睿择投研 | 钙钛矿电池或为光伏终极路线？钙钛矿量产并非朝夕之事

本期目录

一、前言

二、钙钛矿——第三代高效薄膜电池的代表

三、钙钛矿电池工艺简单，大大缩短产业链

四、效率大幅提升，降本潜力远超晶硅

五、钙钛矿产业化核心难点

六、结语

一

日前，钙钛矿组件公司光晶能源宣布完成1.6亿元A轮融资，本轮融资由启明创投联合领投。此前，数十家投资机构已前仆后继地加速对钙钛矿企业注资，投资金额均超千万、甚至上亿元。显然，钙钛矿太阳能电池，这个名字在今年的光伏行业声名鹊起。

高效率、低成本、易制备，钙钛矿太阳能电池以十年的时间走完晶硅太阳能电池近半个世纪的发展之路，成为第三代光伏技术的焦点。可以说，钙钛矿技术不仅可以打破晶硅电池技术转换效率的理论“天花板”，还可以降低光伏产业度电成本，是唯一具有商业化应用前景的新兴光伏技术。

奥联电子（300585.SZ）于2022年12月9日公告：胥明军个人出资250万元（占比5%），与奥联电子子公司海南奥联投资有限公司（下称“奥联投资”）共同成立南京奥联光能科技有限公司（下称“奥联光能”）。奥联光能主要从事钙钛矿太阳能电池及其制备装备的研发、生产、制备、销售等。

然而在深交所的问询下，奥联电子在2023年2月13日发布公告公开了胥明军的履历，但这份履历在2月21日上午被杭州众能光电科技有限公司（下称“杭州众能”）和中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司（下称“华能清能院”）“打假”。监管趋严的背景下，投资者对上市公司造假行为十分敏感。奥联电子技术合作方的履历突遭打假，消息传出当天公司股价“闪崩”20%，第二日再收跌12%，期间市值蒸发近20亿元。

钙钛矿领域在资本市场受到热捧，而回归到产业本身，钙钛矿仍处于早期发展阶段。那么，钙钛矿电池究竟为何物？为何吸引嗅觉敏锐的资本积极涌入？阻碍其产业化的技术痛点又是什么？

本期睿择将对近年中国钙钛矿的技术路线、技术优势和产业化受限难点等进行盘点与分析，帮助广大投资者了解钙钛矿电池产业的发展动态。

二

钙钛矿最初指化学式为CaTiO₃的矿物质，及拥有CaTiO₃结构的金属氧化物。钙钛矿(Perovskite)，是以俄罗斯矿物学家 L.A.Perovski 的名字命名的。1839年，L.A.Perovski研究存在于乌拉尔山变质岩中的钛酸钙(CaTiO₃)时，首次提出了钙钛矿这一晶体结构。

经过多年发展，钙钛矿材料定义演变为具备化学通式ABX₃的物质。其中，A为一价有机（甲基铵，MA⁺或甲脒，FA⁺）或无机（Cs⁺）阳离子，或两者的混合物；B为Pb²⁺或Sn²⁺，或两者的混合物；X是卤化物阴离子（I^-、Br^-或CI^-或它们的混合物）。A位阳离子位于中心，B位阳离子和X位卤化物阴离子形成八面体，占据体心立方晶格的角位。晶格中的离子半径决定钙钛矿材料的结构，进而影响钙钛矿材料的电子性质和稳定性，并决定钙钛矿光伏电池的性能和寿命。通过调控A、B和X位离子的配比可以优化电池的性能和稳定性。

技术路线方面，钙钛矿单结电池进展较快，已有多家企业进入中试阶段。根据钙钛矿光伏电池的结构，可分为三条主流技术路线：钙钛矿单结电池、四端和两端钙钛矿/晶硅叠层电池。

（一）钙钛矿单结电池

单结电池结构包括介孔结构与平面结构，其中平面异质结构又分为正式（n-i-p型）平面结构和反式（p-i-n型）平面结构，结构包括透明导电电极、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层、顶电极。介孔结构的钙钛矿电池成膜光滑、均匀，效率表现好，但制备工艺较复杂，且需要高温烧结；正式平面结构的钙钛矿器件有利于提升其光电转换效率，多用于学术领域；反式平面结构的钙钛矿器件便于制备，被广泛用于产业领域。

