钙钛矿太阳能电池是指使用钙钛复合氧化物晶体结构的化合物作为吸光半导体材料的太阳能电池，其具有理想的禁带宽度、极高的吸光系数、很低的电子-空穴对结合能、均衡的载流子迁移率和较长的载流子寿命等光学和电学特征。
太阳能电池发展的两条主线是转换效率和成本，晶硅电池在这两方面的发展已接近天花板，而钙钛矿电池作为一种新兴电池，在效率提升和降本方面的潜力都很大，且应用范围广。
在电池转换效率方面，2021年12月德国海姆霍兹柏林材料所(HZB)的钙钛矿/硅叠层电池最高转换效率达到了29.8%，钙钛矿/铜铟镓硒叠层电池最高转换效率达到24.2%，韩国蔚山科学技术大学(UNIST)的单结钙钛矿电池最高转换效率达到25.7%。
可以看出，不论是单结还是叠层电池，转换效率都较高，尤属钙钛矿/硅叠层电池的转换效率最高。
在组件转换效率方面，钙钛矿组件尚不及晶硅组件。目前全球钙钛矿小组件实验室最高转换效率为18.6%，组件面积只有29.539cm2；日本松下公司达到了大组件实验室最高转换效率，在804cm2的面积上实现17.9%±0.5%的转换效率。
表1按照实验室和商业化两个阶段，对比了钙钛矿与晶硅组件在面积和转换效率上的区别。
可以看出，目前钙钛矿组件的效率相比晶硅组件仍有明显差距，组件面积也小得多。尤为重要的是，只有大面积组件才具有商业性价值。
钙钛矿电池作为新兴电池，具有独特的优势：
2009年，钙钛矿太阳能电池实验室转化效率为3.8%，短短11年，实验室小面积器件转化效率已经可以达到29.5%，效率提升速度惊人。
理论上，单结钙钛矿电池转换效率可达33%，双结的理论转换效率可达40%以上，表明未来转换效率还有很大提升潜力。
钙钛矿材料吸光系数大，厚度仅需微米级就能实现对太阳光的有效利用，可采用轻薄、柔性基底，不仅降低了电池质量，柔性特点还可以应用于多种场景，这是目前晶硅电池难以匹敌的。
钙钛矿电池的不足也不容忽视。首先是尺寸小，转换效率较高的钙钛矿电池其尺寸均为实验室级别，未达到商业化尺寸。目前较难生产薄且均匀的大面积钙钛矿层，一旦电池尺寸增大，光电转换效率随之下降，这是技术上亟需解决的首要问题。其次，稳定性差导致电池寿命较短。
钙钛矿电池对潮湿环境敏感，暴露在潮湿空气中会很快分解，昼夜温差造成的水蒸气也将对其造成伤害，因此对防水封装的要求十分严苛。此外，氧气氧化、光辐照、紫外线等都会对其稳定性产生显著影响。
目前，钙钛矿电池持续光照实验最长达到10000h，若按照全天平均日照时长4h计算，理论寿命也只有6.8年。再考虑到每天实际日照时间会多于4h，以及其他日常损耗，正常寿命将会小于6.8年，这与目前晶硅电池的理论寿命25年相比，有很大差距。
为了扭转钙钛矿电池的劣势，业界正在探索从技术和工艺多方面来提升转换效率和稳定性。例如，钙钛矿电池与晶硅异质结电池串联叠层，利用钙钛矿的可调节性，使其吸收光谱中不能被晶硅电池利用的部分，未被吸收的光可以穿过被晶硅吸收，从而达到最大限度吸收能量的效果。制备工艺采用喷墨方法或者改进卷对卷涂布工艺等。
目前，进行钙钛矿电池研发的研究机构和团队众多，研发成果层出不穷(见表2)，部分成果已获得商业支持，正在进行初步产业转化(见表3)。
除此以外，还有不少企业也有过相关研究或表达过前期技术布局意向。
从国别来看，目前美国处于钙钛矿电池技术领先地位，且正在投入大量资金用于研发。
目前有三家公司公布过其钙钛矿电池的生产成本。纤纳光电：100MW生产线约0.15美元/W，扩大至GW级产线后约0.1美元/W；协鑫纳米：GW级产线可低于0.1美元/W；牛津光伏：0.4美元/W，钙钛矿-硅异质结(HJT)叠层电池。
对比已经商业化的单晶硅组件来看，垂直一体化厂商的单晶硅组件最优内部生产成本目前约为0.21～0.22美元/W，按较低生产成本数据来比较，钙钛矿电池比单晶硅电池拥有成本优势。
目前已经建成钙钛矿电池的示范电站，但尚未有大规模的成熟商业电站建成，精确衡量其实际项目经济性存在一定难度。可以假设钙钛矿组件稳定性能够满足使用要求，寿命25年，将其与目前成熟的晶硅电池电站做经济性方面的初步比较，假设边界条件见表4。
考虑到钙钛矿电池转换效率低，要达到与单晶硅相同的输出功率，就需要更多数量的组件。按容配比1.27计算，钙钛矿组件的数量将是单晶硅组件数量的1.24倍，由此带来占地面积、支架等投资成本相应增加，计算时也按增加24%考虑。据此，使用单晶硅和钙钛矿组件的工程投资估算见表5。
钙钛矿组件比单晶硅组件便宜，假设其商业化售价为1.5元/W。第一项的光伏发电设备及安装费中，单晶硅光伏组件设备费用134013万元(1.76元/W)，而替换为钙钛矿电池的设备及安装费只有114216万元，仅为单晶硅组件的85%。
为实现相同的输出功率，使用钙钛矿组件需要更多的安装面积和块数(比单晶硅增加24%)，由此带来支架用钢、汇流及变配电设备及安装、集电线路、接地、分系统调试、整套启动调试以及建筑工程、建设用地费用(土地使用税)均增加至1.24倍。
计算结果表明，若该项目由单晶硅组件改为钙钛矿组件，不含外送费用，单瓦静态投资为3.22元/W，动态投资为3.27元/W，而单晶硅组件则分别为3.18元/W和3.22元/W，使用钙钛矿组件单瓦静态投资和动态投资分别增加1.2%和1.4%。
目前，组件在投资成本中所占的比例越来越小(2020年约占39%)，节省组件费用对经济性的影响越来越弱，而非组件成本，特别是土地使用费用在投资成本中所占比例越来越大。
所以，钙钛矿仅凭组件投资成本低，并不拥有决定性优势，关键还是要提高转换效率和稳定性。
根据前述假设计算，虽然钙钛矿电池制造成本低，但是由于其转换效率较晶硅电池低，要达到与单晶硅相同的输出功率就需要更多组件。
使用钙钛矿组件相比单晶硅组件，单瓦静态投资和动态投资分别增加1.2%和1.4%，成本有所上涨，加之钙钛矿组件实际使用寿命尚不能达到商业寿命20年以上，因此项目经济性并不理想。
而且目前尚无国际公认的钙钛矿测试标准，无可靠数据支持，投资商不敢贸然使用，大规模商业化项目的建设脚步缓慢。
钙钛矿电池技术的应用场景十分广泛，不仅适用于大型电站，还因其轻薄、柔性和可定制的特性，将来可以广泛适用于光伏建筑一体化、电子消费产品、传感器、布料等多种场景。 一旦突破了关键技术问题，钙钛矿及其叠层电池有可能替代和补充晶硅产品，获得可观的市场份额。
来源：太阳能钙钛矿电池技术发展和经济性分析
原文始发于微信公众号（光伏产业通）：太阳能钙钛矿电池技术发展和经济性分析
