一文看懂钙钛矿光伏电池
1. 钙钛矿电池：结构革新与性能特点
1.1 发展迅速的第三代太阳能电池
太阳能电池历经三代发展：第一代晶硅电池技术成熟，主导市场；第二代薄膜电池（如CIGS、CdTe）效率较高但受限于材料稀缺性或毒性、工艺复杂性；第三代新型电池包括钙钛矿、染料敏化、有机及量子点电池等。其中，钙钛矿太阳能电池（PSCs）自2009年问世以来，凭借其理论效率高、发电潜力优、成本预期低、应用场景广等突出优势，迅速成为学术与产业界焦点，近年投资规模显著。
1.2 发电原理：光生载流子分离与可调带隙优势
PSCs通过光生载流子分离发电。基本原理为：光子能量激发钙钛矿材料价带电子至导带，产生电子-空穴对（激子）；激子在热能作用下解离为自由载流子；电子传输层（ETL）和空穴传输层（HTL）分别在界面处选择性抽取电子和空穴；载流子经传输层被电极收集形成电流。
关键优势：可调带隙。钙钛矿材料（ABX₃结构）的带隙可通过改变A、B、X位元素种类与比例在1.15-3.06 eV范围内连续调节（例如，A位离子半径减小、X位Br掺杂增加带隙；B位Sn替代Pb降低带隙）。这种特性使其能突破单一固定带隙材料的效率极限。根据Shockley-Queisser极限计算，理想带隙约为1.4 eV，对应理论效率33.7%。硅的带隙为1.12 eV，理论效率29.4%，钙钛矿在效率潜力上超越晶硅。
1.3 基本结构：五层构造与叠层潜力
典型PSCs为五层“三明治”结构：由内至外依次为钙钛矿吸光层（产生载流子）、电子传输层（ETL，输运电子/阻挡空穴）、空穴传输层（HTL，输运空穴/阻挡电子）、以及两侧电极（收集载流子）。面向光源侧为透明底电极。结构上主要分为介孔型、正式(n-i-p)平面型和反式(p-i-n)平面型。反式结构因低温工艺兼容性好、稳定性更优，成为产业化研究重点。
材料体系丰富： 各功能层材料选择多样，但需兼顾能级匹配、稳定性与成本：
* 钙钛矿层：需满足特定容忍因子。分有机-无机杂化型（性能优）和全无机型（热稳定好）。
* HTL：常用有机小分子或聚合物材料，需平衡能级匹配、成膜性与稳定性。
* ETL：金属氧化物（如TiO₂, SnO₂）应用广泛，有机材料（如PCBM）效率高但稳定性存疑。
* 电极：底电极需透明（常用TCO玻璃）。顶电极可选金属（成本高）、TCO或碳材料。
叠层电池突破效率瓶颈：将不同带隙材料上下叠放（宽带隙在上吸收短波光，窄带隙在下吸收长波光），可更充分利用太阳光谱。钙钛矿宽带隙可调特性使其成为理想的顶电池材料，可与晶硅（窄带隙）或另一种钙钛矿组成两端或四端叠层电池，理论效率超40%。
2. 产业化潜力：优势显著，挑战明确
2.1 效率进展迅速，发电能力突出
PSCs效率提升速度远超晶硅电池。从2009年首次报道效率3.8%至2023年单结认证效率达26.1%，逼近晶硅记录，仅用十余年完成晶硅数十年发展历程。
高转化效率是降本核心：效率提升直接降低组件单位成本与度电成本（LCOE）。此外，PSCs具备**弱光响应好、衰减率低、温度系数接近零**等特性，同等标称效率下，其实际发电量可比晶硅电池高出约10%。
2.2 材料易得，制程简短，成本潜力大
* 材料优势：钙钛矿原料（如有机胺盐、铅盐、卤化物）丰富易得；对材料纯度要求显著低于晶硅（~90% vs. 99.9999%）；吸光层极薄（<500 nm），材料用量极少（约2g/㎡ vs. 晶硅1kg/㎡）；其他功能层材料（如SnO₂, FTO玻璃）也具经济性。
* 制程优势：一体化生产，流程短（约45分钟），能耗低（约0.23 kWh/W vs. 晶硅 >1 kWh/W），碳排放少。预期成熟阶段GW级产能投资额约5亿元，组件成本有望降至0.5-0.6元/W，极具竞争力。
2.3 核心挑战：稳定性与大尺寸制备
