光伏发电系统具有显著的能源、环保与经济效益，能显著降低碳排放，未来将成为世界能源供应的主体。随着社会对能源绿色化意识的逐渐提高和化工合成技术的进步，高光电转换效率太阳能电池的研究和开发已成为当下研究热点。其中，钙钛矿材料由于其光电转换效率高、成本低以及光学可调性强等优点而成为新一代太阳能电池最有前途的材料之一。

来源：纤纳光电

光伏发电领域的新星——钙钛矿太阳电池

1839年的一天，俄罗斯矿物学家古斯塔夫·罗斯在乌拉尔山脉发现一种具有特殊晶体结构的钙和钛氧化物，遂以俄罗斯地质学家列夫·佩罗夫斯基（Lev Perovski）的名字命名。这也是钙钛矿英文名称Perovskite的由来。

2009年，日本科学家宫坂勉率先在染料敏化太阳能电池中使用钙钛矿作为光吸收材料，这种矿物开始在太阳能发电领域崭露头角。

现在钙钛矿材料是指晶体结构与CaTiO3相同的一系列材料，一般用ABX3的化学通式来表示。其中，A和B代表阳离子，X代表阴离子。

钙钛矿（ABX3）晶体结构示意图

钙钛矿材料具有出色的光电特性，首先，它具有低的激子结合能和长的载流子扩散长度，这就保证了器件中电子和空穴传输的有效性。其次，它的吸收系数很高，这大大提升了对太阳光的吸收和利用的效率。另外，钙钛矿材料的带隙可以通过调整钙钛矿的化学组分进行连续调节，一方面可以将材料的带隙向理想值逼近，另一方面可以根据需求设计出不同带隙的钙钛矿材料进行叠加，或者与其它光伏材料(如硅、CdTe和有机光伏材料等)叠加，从而尽可能多地捕获光子。

更高的效率，更低的成本

有着第三代光伏电池技术之称的钙钛矿电池，被不少拥趸视作光伏的“终极”——更高的单结理论转化效率，更低的发电成本，更丰富的应用场景，更低的碳足迹，这足以具备强大的吸引力。

不同钙钛矿太阳能电池结构示意图

钙钛矿这种材料的效率提升速度非常之快——2009年时，用钙钛矿制造的太阳能电池仅有3.8%的转换率，到了2014年，这一数字已提升到19.3%，2023年更是提升到29%。作为对比，晶硅类电池完成这一进程花了40年以上。

由于和晶硅路线的制造工艺完全不同，钙钛矿电池可由普通工业化学品和金属廉价制造，并可印刷在塑料柔性膜上大量生产。晶硅电池则先要通过昂贵的高温工艺制成纯度相当高的硅棒并切成硅片，才能制成。

与此同时，钙钛矿对缺陷的耐受性很高。它可溶解在溶剂中，并在接近室温的条件下印刷。这意味着，理论上钙钛矿电池的成本只有晶硅电池的一半甚至更低。

商业化面临诸多挑战

钙钛矿商业化还面临很大挑战。业内认为，实现大面积制备是必要条件，再者就是效率和稳定性提升，未来方可与晶硅电池“一战”。

实现更大面积的钙钛矿薄膜的制备。钙钛矿太阳电池最重要的部分是钙钛矿薄膜，其质量直接决定了钙钛矿太阳电池的性能。

不同的钙钛矿薄膜制备方法及其优、缺点

目前所开发的钙钛矿太阳电池面积仍较小，而产业化应用需要大幅宽、连续长度的钙钛矿薄膜，工艺放大的过程中，如何在产业化条件下，稳定、批量的获得大面积、高质量的钙钛矿薄膜，仍有工艺及技术难题需要突破。

稳定性。钙钛矿太阳能电池的长期稳定性较差，尤其是在潮湿和高温条件下。钙钛矿材料会随着时间的推移而退化，从而降低太阳能电池的效率。

毒性。Pb是一种有毒的物质，含铅钙钛矿太阳能电池的使用引起了人们对这些设备安全性的担忧。传统光伏需要在户外使用25年之久，随着电池使用年限的增长，Pb的渗漏和溶解会造成环境污染，需要探索毒性较低但仍保持铅基钙钛矿高效率的替代材料。

提高光电转换效率。光电转换效率是评价钙钛矿太阳电池性能的关键性指标。目前研究人员主要通过降低界面缺陷、调控晶体生长、调节带隙宽度，以及提高薄膜结晶度等路径来提高钙钛矿太阳电池的光电转换效率。

钙钛矿电池产业化之路还有多远？

2023年1月，工业和信息化部等六部门发布《关于推动能源电子产业发展的指导意见》，将“发展先进高效的光伏产品及技术”列为重点之一，提出“支持高效低成本晶硅电池生产，推动N型高效电池、柔性薄膜电池、钙钛矿及叠层电池等先进技术的研发应用，提升规模化量产能力”。

2022年至今，多家企业进军钙钛矿领域或融资用于研发及新建产线，包括协鑫光电、纤纳光电、极电光能、曜能科技、仁烁光能、隆基绿能、众能光电、无限光能、金晶科技等，据不完全统计，具备产线规划的企业近20家，设备玩家亦持续扩容。

今年3月，协鑫光电100MW钙钛矿1m*2m组件实现了16%的效率目标，规划年内达到18%。“钙钛矿没有一条现成的路可以走。”协鑫光电董事长范斌表示，有别于晶硅技术，钙钛矿从设备到工艺到材料都需要原创开发和整个体系的配合，需要包括设备、材料以及解决方案等各方面供应商的配合。  

4月，极电光能钙钛矿产业基地项目开工，该项目计划建设内容包含全球首条1GW 钙钛矿光伏生产线，计划在2024 年年底基本搭建完成，标志着行业真正从 0 到 1 走向 GW 时代。

极电光能总裁于振瑞认为，实现钙钛矿技术大规模产业化，需要解决大面积制备条件下技术的成熟度问题。“要想实现商业化，就需要行业的普遍认可。这不但需要产品效率提升到一定的程度，并且稳定性也要通过严格的加速老化测试，更需要大量的户外实证数据支撑。”在于振瑞看来，2025年是钙钛矿技术可与晶硅技术媲美的关键时间点。

11月3日，隆基绿能发布会宣布，其自主研发的晶硅-钙钛矿叠层电池效率达到33.9%，刷新全球晶硅-钙钛矿叠层电池效率最高纪录。 隆基绿能研发团队负责人何博表示钙钛矿产业化方面，业内已有不少进展。但在隆基绿能看来，钙钛矿电池量产还有很长的路要走，“如果没有实证数据对钙钛矿的发电规律及可靠性进行完全掌握的话，我们是不会盲目量产的，实现产业化需要7年左右时间。”何博认为。

小结

尽管存在这些挑战，钙钛矿太阳能电池在光伏领域显示出了巨大的前景，并且近年来取得了重大进展。随着进一步的研究和开发，钙钛矿太阳能电池有望成为太阳能转换的领先技术。

参考资料：

张敏等.钙钛矿光伏技术的研究进展与产业化趋势

程方.钙钛矿高转换效率光伏材料合成技术进展综述

科技日报、澎湃新闻、经济参考网、上海证券报、中国能源报等