核心观点：

太阳能电池发展到现在大致分为以下三代： 1）第一代是发展最久的硅基太阳能电池，制备成本较高，光电转换效率一般，电池器件稳定很好，使用寿命一般在20 年左右。2）第二代多元化合物薄膜太阳能电池，主要包括砷化镓（GaAs）、碲化镉（CdTe）、铜铟镓硒（CIGS）太 阳能电池等，PCE较高，器件稳定性较好，电池器件制备工艺简单，但这类电池使用的材料部分元素严重污染环境且地 球储备量很少，阻碍商业化和工业量产。3）第三代新型太阳能电池，主要包括钙钛矿太阳能电池、染料敏化太阳能电 池、有机太阳能电池、量子点太阳能电池等。制备工艺简单、原材料地球储备量大、光电转化效率较高，但目前电池稳 定性比较差。

1、钙钛矿电池：第三代叠层技术光伏电池

1.1、历史复盘：第三代光伏电池技术正在崛起

太阳能电池发展到现在大致分为以下三代：1）第一代是发展最久的硅基太阳能电池，制备成本较高，光电转 换效率一般，电池器件稳定很好，使用寿命一般在20年左右。2）第二代多元化合物薄膜太阳能电池，主要包 括砷化镓（GaAs）、碲化镉（CdTe）、铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池等，PCE较高，器件稳定性较好，电 池器件制备工艺简单，但这类电池使用的材料部分元素严重污染环境且地球储备量很少，阻碍商业化和工业量 产。3）第三代新型太阳能电池，主要包括钙钛矿太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池、量子 点太阳能电池等。制备工艺简单、原材料地球储备量大、光电转化效率较高，但目前电池稳定性比较差。

1.2、钙钛矿电池概述：既不含钙，也不含钛

钙钛矿电池：1839年，德国科学家Gustav Rose在俄国考察中在乌拉尔山脉发现元素组成为CaTiO₃矿物，并 将其命名为"perovskite”以纪念同名的俄国地质学家，因最早被发现于钙钛矿石中的钛酸钙（CaTiO₃）化合 物中而得名，属于第三代太阳能电池。 钙钛矿材料：广义的钙钛矿其实是指具有ABX3型的化学组成的化合物。其中A（A=Pb2+ , Na+ ，Sn2+ ，Sr2+ , K+, Ca2+ , Ba2+ 等）是大半径的阳离子，B（B=Ti4+ , Mn4+ , Zr4+ ,Fe3+ , Ta5+ 等）是小半径的阳离子，X （X=F-, Cl-, Br-, I-, O2-等）为阴离子。

1.3、钙钛矿电池结构：主要分为介孔结构和平面结构

钙钛矿电池主要分为：介孔结构和平面结构。 介孔结构：目前文献中所报道的高效率的钙钛矿太阳能电池的结构是以透明导电玻璃（TCO）作为基底，再是 空穴传输层（HTL）或电子传输层（ETL）、钙钛矿活性层和金属电极。钙钛矿层夹在HTL和ETL中间。当钙 钛矿层受到光照后，内部激子发生分离产生电子和空穴对，电子通过ETL导出，空穴通过HTL导出，当器件外 加负载便能够形成完整的回路。

1.4、钙钛矿电池工作原理

因为钙钛矿这种材料的激子束缚能较小，当太阳光穿过TCO和ETL，照射在钙钛矿活性层上，吸收光子后产生 电子-空穴对（载流子），成为自由载流子或激子。激子分离成电子和空穴，空穴和电子分别通过HTL和ETL 传输到两侧电极，电极两端将形成电位差。若此时将电极两端连接负载电路，则可以产生回路形成光电流。 1）产生电子空穴对：钙钛矿材料带隙适中、可以吸收800nm以下的可见光而且吸收系数较高等。在光的照射 下，能量大于钙钛矿材料带隙的光子会把钙钛矿价带上的电子激发到相应的导带上，但空穴会留在价带上。钙 钛矿的激子束缚能较低，电子和空穴会扩散运动到界面处，形成自由的电子和空穴，这样便形成电子空穴对。