当前，国内外已有数家企业进入中试阶段，但和晶硅组件的效率依旧相差甚远。钙钛矿组件的造价未来在大范围量产后，预计将略低于晶硅组件。由于其目前较低的效率，度电成本未来仍可能高于晶硅组件。但钙钛矿单结组件可以切入场景更多元的细分领域，例如BIPV、柔性组件或者空间应用。

（二）四端钙钛矿/晶硅叠层电池

叠层太阳能电池技术旨在突破单结太阳能电池的Shockley–Queisser极限（例如晶硅的理论极限小于30%），在高效转换光子能量的基础上将理论极限推至40%以上。四端叠层将晶硅和钙钛矿电池分开制备，仅在组件端进行整合。目前产业界仅有试验性的尝试。

（三）两端钙钛矿/晶硅叠层电池

和四端叠层电池相比，两端叠层电池在成本上的优势更明显。首先两端叠层电池可以减少一层透明导电电极的制备，其次良品率由于单片电池面积的减小而大幅上升，同时两端叠层的理论极限上限相对更高。虽然叠层组件制备成本比晶硅组件略高，但由于其更高的能量转换效率，度电成本会更低。目前产业界有英国的牛津光伏进入中试阶段。

三

（一）钙钛矿的工艺优势

对于晶硅来说，硅料、硅片、电池、组件需要4个以上不同工厂生产加工，一片组件的制造时间需要3天左右；而对于钙钛矿只需要1个工厂，从玻璃、胶膜、靶材、化工原料进入，到组件成型，总共只需45分钟。晶硅在拉单晶的过程中需要900℃以上的温度将硅料融化，而钙钛矿各功能层的加工温度不超过180℃，且大多数环节也无需真空条件。从能耗角度，单晶组件制造的能耗大约是1.52KWh/W，而钙钛矿组件能耗为0.12KWh/W，单瓦能耗只有晶硅的1/10，能量回报周期短。

（二）涂布工艺是关键

钙钛矿光伏电池的制备中，ETL(缓冲层主要指电子传输层)、HTL(空穴传输层)与钙钛矿吸光层是制备工艺中的核心环节。其中，钙钛矿吸光层的制备是最核心的环节。封装是钙钛矿光伏组件生产与晶硅光伏组件生产相同，而涂布是钙钛矿光伏电池生产中独有的环节，主要用于钙钛矿层的制备。

当前，头部厂商皆在搭建MW级别的中试线，而钙钛矿层的涂布结晶工艺的不成熟是目前制约钙钛矿光伏电池量产的主要因素。钙钛矿薄膜的结晶性良好有助于降低其缺陷态密度、减少载流子的复合。大面积钙钛矿的主要难点就是如何在溶液中形成大量的结晶，以提升镀膜的均匀性。在大面积钙钛矿产业化进程中，目前多采用狭缝涂布技术。狭缝涂布工艺可见于锂电池、燃料电池、液晶显示等多领域的精密制造环节。狭缝涂布可兼容卷对卷生产，是实现钙钛矿电池产业化的重要方法。

狭缝涂布法可通过控制系统进行狭缝宽度、移动速度和输液速度的调整，对薄膜质量进行更精细化调控，相对其他涂布工艺更容易控制。同时，狭缝涂布法可将溶液密封在储液罐中，既能够提高溶液利用率，又能够保障溶液浓度的统一和减少对操作人员的影响。

涂布产品壁垒主要在于机械精度（平面度、直线度、粗糙度等）、涂布效率（宽度、速度等）和涂布效果（面密度、尺寸、外观等）等技术指标，对模头与流道协同的可视化调节方式、多种浆料和绝缘涂料共同涂布的流道腔体设计、基于神经网络及卡尔曼滤波算法实现涂布面密度自动调节的闭环控制系统等技术要求较高。

高精密狭缝式涂布模头是涂布技术在各个新兴技术领域应用发展而逐步兴起的产品。高精密狭缝式涂布模头是涂布机的最核心部件，目前以进口为主，国内曼恩斯特等企业逐步实现进口替代。

