一、概念
钙钛矿电池命名取自俄罗斯矿物学家Perovski的名字，结构可以用ABX3表示，在钙钛矿光伏中，A位通常为有机阳离子所占据，B位为铅离子Pb2+或亚锡离子Sn2+，而X位为卤素阴离子。若A位由两种阳离子混合，或X位由两种卤素阴离子占据时，则特称为混合型钙钛矿。
简言之，钙钛矿材料不是指用狭义的“钙钛矿”做材料，而是具有某种特定结构的材料之总称。
钙钛矿太阳能电池（PSCs）是利用钙钛矿结构材料作为吸光材料的太阳能电池，属于第三代高效薄膜电池的代表。
二、材料特性
（一）工艺
对于晶硅来说，硅料、硅片、电池、组件需要4个以上不同工厂生产加工，一片组件的制造时间需3天左右；而钙钛矿只需要1个工厂，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。
晶硅在拉单晶的过程中需要900℃以上的温度将硅料融化，而钙钛矿各功能层的加工温度不超过180℃，且大多数环节也无需真空条件。从能耗角度，单晶组件制造的能耗大约是1.52KWh/W，而钙钛矿组件能耗为0.12KWh/W，单瓦能耗只有晶硅的1/10，能量回报周期短。
（二）性能
1.效率
钙钛矿材料具有较高的光吸收系数和较长的载流子扩散距离。在可见光波长（380~800nm）范围内，钙钛矿的光吸收系数比硅高1-2个数量级，因此钙钛矿薄膜只需要几百纳米就有较强的吸光能力；钙钛矿材料吸收的光子转换成电子后，由于其载流子具有较长的扩散距离（几个微米，远大于钙钛矿薄膜厚度），很容易被电极收集、损耗较小，因此能产生较高的光生电压和电流，综合表现出较高的光电转换效率。
2.弱光性
钙钛矿光伏电池弱光下具有优异的光电转化效率，未来有机会将室内照明的弱光和阴天时室外弱的太阳光利用起来发电，这也是钙钛矿光伏区别于传统硅基光伏的一大优势。理论研究表明，弱光下光伏电池的发电效率跟能带间隙有关，在接近2eV带隙时，光伏电池在弱光下的效率高达52%。由于钙钛矿材料带隙可调、光吸收系数高、对杂质不敏感，对应的光伏电池对缺陷态的包容度较高，其在弱光下仍具有优异的光电装换效率。而晶硅的带隙约1.1eV，偏离2eV较多，弱光下发电效率很低。
3.光伏特性可调
钙钛矿材料可以通过调节组分，使其能带间隙在1.4~2.3eV之间连续可调，因此可以衍生出区别于硅基光伏的应用，如（1）调整带隙至2eV左右，使其适用于弱光下高效发电；（2）用于建筑玻璃上，将钙钛矿薄膜做成不同颜色或者半透明的状态，做在质轻的柔性基底上实现建筑光伏一体化，即BIPV或者BAPV；（3）制成叠层电池，设计不同带隙的钙钛矿层，并彼此或是与其他光伏材料叠加，从而使不同波长的光能转化成电能，这也是有望推动钙钛矿电池突破肖克利-奎瑟极限的主要方式之一。而相比较之下，晶硅光伏电池带隙单一，性能的优化空间与应用场景相对有限。
三、结构原理
（一）材料属性
前文已述，有机无机复合金属卤化物钙钛矿材料是指化学式满足ABX3这类钙钛矿型结构的具有光电特性材料，其中A为一价有机（甲基铵，MA+或甲脒，FA+）或无机（Cs+）阳离子，或两者的混合物；B是Pb2+或Sn2+，或两者的混合物；X是卤化物阴离子（I-、Br-或CI-或它们的混合物）。一般来说，B位阳离子和X位卤化物阴离子形成八面体，占据体心立方晶格的角位，而A位阳离子位于中心。晶格中的离子半径决定了钙钛矿材料的结构，而结构会影响钙钛矿材料的电子性质和稳定性，从而决定了钙钛矿光伏电池的性能和寿命。
