钙钛矿太阳能电池市场分析

在当今追求清洁能源的时代，钙钛矿光伏作为一种极具潜力的技术，正逐渐走入人们的视野，并展现出令人瞩目的发展前景。钙钛矿电池以其良好的光电转化效果、简单的制备工艺和原材料的充足性，被誉为是下一代光伏电池的主流技术之一。

同时，钙钛矿太阳能电池有望为汽车太阳能车顶提供动力。此时，钙钛矿电池具备高效率的优势，若配合车顶光伏发电，光能转化为电能的转化率会更高，即充电时间缩短，续航时间增加；且钙钛矿太阳能电池材料用量小、材料纯度要求低，所以生产过程能耗低。

目前，主流太阳能电池板都由硅制成，其转化效率为25%左右，如果将钙钛矿电池堆叠在传统的硅电池顶部，制成串联电池，并在钙钛矿层中添加一些新型材料，可以将太阳能电池板的效率提高50%以上。这让人们对钙钛矿电池的前景充满了想象。

钙钛矿最早是指发现于钙钛矿石中的钛酸钙（CaTiO3）化合物，这也是钙钛矿名称的由来。现如今，广义钙钛矿指的是结构为ABX3的晶体，这种有机卤化物钙钛矿结构容错率高：八面体网络之间的空隙比较大，允许较大尺寸离子填入， 即使产生大量晶体缺陷，相较其它离子晶体也更稳定。此外钙钛矿晶体每个位置都可以用不同的元素替代，而使用不同的元素会让钙钛矿晶体的性质发生变化。

钙钛矿太阳能电池（PSCs）则是利用钙钛矿型的有机金属卤化半导体作为吸光材料的太阳能电池，属于第三代太阳能电池。钙钛矿电池结构较为简单，以反型平面钙钛矿电池为例，自下而上依次为：玻璃、透明电极（FTO或ITO）、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层、金属电极。

按照结构划分，钙钛矿太阳能电池可以分为介孔型和平面型。在介孔结构的钙钛矿电池内，钙钛矿材料作为光敏化剂覆盖在多孔TiO₂上，并采用正置异质结结构。而在平面结构的钙钛矿电池中，钙钛矿既是光吸收层，也是电子和空穴传输层，与介孔型结构相比，平面结构不需要多孔金属氧化物骨架，进一步简化了制备工艺。平面型钙钛矿太阳能电池又可进一步分为正式和反式

钙钛矿太阳能电池基本原理就是光生伏特效应，工作机制总体可以分为五个过程，即光子吸收过程、激子扩散过程、激子解离过程、载流子传输过程和电荷收集过程，经过五个过程后，自由电子通过电子传输层后被阴极层收集，自由空穴通过空穴传输层后被阳极收集，两极形成电势差，电池与外加负载构成闭合回路，回路中形成电流。

钙钛矿电池极限转换效率优势突出。对于晶硅太阳能电池来说，其理论极限转换效率为29.4%，普通单晶硅电池在理想状态下转换效率极限为24.5%，HJT电池理论极限转换效率为27.5%。但相比之下，钙钛矿单层电池理论效率极限可达31%，晶硅/钙钛矿双节叠层效率可达35%，三节层电池理论极限则可跃升至45%，且如果在钙钛矿中掺杂新型材料，其转换效率最高可达50%。钙钛矿转换效率更高的原因是作为吸收层的钙钛矿禁带宽度为1.5eV左右，吸收波长范围更窄，但吸收系数很大。

钙钛矿电池的弱光性能优势突出。理论研究表明，光伏电池在弱光下的发电效率与能带间隙有关，在接近2eV带隙时，光伏电池在弱光下的发电效率高达52%，而钙钛矿材料带隙可调、光吸收系数较高，且对杂质不敏感，其在弱光下仍具有突出的光电转换效率。钙钛矿优异的弱光性能，意味着其有望将室内照明的弱光和室外的弱光利用起来进行发电，这也是钙钛矿光伏与传统硅基光伏一个显著区别。

钙钛矿电池凭借高转换率和较低成本的优势在商业化应用方面被寄予厚望，但依然有部分因素阻碍其发展，制约整体产业化进度，只有逐步突破制约因素，钙钛矿电池才能实现高质量的发展。

稳定性是制约钙钛矿电池发展的主要问题之一。钙钛矿电池在效率和成本上都领先晶硅电池发展，但目前钙钛矿的稳定性差，即寿命短，现阶段钙钛矿太阳能电池的T80寿命约为4,000小时，而晶硅电池则有25年以上的寿命，二者差距较大，寿命短使得钙钛矿电池难以进一步发展。钙钛矿电池不稳定的原因主要包括吸湿性、热不稳定性、离子迁移、紫外线、器件测试过程中的光照等。

并且，钙钛矿电池面临着大面积制备较难的困境。尽管钙钛矿电池在实验室中获得了较高的光电转换效率，但实际生产工艺中难以达到实验中的标准，因此会受到更多因素的影响，且实验室中制备的钙钛矿电池器件面积都比较小，市场应用则需要面积更大的器件。而大面积器件薄膜的覆盖率、均匀性难以把控，且电阻也会增加，进而增加电池的串联电阻，导致性能下降。

虽然钙钛矿电池尚未实现量产，但整体产业化进度正在加快，相关国产设备将率先受益，根据协鑫光电的数据，协鑫纳米钙钛矿的第一条100MW的设备产线投资在1亿元左右，1GW产能投资额仅为5亿元。其他国内相关企业，如宁德时代、华纳集团、比亚迪、京东方等也都在积极布局钙钛矿领域。预计到2026年，钙钛矿电池制造行业和设备行业的产值有望分别突破400亿元和100亿元

全球钙钛矿太阳能电池市场规模在2022年为1亿美元，2032年达到约24亿美元，年复合增长率（CAGR）为38.1%。

晶硅-钙钛矿叠层电池具有更高的转换效率。钙钛矿太阳能电池可更有效地利用高能量的紫外和蓝绿可见光，而晶硅太阳能电池可有效地利用钙钛矿材料无法吸收的红外光，因此，通过叠层的方式组合两种单电池，可以突破传统纯硅光伏电池的理论效率极限，进一步提升硅光伏电池的效率。

此外，晶硅-钙钛矿叠层电池将钙钛矿组件与硅电池按能隙从大到小的顺序从外向里叠合起来，让短波长的光被最外侧的宽带隙钙钛矿太阳能组件吸收，波长较长的光能够透射进去让窄带隙的硅太阳能电池吸收，可最大限度地将光能变成电能。

两端叠层结构是叠层钙钛矿电池的主流结构。根据结构的不同，叠层钙钛矿组件可分为机械堆叠的四端叠层电池、光谱分离的四端叠层电池、反射结构的四端叠层电池和两端叠层电池。四端子结构能实现更高的实验室效率，但四端子叠层电池的光学耦合叠层需要使用光学分光镜，成本过于昂贵，而机械堆叠式需要使用三层透明电极，会降低电池转换效率。相比之下，两端叠层电池结构简单，设备和工艺相对成熟，更加适合产业化，是现在及未来的主流结构。