四

钙钛矿电池为何备受各路资本趋之若鹜？究其原因，在于其基于颠覆晶硅材料束缚的同时，还兼备更高光电转化效率、更低度电成本以及更短的产业链。

（一）光电转化效率高

首先，对于光伏行业而言，无论何种技术，转化效率潜能的天花板决定了一项技术是否具有发掘潜力。钙钛矿电池的理论转换效率天花板相对晶硅电池较高，未来提升潜力大。

目前，主流光伏晶硅电池的光电转换效率已接近天花板，晶硅组件的实验室最高转换效率为26.7%，量产转换效率约为23-25%，理论转换效率上限为29.3%；而钙钛矿单结电池的实验室光电转化效率为25.7%，理论转换效率可以达到33%。钙钛矿叠层电池将进一步打开效率天花板，双结/三结理论效率高达45%/49%，具有较高的天花板；钙钛矿叠层电池的实验室光电转化效率最高为33.7%，且脉络能源研发的钙钛矿室内光伏电池光电转换效率在1000luxU30光源照射下达到44.72%，为当前世界最高值。

目前，钙钛矿电池的研究正处于高速发展的阶段，极电光能809.9cm²大尺寸钙钛矿组件以18.6%的稳态效率再次创造新的世界纪录，新加坡国立大学（NUS）设计的新型钙钛矿光伏电池在1cm²的有效面积上创下了24.35%的世界稳定功率转换效率世界纪录。预计未来伴随钙钛矿技术的逐步成熟，钙钛矿电池的光电转换效率具备较高的提升空间。

据美国NREL统计，自上世纪70年代发明晶硅电池以来，当前晶硅路线HJT最高效率为26.81%（隆基，2022/11）。对比来看，单结钙钛矿电池理论最高转换效率达33%，多结钙钛矿电池理论最高转换效率达45%，转换效率远高于晶硅电池。为何钙钛矿电池的转换效率高于晶硅电池？究其原因，主要有以下三点。

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原因一：

禁带宽度适宜

单结太阳能电池吸光层材料的最优带隙区间为1.3-1.5eV，而MAPbI3、FAPbI3等常用钙钛矿材料的禁带宽度在1.5-1.6eV的区间内，理论转化效率均可超过30%。

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原因二：

材料带隙宽度连续可控

A、B、X含量不同可获得不同组分的钙钛矿材料，相应材料的带隙和能级分布也会产生差异。若对钙钛矿的A、B、X位进行组分调控，可将带隙宽度在1.17-2.8eV内做到连续可控。带隙的大小决定了电池吸收光子的能量范围，因此可调的带隙宽度为钙钛矿和晶硅电池叠层器件的制备提供了多种选择，利于实现两者吸收光谱的互补，光电转换效率最高可达47%。

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原因三：

钙钛矿电池效率直接等同于组件功率

目前TOPCon电池片的量产效率大约为25%，但是封装成组件效率后的效率一般为22%左右，具有2%-3%的组件效率损失（CTM Loss），而钙钛矿电池则没有CTM Loss，电池片效率直接可比组件功率，在产业化进程中具有显著优势。

（二）成本低

根据极电光能测算，百MW钙钛矿成本已经低于晶硅组件。百MW阶段的成本有望控制在1-1.5元/瓦之间；GW级别生产时，成本可降到0.8元/瓦；10GW级别降到约0.6元/瓦。若钙钛矿组件效率在达到17%同时保持成本在1.3元/瓦以内，并且寿命稳定25年则将拥有较强的市场竞争力。总体来看，降本增效是光伏产业发展的唯一主线。那么，钙钛矿电池又是何以实现“降本”优势的呢？

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原因一：

初始投资额低

单结钙钛矿电池投资成本优势明显，单GW投资成本仅为晶硅电池的一半。据协鑫光电披露，以1GW产能需要的投资金额来对比，晶硅的硅料、硅片、电池、组件全部加起来，需要大约9.6亿元的投资规模，其中晶硅电池生产中硅料厂的投资成本约3.45亿元，硅片厂的投资成本为4亿元，电池片厂和组件厂的投资成本分别为1.5亿元和0.65亿元而钙钛矿实现1GW产能需要的投资金额仅约为5亿元左右，是同级别晶硅电池生产成本的1/2左右，对比第二代Ga/As薄膜太阳能电池，成本约为其1/10。