（二）器件结构
光伏器件通常是基于P-N结或P-I-N（或N-I-P）结型的结构，其中P、N和I分别代表P型半导体、N型半导体和本征半导体。P型半导体常被用作空穴传输材料，在钙钛矿器件中常用的P型材料包括有机材料Spiro-MeOTAD、PTAA和无机材料NiO等；N型半导体常被用作电子传输材料，常见的N型材料包括有机材料PCBM、C60和无机材料SnO2、TiO2等。钙钛矿光伏电池是典型的P-I-N型三明治结构，在N型半导体和P型半导体之间的本征半导体区域形成了P-I-N结，钙钛矿在器件结构中被视作本征半导体。对于叠层电池，就是将钙钛矿电池和晶硅电池或者将宽带隙钙钛矿电池和窄带隙钙钛矿电池堆叠起来，利用两个子电池各自对不同光波长的吸收能力差异，提高光电转换效率。
（三）制备工艺
有机金属卤化物钙钛矿展现了丰富的材料种类，其薄膜制备工艺也较为多样化。起初学术研究上以旋涂法为主，绝大部分器件的有效面积小于1cm2，远小于太阳能电池商业化所需的尺寸。对于大尺寸钙钛矿薄膜的制备，旋涂法不仅使薄膜的均匀性显著降低，也浪费了大量的原料。因此，近年来研究者们致力于开发制备大尺寸钙钛矿薄膜的工艺，大体上可以分为两类：（1）溶液法，如刮刀涂布法、喷涂法和狭缝涂布法等；（2）固相反应法，如热蒸法和化学气相沉积等。其中刮刀涂布和狭缝涂布法是目前产业化应用较多的工艺，而热蒸法是硅/钙钛矿叠层电池比较主流的工艺。
四、产业化进程
（一）产业链构成
钙钛矿光伏行业的产业链上游包括原材料和加工设备，中游是钙钛矿光伏玻璃或薄膜，下游是基于钙钛矿光伏的各类应用。
目前上游的材料厂商主要给高校的科研院所供应，产量较少，较为知名的如海外的GreatCell Solar, Tokyo Chemical Industry Co.（TCI）,Ltd.,Sigma-Aldrich以及西安宝莱特光电等。若钙钛矿光伏产业能发展起来，也将利好上游的FTO/ITO靶材和玻璃基板厂商，毕竟钙钛矿组件成本结构中，电极和玻璃的成本占了60%以上。设备方面主要有美国的nTach以及上海德沪提供狭缝涂布的设备。
在中游钙钛矿光伏组件环节，目前国内外有十几家公司在布局钙钛矿光伏的产业化，国内一些公司在大尺寸组件性能和稳定性等方面较为领先。海外的公司主要包括英国的Oxford PV、波兰的Saule Technologies，国内的入局者主要包括纤纳光电、万度光能、极电光能，以及光伏巨头协鑫光电和隆基光伏等，最近也有一些很早期的初创公司纷纷获得了知名机构的投资。Oxford PV、纤纳光电、协鑫光电、万度光能和极电光能在产业化的道路上走得较快，已经在建百兆瓦级甚至是吉瓦级别产能的钙钛矿光伏产线。
效率端，商用尺寸钙钛矿组件效率已突破18%。24年3月6日，协鑫光电2平米全尺寸钙钛矿单结组件稳态效率达到19.04%，刷新世界纪录；极电光能目标在24年实现30*30cm²小试组件稳态效率突破21%，0.72m²商用尺寸组件效率突破20%，将于三季度投产的GW级量产线上生产的2.8平米组件效率达到18%以上。
产能端，当前以百兆瓦级产线为主，2024年有望实现GW级落地。截止2023年2月底，协鑫光电和纤纳光电的100MW产线实现投产，极电光能的150MW产线也已投产。此外，极电光能、纤纳光电等多家厂商已经启动GW级产线建设计划，预计2024-2025年搭建完成。此外，比亚迪、长城汽车、京东方等龙头跨行业布局钙钛矿，有望加快产业化探索步伐。
