（一）光伏簡介

光伏是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的簡稱,，其核心材料是太陽能電池板（即光伏組件）。光伏組件的基本單元是電池片,，即太陽能電池,，又稱為光伏電池、太陽能芯片或光電池,，是一種利用光生伏特效應(yīng)把太陽光能直接轉(zhuǎn)換成電能的器件,，使用壽命可達(dá)15-25年。

圖1 光伏電池按材料分類及平均效率

目前,，太陽能電池主要有三大類：第一代太陽能電池（單晶硅電池,、多晶硅電池），第二代薄膜電池（非晶硅薄膜電池,、CIGS薄膜電池）以及第三代為新概念電池（如鈣鈦礦型電池,、聚光型電池、染料敏化電池,、量子點(diǎn)電池及聚合物電池）,。第一代電池效率較高，技術(shù)成熟,，是市場主導(dǎo)產(chǎn)品,，但存在物理極限和其他劣勢；第二代電池效率較低，盡管表現(xiàn)出更高（容量）增益率,，但所占據(jù)的市場份額較低,；第三代電池可能會(huì)迎來突破性技術(shù)，鈣鈦礦型和聚光型具有高轉(zhuǎn)換效率,，其他幾款電池目前仍處實(shí)驗(yàn)室階段,，電池效率低、穩(wěn)定性不高,。

鈣鈦礦太陽能電池作為第三代太陽能電池,，其發(fā)展速度最快，十二年內(nèi)光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）從最初的3.8%（2009年日本橫濱大學(xué)制備）提升到29.52%（2021年牛津光伏公司制備）,，顯示出巨大的商業(yè)化潛力,。目前，工業(yè)上量產(chǎn)的硅基太陽能電池的平均轉(zhuǎn)換效率一般為20%~23%,，主流電池的量產(chǎn)最高效率分別為隆基的HJT電池26.3%,、PERC電池23.6%，晶科能源的TOPCon電池25.4%,。

圖2 各類太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率峰值情況

理論效率來看,，鈣鈦礦電池的單層理論轉(zhuǎn)換效率可達(dá)31%，晶硅/鈣鈦礦的雙結(jié)疊層理論轉(zhuǎn)換效率可達(dá)35%,，鈣鈦礦三結(jié)疊層理論轉(zhuǎn)換效率可達(dá)45%以上,。鈣鈦礦和晶硅的疊層使用可有效拓寬太陽能電池的光吸收波長范圍，由于鈣鈦礦薄膜的帶隙（禁帶寬度Eg）約1.7eV（通過材料成分選擇調(diào)控,，可以實(shí)現(xiàn)帶隙1.55～2eV范圍）,，可以補(bǔ)充吸收晶硅較低帶隙1.1~1.3eV以外的低波段可見光（λ=1240/Eg）,，從而使疊層電池在整個(gè)可見光波段范圍以及紅外波段都擁有極高的外量子效率,。鈣鈦礦-晶硅疊層電池的發(fā)展將有效推動(dòng)鈣鈦礦電池的市場應(yīng)用。

圖3 鈣鈦礦/晶硅疊層電池示意圖及EQE（外量子效率）圖譜

（二）光伏技術(shù)路徑趨勢

技術(shù)發(fā)展方面,，大尺寸將成為主流,，2021年182mm/210mm硅片合計(jì)占比由2020年的4.5%迅速增長至45%，預(yù)計(jì)2022年其占比將進(jìn)一步擴(kuò)大至75%,，未來其占比仍將保持?jǐn)U大趨勢,。根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會(huì)（CPIA）發(fā)布的《中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖(2021年版)》中數(shù)據(jù)表明，2021年晶硅組件市場占比約94.2%,，薄膜光伏組件占比約5.8%（碲化鎘和銅銦鎵硒分別占95.7%和4.2%）,。2021年，PERC電池市場占比高達(dá)91.2%,，其市場地位穩(wěn)居第一,。N型電池有望快速放量，2022年N型電池（HJT電池和TOPCon電池）占比有望從3%提升至13.4%，TOPCon 2022年底產(chǎn)能有望超過35GW,，HJT超過13GW,。CPIA預(yù)測，到2025年,，PERC電池市場占有率將仍然超過50%,，TOPCon電池和HJT電池的市場占有率或?qū)⑦_(dá)到40%左右。

當(dāng)前,，光伏主流產(chǎn)品晶硅電池技術(shù)成熟,，但電池轉(zhuǎn)換效率已接近天花板，短期來看光伏路徑演進(jìn)趨勢較為確定的方向?yàn)榇蟪叽?、PERC/TOPCon/HJT電池技術(shù)路線,；中長期來看具有高效率優(yōu)勢的聚光（GaAs）電池與鈣鈦礦電池或?qū)⒄归_角逐，最終輸贏皆取決于成本,，鈣鈦礦或?qū)⒊蔀橹髁鳎A(yù)計(jì)2026年開始規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用）,；長期來看，更現(xiàn)實(shí)的可能情形是未來相當(dāng)長一段時(shí)間,，多種技術(shù)路線長期共存,。

（三）鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)及原理

鈣鈦礦太陽能電池（PSC，Perovskite Solar Cell）是一種以全固態(tài)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)作為吸光材料（并沒有采用鈣鈦礦——CaTiO3）的太陽能電池,。PSC結(jié)構(gòu)從上到下一般由五部分組成：光陽極（FTO/ITO導(dǎo)電玻璃）,、電子傳輸層（ETL）、鈣鈦礦光敏層,、空穴傳輸層（HTL）和金屬背電極（Au,、Ag、Al）,。PSC屬于薄膜電池,，目前主要沉積在玻璃上，同時(shí)還可以通過控制各層材料的厚度和材質(zhì)來實(shí)現(xiàn)不同程度的透明度,，當(dāng)然效率也會(huì)降低,。

