅电池具备高弱光效应。钙钛矿材料在可见光范围吸收系数可以达到105cm-1，具备高光捕获能力；并且电池带隙，接近弱光下电池最高效率所需带隙，因此在阴雨天气和日出日落等弱光环境均能工作。

　　钙钛矿电池下游应用领域广阔。钙钛矿电池在分布式光伏市场具备竞争力，可广泛应用于BIPV幕墙和屋顶，此外也是光伏车顶的优良材料。

　　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。由于钙钛矿光伏与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产业链。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。

　　钙钛矿电池产业链显著缩短，原材料到组件仅需45分钟。钙钛矿电池上游为材料和辅材等、中游电池厂商通过选择技术路径、制备工艺及设备制成电池组件，最后运用到下游电站及新型应用上。晶硅电池需要在四个不同工厂内分别加工硅料、硅片、电池、组件，此过程需要至少耗时3天。而钙钛矿太阳能电池的生产流程简单，可在45分钟内将上游玻璃、胶膜、靶材、化工原料在单一工厂内加工成为组件，产业链显著缩短，价值高度集中。

　　基材为柔性材料、不锈钢板、玻璃等，基材上的导电氧化物一般为氧化铟锡（ITO导电玻璃）、氟掺杂SnO2（FTO透明导电玻璃）。TCO玻璃是指在平板玻璃表面通过物理或化学镀膜方法均匀的镀上一层透明的导电氧化物薄膜的玻璃深加工品，实现对可见光的高透过率和高的导电率，TCO导电玻璃包括ITO、FTO、AZO镀膜玻璃，分别使用锡掺杂氧化铟（In2O3）、氟掺杂氧化锡（SnO2）和铝掺杂氧化锌（ZnO）作为靶材。FTO导电性能比ITO略差，但具有成本相对较低，激光刻蚀容易，光学性能适宜等优点，已经成为薄膜光伏电池的主流产品。目前金晶科技TCO导电膜玻璃已经成功下线，并且与国内部分碲化镉、钙钛矿电池企业建立业务关系，得到认可开始供货。除金晶科技外，TCO玻璃企业还包括亚玛顿、耀皮玻璃、南玻A、旗滨等。

　　目前常见的空穴传输材料（HTM）主要为有机小分子、有机聚合物和无机半导体三类。常用的有机小分子主要包括Spiro-OMeTAD及其改性材料等；常用的有机聚合物包括PEDOT:PSS（可以溶液成膜，适合柔性衬底）、PTAA、P3HT（聚-3己基噻吩）等，其中P3HT为主流；常用的无机HTM主要有CuI、CuSCN、CuOx、NiOx、MoOx、VOx。有机小分子与聚合物相比，具有良好的流动性，但制备困难，价格昂贵；有机聚合物具备更好的成膜性和更高的迁移率。相较于有机HTM，无机HTM的空穴迁移率更高，导电性及稳定性更好，而且成本低。

　　基本材料是钙钛矿前驱液，一般由碱金属卤化物钙钛矿和有机金属卤化物钙钛矿组成。一般采用有机无机混合结晶材料——如有机金属三卤化物CH3NH3PbX3（X=Cl\Br\I）作为光吸收材料。其中最常见的是CH3NH3PbI3（甲胺铅碘）。制作金属卤化物钙钛矿所需原材料储量丰富，价格低廉，且前驱液的配制不涉及任何复杂工艺，对纯度要求不高，后续组件对加工环境要求也不高。

　　电子传输材料（ETM）主要可分为金属氧化物（常用TiO2、ZnO等）和复合材料，主要涉及钛60、BCP、PCDM、二氧化硒、二氧化钛等材料。目前使用和研究最多的ETM为TiO2，但由于TiO2电子迁移率和电子扩散距离与钙钛矿材料及常用HTM的空穴迁移率、扩散距离相比不太匹配，成为电池结构中电荷捕集效率的瓶颈。目前，研究者以介孔Al2O3为骨架，TiO2纳米颗粒和石墨烯复合物代替TiO2作为ETM在低温条件下（小于150℃）获得了15.6%的转换效率。

　　一般使用金属电极（Al、Au、Ag）、透明导电电极、TCO等，涉及材料主要是钛、铜箔和不锈钢箔。电极选择的材料不同，其技术路线和制备方法也不同。

　　钙钛矿电池结构主要分为单结和多结叠层电池。单结电池结构分为介孔结构和平面正式或反式结构，目前单结电池产业化主要为平面反式结构。叠层电池目前主流钙钛矿叠层技术为：钙钛矿/晶硅叠层、钙钛矿/钙钛矿叠层、钙钛矿/CIGS叠层，由于钙钛矿/晶硅叠层具备底电池（晶硅电池）技术成熟稳定的优势，在诸多叠层中研究进展最快，实验室效率领先。两端叠层方式，是指子电池通过互联界面串联，仅需一个透明电极，成本较低，在工艺方面具备发展前景。