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原因二：

材料成本低

钙钛矿原材料用量少，占比仅3%，不存在原材料卡脖子问题，并避免材料稀缺性涨价。钙钛矿制作过程无需硅料，制作金属卤化物钙钛矿所需原材料储量丰富，价格低廉。硅片厚度通常为180微米，而钙钛矿组件中，钙钛矿层厚度大概是0.3微米，相差三个数量级。从钙钛矿组件成本结构占比来看，成本构成最多的是玻璃及其他封装材料，达34%，而钙钛矿自身的材料成本占比仅为3.1%。而且钙钛矿生产过程中的能耗比较低，多数环节也无需真空环境，未来仍有较大的降本空间。

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原因三：

能耗成本低

钙钛矿电池的制备对原材料纯度要求较低，通常90%左右纯度的原材料即可制造出效率在20%以上的钙钛矿电池。而晶硅电池对材料纯度要求极高，需要达到99.9999%以上，这使得钙钛矿电池不需要和晶硅电池一样进行高温提纯的步骤，从而有效减低了能耗。据测算，晶硅的制造能耗约为0.31KWh，而钙钛矿组件的制造能耗仅为0.12KWh/W。

五

从产业端来看，当前钙钛矿电池已由研发阶段步入中试线投建阶段。近两年钙钛矿领域投资额已破百亿，资本注入有望加速产业技术突破，产业化进程在持续加速中。一方面，本土钙钛矿设备厂商订单先行，部分已成功交付，本土钙钛矿太阳能电池生产厂商融资进展顺利，纷纷布局中试线。例如，长城旗下的极电光能宣布150MW钙钛矿光伏生产线正式投产运行，是全球目前已投产且产能最大的钙钛矿光伏生产线。协鑫光电、纤纳光电也规划了GW级的钙钛矿产能。然而，产业界并没有大规模替换晶硅电池，还是因为钙钛矿电池还有无法克服的劣势：不稳定、高污染和难以大面积生产。

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核心难点一：

材料稳定性先天缺陷

钙钛矿电池相较晶硅电池有显著降本增效优势，但钙钛矿及电池器件各材料稳定性存在先天缺陷，容易导致组件在运行过程中寿命衰减。钙钛矿电池组件的不稳定性主要来自于钙钛矿材料自身的不稳定，以及器件各层材料之间的接触面对器件性能的影响。

钙钛矿自身的不稳定性可分为：

（1）物理不稳定性，即材料本身分解能较低，离子容易发生扩散，温度或者组分的差异会导致钙钛矿材料发生成分偏析或者相分离，影响钙钛矿层的光电性能和长期稳定性；

（2）化学不稳定性，即钙钛矿具有离子键合特性，并且组成离子均为离子势较小的“软”离子，且含有较易分解的有机铵离子，这使得钙钛矿体系形成能较小、缺陷密度较高、各组分反应活性大，容易与环境中的水分子、空气发生反应，光照下发生相分离，同时大量缺陷的存在也使得离子迁移很容易发生，是钙钛矿太阳能电池存在“迟滞”现象的重要原因，离子迁移的累积会造成钙钛矿晶体结构的崩塌，极大地损害器件的长期稳定性。

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原因二：

材料叠加，界面接触复合反应影响电池性能

除钙钛矿材料自身的光电稳定性对器件影响之外，器件各层材料之间的接触面对器件性能的影响也起到重要作用。界面的不稳定性主要存在于钙钛矿层与电子、空穴传输层之间。

（1）钙钛矿层材料的在结晶过程中晶粒间出现空隙，导致当电子、空穴材料接触时复合严重，电池性能降低，并影响器件的稳定性。

（2）电子传输层常用的是金属氧化物TiO₂，由于其光催化特性，TiO₂在光照条件下容易与接触的钙钛矿材料和氧反应导致材料分解。

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原因三：

水溶性铅致环保问题

钙钛矿电池生命周期的铅污染主要来源为：

（1）制备过程中前驱体溶液含铅。钙钛矿薄膜的厚度与前驱体溶液浓度之间存在直接关系，制造高效PSCs 需要相对高浓度（>1.4M）的含铅前驱体。

（2）钙钛矿电池含铅，老化钙钛矿电池如未采取合适的回收方式，其中包含的碘化铅浸出进入土壤后，被植物所吸收进入食物链，相对于其他人类活动带入环境中的铅，其迁移性要高10倍以上。