稳定性是产业化最大瓶颈：当前PSCs寿命远低于晶硅（25年以上）。其不稳定性源于：
1. 材料本征不稳定性：钙钛矿为离子晶体，工作环境下离子易迁移导致分解。
2. 环境敏感性：水汽、氧气、紫外光照和高温会加速材料降解和电池失效。
大面积制备难题：效率、稳定性与面积在现有工艺水平下存在权衡。大面积均匀成膜、缺陷控制及工艺一致性是量产关键挑战。
2.4 技术升级：多路径提升可靠性
提升稳定性和大尺寸制备能力的研究方向包括：
1. 材料组分优化：如混合阳离子、引入大分子形成2D/3D结构、选用稳定无机传输材料。
2. 薄膜与界面工程：采用溶剂工程、添加剂、界面修饰层等改善薄膜质量和界面稳定性。
3. 先进封装：使用高阻隔材料（如氟硅聚合物凝胶）严格隔绝水氧。
4. 工艺创新：如开发适用于大面积的反溶剂、闪蒸辅助等制膜工艺。
3. 量产制造：方案初现，多路线并行
3.1 单结电池制造：基本工艺成型
单结PSCs组件制造一体化，流程包含：
* 前道电池制作：在TCO玻璃基板上依次沉积各功能层（ETL/HTL、钙钛矿层、顶电极），并通过激光划线（P1-P3）实现子电池串联。
* 后道组件封装：使用高阻隔胶膜（如POE+丁基胶）和玻璃盖板进行层压密封，安装接线盒。
3.2 核心工艺：功能层制备
* 钙钛矿层：
– 湿法（主流）：狭缝涂布法优势明显（参数易控、非接触、溶液利用率高、安全性好）。分一步法（简单但需精确结晶控制）和两步法（膜层质量优、重复性好）。反溶剂辅助结晶常用。
– 干法（蒸镀）：膜层质量高（均匀致密）、大面积兼容性好、工艺洁净稳定，但设备成本高、材料利用率低、多组分调控难。
– 混合法： 探索中，结合两者优势但成本增加。
* 传输层（HTL/ETL）：
– 干法为主：PVD（磁控溅射）技术成熟、成膜快且均匀，适合制作如NiO等无机HTL薄膜。RPD（反应等离子体沉积）粒子能量低，减少基底损伤，低温沉积高质量ETL（如SnO₂）薄膜，但存在专利壁垒。ALD（原子层沉积）精度高、保形性好，潜力大。
– 湿法/蒸镀：部分有机传输材料（如PTAA、PCBM）可采用涂布或蒸镀。
* 电极层：
– 底电极：直接采用预制TCO玻璃基板（常用FTO或ITO）。
– 顶电极：产业化主要采用PVD溅射TCO（成本与稳定性考量）。碳电极涂布方案也在探索。
3.3 激光刻划：实现电池串联
采用精密激光进行P1（隔离TCO）、P2（连接通道）、P3（隔离串联）、P4（清边）四步划线，精度要求高（常用纳秒/皮秒/飞秒激光器），直接影响电池效率与寿命。
3.4 叠层电池制造路径
* 两端叠层：顶电池与底电池通过隧道结/复合层直接连接，一体化制造。晶硅/钙钛矿叠层是重点方向（尤其HJT晶硅底电池兼容性好），但需解决绒面硅上均匀沉积钙钛矿、寿命匹配及封装问题。全钙钛矿叠层也在探索量产方案。
* 四端叠层：顶底电池独立制作后机械堆叠，外部电路串联。工艺兼容性好，但光学损失和成本可能增加，产业化探索较少。
超声波喷涂技术被认为是一种有效的薄膜涂层制备工艺，可用于制备薄膜钙钛矿太阳能电池的各种功能层，例如TCO涂层（透明导电氧化物）；增透膜和增透膜的制备；钙制备活性层，例如钛矿石，量子点，缓冲层或有机层；超声波喷涂系统为许多太阳能电池应用提供了一种低成本解决方案。超声波喷涂具有高精度薄膜厚度控制、均匀性高、飞溅少，原料利用率高4倍的显著优势。与镀膜和CVD等涂层工艺相比，超声喷涂具有较高的性价比，尤其是对于大面积涂层，其成本大大降低。
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杭州驰飞是超声镀膜系统开发商和制造商，产品主要应用于燃料电池质子交换膜喷涂、薄膜太阳能电池、钙钛矿、微电子、半导体、 纳米新材料、玻璃镀膜、 生物医疗、纺织品等领域。