1.5、钙钛矿电池实验室及产业化进程加快

钙钛矿从提出至今，光电转化效率以直线速度增长。2006年，Miyasaka课题组首次将钙钛矿材料添加到染料敏华电池中作为吸光层，并获得2.2%的转换效率。2009年，其又将MAPbI3和种MAPbBr3替代染料敏化电池中的吸光层，得到的钙钛矿电池转换效率为3.8%。2012年， Michael Grätzel将一新型有机空穴传输固体材料作为电池的传输层，电池转换效率超过10%，增加电池 的商业价值。2013年，Henry Snaith以Al2O3取代TiO2作为骨架辅助钙钛矿成膜，得到15.4%的转换效率。

1.6、钙钛矿电池优势：提效+降本远高于晶硅电池和薄膜电池

钙钛矿电池优点：提效：钙钛矿的理论极限转换效率远高于晶硅电池和薄膜电池。钙钛矿材料的吸光性能远高于晶硅材料，能量 转换过程中能量损失极低。在理论极限上，晶硅太阳能电池、PERC单晶硅电池、HJT电池、TOPCon电池的 极限转换效率为29.40%、24.50%、27.50%、28.70%。相比之下，单结钙钛矿电池理论最高转换效率达 31%，多结电池理论效率达45%，转换效率随着钙钛矿材料的叠加使用，转换效率不断提升至新的高度。

2、单结钙钛矿电池制备：TCO玻璃的处理→制备电子传输层→制备钙钛矿层→制备空穴传输层→制备背电极

2.1、单结钙钛矿电池制备

PSCs主要由以下五个功能层组成：透明导电氧化物（TCO）、N型半导体（电子传输层ETL）、钙钛矿层、 P型半导体（空穴传输层HTL）和背电极。根据功能层的堆叠顺序，PSCs可分为正置的n-i-p和倒置的p-i-n 结构。

2.2、单结钙钛矿电池制备

通常可以分为5个步骤：TCO玻璃的处理→制备电子传输层→制备钙钛矿层→制备空穴传输层→制备背电极。 1）TCO玻璃的处理：先将TCO玻璃裁成合适面积的小块，再用溶液或激光刻蚀，然后清洗干燥。 2）制备电子传输层：通常用磁控溅射法或溶液旋涂法来实现制备，其材料通常为TiO2、SnO2、ZnO等等。磁 控溅射或旋涂后退火，得到电子传输层。

2.3、单结钙钛矿电池制备设备

从协鑫光电公布的工艺流程图上看，整个工艺需要9步，主要设备包括PVD设备、涂布设备、激光设备。 其中，涂布设备难度更大。因为钙钛矿是把卤化物溶液涂在玻璃或者是硅片上，溶液结晶，形成光伏的吸光材 料；目前没有任何的生产活动，需要这样的结晶工艺。PVD设备不仅应用在钙钛矿电池，晶硅电池的生产也需 要，其他的行业生产也有可能会用到PVD技术。激光设备需求更为明确。

3、叠层钙钛矿电池制备及进展

3.1、钙钛矿/晶硅叠层电池理论上叠层效率可以高达43%

钙钛矿/晶硅叠层电池理论上叠层效率可以高达43%。晶硅太阳电池的功率转换效率正在接近29.4%的 Shockley-Queisser极限，由于能量不匹配光子和电学复合的存在，提升单结太阳电池效率将会越来越困难。 最简易的方法是使用不同带隙的吸收材料来吸收不同能量的光子，这可以减少高能电子的热损失，最经济的方法 是两端钙钛矿/晶硅叠层太阳电池。数值计算表明，使用带隙为1.72eV的钙钛矿与1.12eV的晶硅结合，理论上叠 层效率可以高达43%。 叠层电池结构分为：两端钙钛矿/晶硅叠层电池；三端钙钛矿/晶硅叠层电池；四端钙钛矿/晶硅叠层电池。

3.2、异质结-钙钛矿叠层电池产业化处于起步阶段

异质结-钙钛矿叠层电池产业化处于起步阶段。以目前公告情况来看，仅有杭萧钢构子公司合特光电计划在2022 年底投产首条异质结-钙钛矿叠层电池中试线，计划产能100MW，一期目标量产转换效率28%，未来目标30% 以上。设备方面，合特光电采用外购改装模式，嵌入新材料新工艺调节半导体材料带隙和界面钝化，未来预期可 达30%以上转化效率。