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下一代光伏电池新秀，产业化曙光初现

2023/09/27

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。

钙钛矿电池工作原理

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透明电极，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。

钙钛矿电池的技术优势

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，光电损失少的优点。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%，组件成本小于1.0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所需带隙，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。

钙钛矿电池的技术路径

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。