圖4 鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)及工作原理

鈣鈦礦太陽能電池工作原理：太陽光照射到吸光層（鈣鈦礦層）后，能量大于禁帶寬度的光子被吸收,，光子的能量將原來束縛在原子核周圍的電子激發(fā),，產(chǎn)生激子（電子-空穴對）。由于鈣鈦礦材料的激子束縛能很小,，在室溫下就能分離成自由的載流子（電子和空穴）,。激子被分離成電子與空穴后，空穴從鈣鈦礦材料進(jìn)入到空穴傳輸材料（HTM）,，電子從鈣鈦礦材料進(jìn)入到電子傳輸材料（ETM）,，分別流向電池的陰極和陽極,。

（四）鈣鈦礦核心構(gòu)層材料

鈣鈦礦光敏層（Perovskite）位于電子傳輸層（ETL）和空穴傳輸層（HTL）之間，在電池中起到吸收光子并產(chǎn)生電子-空穴對的功能,。鈣鈦礦光敏層一般采用有機(jī)無機(jī)混合結(jié)晶材料——如有機(jī)金屬三鹵化物CH3NH3PbX3（X=Cl\Br\I）作為光吸收材料,。其中最常見的是CH3NH3PbI3，這種材料由甲基銨正離子嵌入鉛離子（Pb2+）和碘離子（I-）組成的八面體框架,。

空穴傳輸層（HTL）位于鈣鈦礦吸光層與背電極之間,，用于傳導(dǎo)空穴的同時(shí)又具有阻隔電子穿過的作用?？昭▊鬏敳牧希℉TM）一般要求能級(jí)與鈣鈦礦材料的價(jià)帶匹配,，空穴遷移率高、導(dǎo)電性良好,，而且便于成膜,。目前常見的HTM主要為有機(jī)小分子、有機(jī)聚合物和無機(jī)半導(dǎo)體三類,。常用的有機(jī)小分子主要包括Spiro-OMeTAD及其改性材料等,；常用的有機(jī)聚合物包括PEDOT:PS（可以溶液成膜，適合柔性襯底）,、PTAA,、P3HT（聚-3己基噻吩）等，其中P3HT為主流,；常用的無機(jī)HTM主要有CuI,、CuSCN、CuOx,、NiOx,、MoOx、VOx,。有機(jī)小分子與聚合物相比,，具有良好的流動(dòng)性，但制備困難,，價(jià)格昂貴,；有機(jī)聚合物具備更好的成膜性和更高的遷移率,。相較于有機(jī)HTM,，無機(jī)HTM的空穴遷移率更高，導(dǎo)電性及穩(wěn)定性更好,，而且成本低,。

電子傳輸層（ETL）位于光陽極和鈣鈦礦吸光層之間，電子傳輸材料（ETM）主要可分為金屬氧化物（常用TiO2,、ZnO等）和復(fù)合材料,。目前使用和研究最多的ETM為TiO2,，但由于TiO2電子遷移率和電子擴(kuò)散距離與鈣鈦礦材料及常用HTM的空穴遷移率、擴(kuò)散距離相比不太匹配,，成為電池結(jié)構(gòu)中電荷捕集效率的瓶頸,。目前，研究者以介孔Al2O3為骨架,，TiO2納米顆粒和石墨烯復(fù)合物代替TiO2作為ETM在低溫條件下（<150℃）獲得了15.6%的轉(zhuǎn)換效率,。

圖5 鈣鈦礦電池核心構(gòu)層材料相關(guān)能級(jí)

（五）光伏應(yīng)用領(lǐng)域

光伏下游終端領(lǐng)域是光伏電站。根據(jù)電站的裝機(jī)規(guī)模,、和用戶的距離,、接入電網(wǎng)的電壓等級(jí)等不同可以分為集中式電站和分布式電站。其中,，分布式電站又可以大致分為三類：1）BAPV（光伏組件與建筑結(jié)合）是目前的主要形式,，即將電站安裝在已經(jīng)投入使用的建筑屋頂、墻外等,，對建筑原有結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生影響,。BAPV的唯一目的就是利用閑置空間進(jìn)行發(fā)電，核心訴求是提高發(fā)電效益（包括低成本和高電量）,；2）BIPV（光伏組件建筑一體化）,，也是光伏組件和建筑的結(jié)合，區(qū)別在于將光伏組件和建筑集成為不可分割的一部分,，組件兼具發(fā)電,、裝飾和建材功能，不以發(fā)電性能作為唯一考量標(biāo)準(zhǔn),；3）非建筑場景,，包括農(nóng)光互補(bǔ)、漁光互補(bǔ)等項(xiàng)目,，將光伏和其他行業(yè)有機(jī)結(jié)合,。

圖6 光伏組件下游應(yīng)用電站分類

鈣鈦礦電池既可以做成剛性電池組件，又可以做成柔性電池組件,。柔性鈣鈦礦電池未來有望成為光伏建筑一體化系統(tǒng)（窗戶,、建筑物側(cè)面）、柔性場景（如柔性手機(jī),、柔性顯示器,、可穿戴衣服/背包、帳篷/移動(dòng)電源等便攜式設(shè)備）等差異化應(yīng)用場景的主流產(chǎn)品,；鈣鈦礦疊加晶硅的剛性組件可以應(yīng)用于地面光伏電站,。