　　单结电池结构主要分为介孔结构和平面结构，平面结构又被分为正式结构（n-i-p）和反式结构（p-i-n）。根据有无介孔骨架电子传输层，区分介孔结构和平面结构；根据透明导电电极上先为电子传输层，还是先为空穴传输层，区分正式结构和反式结构。

　　介孔结构类似三明治层状结构，结构简单，主要分为透明导电电极、介孔电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层、金属电极五层。其中介孔电子传输层是将钙钛矿受光子激发后的电子提取出来，同时阻挡空穴向阴极方向迁徙；其具备较高的光透过率，便于更多光子照在钙钛矿吸收层上；介孔为钙钛矿吸收层提供骨架支撑的作用；主要材料是TiO2。

　　介孔能够作为骨架支撑钙钛矿，但是高温制备，工艺难度大。介孔有钙钛矿支撑骨架作用，增大钙钛矿吸收层与电子传输层的接触面积，有效提高电子传输效率；介孔层的制备通常需要400-500℃的高温退火处理，增加了工艺难度。

　　平面结构相对于介孔结构少了介孔层，可低温制备。平面结构直接在致密TiO2电子传输层上旋涂钙钛矿，结构相对介孔结构简单，能够用低温溶液法制备，更利于柔性电池、叠层电池和大面积电池的发展。

　　正式结构和反式结构主要区别是，光先透过电子传输层还是空穴传输层。对正式结构而言，透明电极上为电子传输层，太阳光穿过透明电极后，透过电子传输层再到吸光层；对反式结构而言，透明电极上为空穴传输层，太阳光穿过透明电极后，透过空穴传输层再到吸光层。

　　反式结构尽管效率不及正式结构，但迟滞较小、填充率较高、稳定性更好，适合量产。目前钙钛矿最高效率25.7%是正式结构，反式结构经过多年发展也达到了24.3%的效率，与正式结构差距减小。反式结构的主要优势在于，光先透过空穴传输层，可以使电池迟滞性较小，填充率较高。另外，正式结构空穴传输材料多为有机物Spiro-OMeTAD，同时为了增加导电性通常需要添加对水氧敏感的Li盐、Co盐等，尽管获得了高效率但也牺牲了器件的稳定性；反式结构空穴传输层材料多为无机金属氧化物（如NiOx、CuO等），器件稳定性好。

　　叠层结构分为窄带隙底电池、互联结/隧穿结、宽带隙顶电池三部分。宽带隙电池作为顶电池吸收较高能量光子，窄带隙电池作为底电池吸收较低能量光子，实现子电池对太阳光谱分段利用，从而避免高能光子的热化损失，提高太阳能利用率和电池光电转换效率。钙钛矿ABX3通过改变A、B、X组分可实现带隙宽度从1.17~2.8eV调节，能够与其他中窄带隙底电池匹配。

　　两结叠层电池为主要应用方向，钙钛矿/晶硅叠层目前效率最高。叠层的结数越多，理论上可以获得更高的效率，但是考虑到成本，目前两结叠层电池为主要应用方向；钙钛矿/晶硅叠层和钙钛矿/钙钛矿叠层的电池效率较高，分别为32.5%和28%，成为目前叠层电池研究领域的焦点，钙钛矿/CIGS叠层电池效率也获得了很大提升，成为下一代光伏电池很有潜力的竞争者。

　　钙钛矿/晶硅叠层，是以晶硅作为底电池。晶硅电池带隙较窄，只有1.12eV，作为叠层的底电池，宽带隙（1.67eV-1.75eV）的钙钛矿作为顶电池。

　　钙钛矿可以与HJT、TOPCon等晶硅电池组成叠层电池，其中HJT与钙钛矿叠层最为适配。晶硅电池工艺成熟，作为底电池较为稳定，相比其他类型叠层具备潜在的低制造成本；HJT由于具备良好的非晶硅钝化层、对称结构以及透明导电氧化物（TCO），与钙钛矿层最为适配。

　　互联层结构和材质都会造成光电损失。1）互联层结构方面，可以分为平面和陷光结构，平面结构光发射强，不利于透光；陷光结构，光反射弱，但表面凹凸不平，均匀涂抹钙钛矿是一大挑战。2）互联层材质方面，多使用TCO，其中最常见的TCO是铟掺杂氧化锡（ITO），具有优良的电导率和光透射率，然而ITO折射率与硅基底不匹。