钙钛矿太阳能电池从2009年诞生至今，其光电转换效率已经由最初的3.8%提升至26.08%，用短短十年时间走完晶硅电池近半个世纪的发展之路，是备受瞩目的下一代光伏技术。钙钛矿电池具备高效率和低成本两大优势，是第三代太阳能电池中最重要的研究方向，美、日、韩、欧盟等发达国家都对钙钛矿电池的研究给予了高度关注，并为钙钛矿电池从助力钙钛矿电池产业化采取了一系列战略举措。我国一直高度关注钙钛矿电池的发展，先后出台了多项政策推动钙钛矿光伏的研发及产业化进程。钙钛矿电池恰逢其时地满足了双碳背景下降本增效的行业要求，其在实验室和理论层面的高效率、低成本潜力已得到行业内广泛认可，且行业已经迈入量产初期，多家企业发力布局钙钛矿产能建设，但从实验室到现实环境、从小尺寸向大尺寸发展的过程中，如何攻克电池效率大幅下降以及如何在大面积制备、稳定性等维度寻找平衡是产业链各方需要共同面临的问题。
我国钙钛矿太阳能电池产业化进展势头迅猛
1.多项政策推动钙钛矿光伏的研发及产业化进程
我国钙钛矿电池的研发及产业化进程离不开国家政策的大力支持，其中国家能源局、科学技术部、国家发改委、国家自然科学基金委最早从2012年起就陆续支持了一系列钙钛矿太阳能电池的重大研究项目及行动计划，利用重大研发计划、重点自主研究方向及一系列的自然科学基金等对钙钛矿新材料、机理、效率、器件工艺、稳定性、叠层电池产业化的关键技术及设备等项目进行支持。近年来，我国在诸多政策计划中提出推动钙钛矿电池产业化，包括2016年相继发布的《能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)》和《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》，2021年的《“十四五”能源领域科技创新规划》、2022年的《科技支撑碳达峰碳中和实施方案(2022—2030年)》等。2023年1月，工信部发布《关于推动能源电子产业发展的指导意见》，强调推动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。详见表1。
2.钙钛矿电池产业已经进入早期发展的快车道
钙钛矿材料在太阳能电池领域取得了突破性的进展，通过改进钙钛矿材料配方、器件制造流程和高质量的成膜方法，小面积单节钙钛矿太阳能电池光电转换效率持续突破新高，在20.4cm2的面积上实现了钙钛矿电池24.5％的转换效率，足够与现阶段市场中大部分商业化的太阳能电池如晶硅太阳能电池、铜锢傢硒(cigs)等相媲美。全球钙钛矿电池产业发展进度已经从研发为主（2009—2021年）进入成果转化中试阶段。我国是钙钛矿产业化的主要发展区域，以协鑫光电、纤纳光电、奥联光能、合特光电、极电光能为代表企业纷纷布局，处于小批量产品试制、中试线逐步建设时期，单结钙钛矿组件产业化进展较为领先。根据各家企业发布的量产规划，2023年合计钙钛矿组件产能1.25gw，2025年达7.4gw，预计组件市场空间约37.5亿元；2030年钙钛矿组件产能预计142gw，对应市场空间约950亿元。
3.钙钛矿电池产业化前景优势显著
相较于晶硅电池，钙钛矿电池拥有更高的极限效率和发电量。钙钛矿电池具有禁带宽度适宜、钙钛矿材料带隙宽度可调以及无组件效率损失等优势，其光电转化效率理论极限高于晶硅电池。普通单晶硅太阳能电池理论极限转换效率为24.5%，hjt电池理论极限转换效率为27.5%，topcon电池理论极限转换效率为28.7%。而单层钙钛矿电池理论极限转换效率高达31%，钙钛矿双节钙钛矿效率极限高达35%，三节钙钛矿理论极限效率为45%。同时，钙钛矿电池抗衰减性强，具有低温度系数、吸收系数高且弱光效应好，故其发电量较高。