钙钛矿电池的碘化铅具有水溶性。晶硅组件的焊带含铜箔涂铅，标准尺寸的晶硅组件里约含18克铅，同样尺寸的钙钛矿组件含铅量不超2克，看上去钙钛矿铅含量远低于晶硅。但晶硅电池组件里面主要是金属铅，在之后会变成氧化铅，在水里的溶解度不大；而钙钛矿电池所包含的碘化铅具备一定水溶性（0.69g/L，20℃），如果浸出可能会造成环境和土地污染。

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原因四：

大面积制备有难度

钙钛矿在备制大面积效率损失严重，主要有两个原因：

（1）钙钛矿薄膜本身在大面积制备时工艺不成熟不够均匀导致成膜质量差，效率下降；

（2）大面积薄膜组件进行激光划线后产生的电阻损耗、并产生死区。

针对大面积效率低的问题，主要从工艺、设备两方面解决，目前业界已形成了初步的解决方案。

大面积备制钙钛矿层主要采用狭缝涂布和蒸镀两种方式，差别在于成本和成膜质量之间权衡。

狭缝涂布法可以理解为两步，第一步是涂布溶液，需要保证涂布溶液物理上的均匀性，该步骤对涂布的工艺要求并没有超过面板行业，已有相对成熟解决方案，第二步为干燥结晶，需要保证成膜过程中的化学一致性，为涂布法核心难点所在，目前产业端主要通过风刀、红外等方式干燥结晶，但由于不同厂家配方不同，粘度、挥发性等指标也有所差异，故结晶工序需要工艺、设备、配方三大体系相适配，生产know how的积累与工艺改进仍有较大的空间。

狭缝涂布示意图

真空蒸镀成膜质量较狭缝涂布更好，但是由于需要使用价格昂贵的真空设备、生产效率低、靶材利用率低，故目前生产成本较高，且随着钙钛矿配方越来越复杂，共蒸过程中对蒸发源设计、化学计量控制难度也会进一步提升。

气相沉积（蒸镀）

针对激光划线产生电阻损耗、热损伤、死区，解决思路主要包括优化划线区域、添加隔离层、提高设备精度三大方向：

大面积薄膜组件需要划分后将小电池互连，但划线后也会带来损耗造成电池效率降低。目前钙钛矿分割成小电池主要采用激光划线，P1、P2、P3三道工艺划线后使得划线一侧的顶部电极连接到划线另一侧的背面电极，从而形成串联效果。但是划线后顶电极和背电极接触的地方会形成互联电阻，从而产生功率损耗，且激光划片过程中产生的热损伤也会对钙钛矿层造成一定程度破坏，进而导致效率的降低。目前解决思路主要为提高激光划线精度并优化划线区域。

优化划线区域减小死区

P2划线区域钙钛矿层与金属电极接触，Ag容易与钙钛矿在界面处反应生成AgI或AgBr，从而大幅度降低金属电极的电导率，增大串联电阻。目前实验室可通过添加隔离层，减少钙钛矿层与金属电极的接触可采用光刻工艺添加光刻胶隔离层，防止两者接触解决。

在 P2 线槽添加隔离层

激光划线过程中会产生不能发电的死区，通过采用高精度的精光设备，可以相当程度上减少死区面积，进而提升大尺寸电池效率。

六

相较于已形成完善产业标准的硅电池，钙钛矿材料还需要行业间携手合作，尽快拿出统一的评判标准，才能更好地实现商业化落地。总体来看，钙钛矿光伏电池目前依然处于试验阶段，主要头部厂商目前皆在搭建中试线，为未来量产进行技术试验与储备。预计在2026年钙钛矿光伏电池将完成技术细节的开发、产业设备的完善以及制备工艺的试验，有望进入量产阶段，迎来爆发式增长。

钙钛矿光伏作为一种新兴的光伏技术，不仅在实验室效率上可以比肩晶硅光伏的效率，而且在成本和工艺上更具显著优势。此外，钙钛矿光伏弱光性能优异、光电特性可调，是晶硅光伏不具备的特点，这使钙钛矿光伏在应用场景上更具有广阔的想象力，未来有望使光伏应用走进千行百业、千家万户。