太阳能电池是一种利用光生伏特效应使得太阳能转化为电能的半导体器件。
在数十年间，太阳能电池的发展已进入到了第三代，种类也得到了极大的丰富。
其中，第一代电池主要为晶硅太阳能电池，是目前技术最为成熟、商业化最为成功的太阳能电池，但仍存在着制备工艺复杂、对硅料纯度要求较高等问题；
第二代为化学薄膜太阳能电池，主要以CdTe、GaAs、CIGS为代表。与晶硅电池相比，这类电池所需材料少，成本低而且转化效率高，已经逐步进入到商业化的进程中，但其活性层具有部分稀有元素与重金属元素，价格昂贵，难以应用于大规模生产；
第三代为新型薄膜太阳能电池，如钙钛矿太阳能电池（PSCs），染料敏化太阳能电池（DSSC），有机太阳能电池（OSC）等。
它们具有生产工艺简单、原料储量丰富、生产成本低等优势，在效率提升和降本等方面均具备较大潜力，受到全球学术界和产业界的广泛关注。
图表1 太阳能电池的分类与认证最高效率
在太阳能电池的应用中，A为单价阳离子，通常为甲胺阳离子(MA+，CH3NH3+)、Cs+或甲脒阳离子(FA+，(NH2)2CH+)，X为卤素阴离子(Cl-、Br-、I-)，B包括Pb2+、Sn2+、Bi2+等。
图表2 钙钛矿晶体结构
晶硅实验室效率陷入瓶颈，钙钛矿实验室效率十余年间超越晶硅。
晶硅电池效率在1970年代达到了13%、14%，2017年后停留在26.7%。
而钙钛矿最早在2009年由日本科学家首次用于发电，转换效率仅3.8%。
2012年，牛津大学的HenrySnaith发现钙钛矿可以用作太阳能电池的主要成分，而不仅仅是用作敏化剂，由此太阳能光伏研究领域正式开始使用合成钙钛矿。
经过10余年发展，单结钙钛矿电池的实验室效率已达25.6%，接近由隆基22年11月创造的HJT晶硅电池26.8%的实验室效率纪录。单结钙钛矿电池理论转化效率可达33%，高于晶硅电池极限效率29.4%。
图表3 晶硅与钙钛矿电池效率
钙钛矿电池由多个功能层堆叠形成，其结构大致可分为三类：介孔结构、正式平面结构和反式平面结构，其中：
1）介孔结构是最早诞生的钙钛矿电池结构，其主要特点在于采用二氧化钛作为介孔骨架，实现电子的转移运输，具有成膜均匀光滑、光电转换效果好等优点。
然而，介孔结构往往需要进行高温烧结，不利于大规模量产和柔性器件的制备；
2）正式平面结构与介孔结构较为类似，但不存在介孔电子传输层，减少了高温烧结二氧化钛的过程，制备工艺更为简单，且相较介孔结构能获得更高的开路电压。但由于缺失介孔层，正式平面结构的电池对空间电场的分散能力更弱，因此转化效率略逊色于介孔结构。
另外，正式平面结构往往使用湿度、热稳定性较差的有机空穴传输层，影响了电池的稳定性。
3）反式平面结构的基本组成依次为TCO玻璃、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层和金属电极，其电荷的流向与正式结构不同，空穴流向导电玻璃、电子则流向金属对电极。
反式结构还具有制备工艺简单、成膜温度更低、与叠层电池器件结构的兼容性好等优点，是钙钛矿电池厂商产业化过程中采用的主流结构，但光电转换效率相较正式结构仍具有与一定差距。
图表5 钙钛矿结构示意图
产业上常用的TCO导电玻璃分为ITO、FTO和AZO玻璃三类，分别采用In2O3、SnO2和ZnO作为靶材。
ITO具有电导率高、透过率高等优点，曾广泛应用于光伏领域，但产业对光吸收性能要求趋严，使得TCO玻璃必须具备增强光散射的能力，而ITO很难实现这一要求，因此逐渐被FTO所取代。
FTO的导电性能与ITO相比稍显逊色，但具有成本低、膜层硬、光学性能适宜等优点，目前是应用于光伏玻璃领域的主流产品。
AZO的光电性能与ITO相近，且AZO原材料简单易得，生产成本低，在未来产业化的进程中具备重大潜力。
产业端常用的电子传输层材料包括金属氧化物、有机小分子和复合材料，其中金属氧化物有二氧化钛(TiO2)和二氧化锡(SnO2)，有机小分子主要为富勒烯及其衍生物，复合材料包括通过绝缘材料框架与TiO2构成复合材料如TiO2/Al2O3、掺杂其他元素如钇的石墨烯/TiO2纳米颗粒复合材料。
二氧化钛是最早且应用最为广泛的电子传输层材料，主要得益于二氧化钛与钙钛矿的能级较为匹配，能够有效实现电子传输并阻挡空穴，而且价格较为便宜，但TiO2制备过程中往往需要进行500℃以上的高温烧结以提升传输性能，这一过程制约了TiO2在柔性衬底上的应用和其产业化的进程。
SnO2电导率和载流子迁移率较高，且制备温度较低，是较为理想的电子传输层材料。因此目前SnO2被产业界广泛研究，以期在产业化进程中实现对TiO2的替代。
吸光层采用的材料一般为有机-无机混合钙钛矿化合物前驱液，目前主流工艺多采用MAPbI3等。
钙钛矿电池的原材料储备极为丰富，且配制前驱体溶液不含复杂工艺，对试剂纯度要求不高。
最常用的有机材料是Spiro-OMeTAD、PTAA、PEDOT:PSS等。
然而有机空穴材料合成复杂，价格昂贵，主要为实验室使用，且PEDOT:PSS等部分材料还具有酸性和吸湿性，会使得钙钛矿的吸光层材料衰减加速。
产业端多采用无机材料来代替有机材料，以提升电池寿命、降低生产成本。
常用的无机空穴材料包括Cu2O、CuI、CuSCN、NiOx等。无机空穴传输层还具有稳定性好、空穴迁移率高、光学带隙宽等优势，但目前HTL采用无机材料时，钙钛矿电池的效率表现不及使用有机空穴传输材料。
电极层：产业端多采用铜、银等金属电极，或金属氧化物等作为电极层材料，碳电极也在尝试中。
来源：网络，高效稳定钙钛矿太阳能电池的制备与研究，钙钛矿太阳能电池的性能优化及稳定性研究，低成本制备高效率钙钛矿太阳能电池的研究，储能投研，NERL，华泰研究，未来智库
原文始发于微信公众号（光伏产业通）：钙钛矿：第三代电池佼佼者，产业化潜力较大