钙钛矿电池相较于晶硅电池耗材少、成本低、产业链紧凑、总投资少。钙钛矿电池工艺流程简单、制程耗时较晶硅电池明显减少。以协鑫光伏100兆瓦产线为例，其从玻璃、胶膜、靶材、化工原料进入，到组件成型，总共只需45分钟。而对于晶硅中，硅料、硅片、电池、组件需分至四个以上不同工厂生产加工，耗时三天以上。同时，钙钛矿原材料丰富、材料用量少、纯度要求低。钙钛矿的材料可以不断迭代更新，且组件中钙钛矿层厚度大概是0.3微米，远低于硅片的180微米；原料纯度要求为95%，远低于硅料的99.9999%。此外，钙钛矿不同规模产能的成本差异较大，随着产线产能的提高，平均建设成本将显著降低。以纤纳光电为例，其目前运行的20mw产线投资额为5050万元，新建的100mw产线投资额为1.21亿元，产能提升至原先5倍，投资额仅提升至原投资额的2.4倍，产线建设总成本具备显著的规模化降本效应。
钙钛矿电池下游应用潜力巨大。钙钛矿薄膜透明度可调、颜色可调、质轻和弱光性能优异的特性，其在光伏建筑一体化（bipv）、汽车集成光伏（cipv）、室内弱光电源上拥有较好的应用场景。其中，bipv是钙钛矿的最佳应用场景。钙钛矿电池投资成本低，结构轻便，易于安装；高弱光性，使得钙钛矿电池在较差天气下仍能持续不断产生电能；透光性、色彩可调节的组件能更好地融入建筑。钙钛矿电池在cipv中的应用仍处在起步阶段，目前现代汽车、长城汽车、特斯拉等均有布局车顶光伏。此外，与晶硅电池合作做成叠层光伏组件用于光伏发电站，也是钙钛矿电池产业化的重要方向。
钙钛矿电池产业化进程的三大挑战
1.大面积高效太阳能电池的制备仍是产业化面临的最主要挑战
钙钛矿电池效率随着制备面积的增大显著降低，其产业化进展仍远落后于硅电池。大面积制备时，钙钛矿电池面积厚度比较大（103-106），膜质量（平整度、致密性等）难以保证效率衰减。目前单节钙钛矿电池25.73%的最高认证效率是在实验室0.096cm2的面积下得到的，当电池面积扩大到10 cm2时，效率下降至22%。而硅电池目前的最高效率为26.8%，器件面积大约为4cm2，其在面积为274cm2器件上的效率仍可达到26%。产业化差距仍旧很大。
2.钙钛矿器件的稳定性是产业化过程中需要持续突破的瓶颈
钙钛矿太阳能电池发电不稳定。钙钛矿电池产业化进程中存在稳定性差的问题，而钙钛矿电池因其不稳定性难以持续长时间发电。钙钛矿电池会与水、氧发生反应，潮湿环境中极易快速降解，此外器件自身的传输层、电极材料对钙钛矿稳定性也有影响。目前，钙钛矿电池持续光照实验最长达10000h，若按全天平均日照时长4h计算，理论寿命只有6.8年。考虑到实际日照时间多于4h及其他日常损耗，正常寿命将会小于6.8年，与晶硅电池的理论寿命25年比差距较大。
3.钙钙钛矿电池产业化过程中仍面对环保问题
目前高性能的钙钛矿器件无法实现完全去铅化，并且制备过程中常用的一些溶剂和反溶剂（如氯苯、dmf、dmso等）具有毒性，会对环境造成危害，不符合绿色可持续发展的国家战略。碘化铅是钙钛矿电池的主要原料，具有水溶性，钙钛矿电池若处理不当，其残留的碘化铅浸入土壤后，被植物吸收进入食物链，相对于其他人类活动代入环境中的铅，其迁移性高10倍以上。晶硅行业用铅量远高于钙钛矿行业，一般一块晶硅组件中的铅含量约为18克；而钙钛矿组件中的铅含量不足0.01%，不超过2克。但晶硅太阳能电池组件中的铅后续变成氧化铅，不溶于水；钙钛矿中的碘化铅溶于水，浸出后易造成土壤污染。
总结和建议
钙钛矿太阳能电池作为光伏行业的新兴技术，目前在规模、成本还有产业链发展等方面都不占优势，且面临寿命和大尺寸效率的问题。但长期来看，随着钙钛矿太阳能电池技术走向成熟、规模化，产业链不断完善，巨大的降本潜力对于传统的晶硅电池极具优势。
基于以上分析，本文对于钙钛矿太阳电池产业化的发展提出三点建议：一是要从国家层面高度重视钙钛矿新型光伏技术，加强顶层设计及引导。二是合理配置研究资源，加快推进产业化关键技术突破，积极开发新的钙钛矿或相似半导体材料。通过优化钙钛矿材料、传输层及电极材料稳定性，增加钝化处理工艺等改善器件稳定性、提升大规模制备工艺、推进钙钛矿产业绿色发展。三是积极布局产业链相关配套材料、设备，加速推荐钙钛矿重大成果的转化，鼓励和引导下游企业开发钙钛矿电池差异化应用场景。
