先进制造2025｜钙钛矿光伏技术：实验室突破到产业化的“破茧”之路（先进制造前沿第9期）

作 者

双碳经济研究中心

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钙钛矿电池颠覆性底层技术

概念界定

钙钛矿太阳能电池是指使用“具有钙钛复合氧化物（CaTiO3）具有相同的晶体结构的有机金属卤化物、无机金属卤化物、有机/无机金属卤化物”作为光敏层的一类薄膜太阳电池，属于第三代太阳能电池。

表1：钙钛矿电池技术与晶硅电池技术的不同之处

技术特征

高光电转化能力

钙钛矿具有激子寿命长、缺陷浓度小、可见光区吸光度高、原料易得等优异性质，可以与晶体硅电池叠加制成叠层电池。由于钙钛矿材料一般具有比较低的载流子复合几率和比较高的载流子迁移率，使得其能够获得较长的载流子的扩散距离和寿命，因而钙钛矿太阳能电池具备更高的光电转换效率。

光学可调控性强

钙钛矿带隙可调，通过调整材料组分，可改变钙钛矿的带隙宽度，从而实现对吸收光波长的调控，便于制备叠层电池。带隙的调整还能使电池呈现不同颜色（如红、黄、蓝等），并可实现不同程度的透明度，在光伏建筑一体化（BIPV）中兼具发电和装饰功能。

材料与制备优势

材料成本低：钙钛矿材料主要由铅、碘、甲脒等元素组成，原材料价格相对低廉，且无需像晶硅那样经过高纯度提炼和复杂的晶体生长过程。

制备工艺简单：可采用溶液印刷（如喷墨打印、刮刀涂布）等低成本工艺制备，无需高温高压环境，能耗低，适合大规模、柔性化生产。

结构与形态特性

薄膜特性：钙钛矿电池可制成超薄薄膜（厚度仅微米级），重量轻，对承载结构的负荷小，适合用于建筑幕墙、车顶等轻量化场景。

柔韧性好：基于柔性基底（如塑料、金属箔）制备的钙钛矿电池具有良好的柔韧性和可弯曲性，能适应曲面等复杂形状的应用需求。

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钙钛矿电池类别

单结钙钛矿电池

钙钛矿单结电池是指仅包含一层钙钛矿活性层的太阳能电池，是钙钛矿光伏技术中结构最简单的基础形式，具备结构与制备简单、制备成本较低、适配场景灵活等优势，同时面临理论转换效率受限、稳定性差、含铅泄露风险、大面积制备效率衰减明显等问题急需解决。

叠层钙钛矿电池

钙钛矿叠层电池是指将两层及以上不同带隙的钙钛矿活性层，或钙钛矿与其他光伏材料（如晶硅）的活性层叠加组成的太阳能电池。目前钙钛矿-晶硅叠层电池是产业化最为活跃的技术路线，结合钙钛矿的宽光谱吸收和晶硅的高稳定性，效率已突破30%。

有机-无机杂化钙钛矿电池

有机-无机杂化钙钛矿电池是指钙钛矿材料中引入有机阳离子（如甲胺基、甲脒基），形成有机-无机杂化结构，兼具有机材料的柔性和无机材料的高载流子迁移率，但稳定性受有机成分影响较大。

全无机钙钛矿电池

全无机钙钛矿电池是指钙钛矿材料完全由无机离子组成（如CsPbI3、CsPbBr3），不含有机成分，热稳定性高，但带隙较宽，效率相对较低。

表2：钙钛矿电池按材料组成分类

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钙钛矿电池产业化进程

叠层电池实验室记录持续突破，产线陆续建成投运

表3：2024年全球钙钛矿叠层电池效率记录

量产面临技术难点

关键技术仍需突破

·大面积制备、大尺寸薄膜均匀性等技术有待进一步突破；

·长寿命稳定性技术不足，界面动态修复、复杂工况下寿命预测与强化技术等有待进一步强化；

·现有实验室需求设备向量产化设备发展，有待加快。

核心材料仍存难点

·钙钛矿本体材料稳定性不足，易受水氧高温影响，效率衰减大；

·电荷传输层与钙钛矿界面兼容性差，导致性能损失；

·封装材料阻隔性不足，难以满足量产要求；

·无铅替代材料效率低，寿命短且成本高；

·高纯度、高一致性辅材供应不稳定，影响电池性能。

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