（二）发展问题
虽然钙钛矿光伏电池具有众多优势，且在效率方面也取得了让人瞩目的成就，但是在通往产业化的路上依然有一些质疑的声音，主要有两个方面：（1）钙钛矿光伏的实测寿命还不够长，在光、热和电的刺激下依然存在效率衰减较快的问题；（2）钙钛矿的高效率目前只体现在小尺寸的器件上，大尺寸的钙钛矿组件效率不高。
1.稳定性
现阶段的钙钛矿光伏组件依然存在效率衰减较快的问题，是制约其商业化的障碍。
钙钛矿材料是一种离子型化合物，空气中的水蒸气和氧都会对其结构造成影响，但该问题可以通过有效的封装来解决；另一方面，作为一种有机-无机杂化的离子晶体，钙钛矿晶体结构中的有机成分耐不住高温，目前主要通过调节材料的组分让晶体结构更为稳定，从而提升光伏组件的寿命。然而，较为致命的是，钙钛矿材料中含有的卤素碘离子尺寸较小，在光照和高温的作用下容易产生离子迁移，这会产生两方面的不利影响：（1）器件内部结构不稳定，如与金属电极发生反应，尤其是Ag和Al，虽然业界目前采用Cu作金属电极，但是离子迁移带来的器件各层界面不稳定问题还有待解决；（2）造成叠层电池的相分离问题，叠层电池的宽带隙钙钛矿材料采用较高的Br/I比例，窄带隙钙钛矿材料采用Sn-Pb混合组分，在光的刺激下，离子迁移使宽窄带隙的钙钛矿容易产生相分离，从而电池效率大幅度下降。此外，其它功能层和电极材料对于整个电池的稳定性也至关重要。虽然研究者们通过调节材料组分和器件界面来提升整个器件的稳定性，但诸多不稳定因素也给钙钛矿器件的寿命蒙上阴影。
2.大尺寸制备
钙钛矿光伏电池虽然在实验室中获得了较高的光电转换效率，但是实验室中的有效器件尺寸较小（≤1cm2），无法满足市场应用的要求。
钙钛矿光伏器件尺寸做大后效率下降幅度较大。制备大尺寸高效率钙钛矿光伏组件较难的原因主要有两点：一方面，把钙钛矿薄膜做得又大又均匀比较困难，尺寸放大后钙钛矿薄膜容易出现孔洞和厚度不均匀等现象；另一方面，钙钛矿光伏组件采用金属氧化物作透明电极，其方阻比金属电极的方阻大，尺寸放大后阻抗导致的器件效率衰减较为明显。据松下报道，一块6.25cm2的钙钛矿电池，效率为20.6%，但当35个电池片组合成412cm2的组件时，效率降至12.6%。
（三）投资规模
根据科民电子数据，百兆瓦级钙钛矿产线设备投资额约8000万元，需镀膜设备3台，包括PVD设备2台（1000万元/台）和ALD设备1台（2000万元/台）；需激光设备4台，总价值量约1000-1500万元；钙钛矿层及钝化层需涂布设备2台，合计约2000万元；需封装设备1台，单台价值约1200万，预计大规模量产后GW级产线设备投资额将降至5亿元左右。
（四）市场空间
根据协鑫光电测算，钙钛矿产能达到100MW时，生产成本为0.94元/W；如果组件效率达到17%，电池规格达到2.4㎡，组件成本将降至 0.7-0.75元/W。若2030年钙钛矿组件产量达97GW，钙钛矿层市场空间将达27亿元，玻璃市场空间将达284亿元，其中，TCO玻璃约为196亿元，背板玻璃约为88亿元，封装材料市场空间将达54亿元，其中，POE胶膜约为47亿元，丁基胶约为7亿元，靶材市场空间将达236亿元，铝边框市场空间将达41亿元，接线盒市场空间将达34亿元。
五、应用场景
钙钛矿电池可以制成彩色和半透明薄膜，实现不同的彩色效果，因而可应用于BIPV领域。建筑集成光伏（BIPV）是一种创新型的技术应用，将光伏技术与建筑结构融为一体，涵盖了多种形式，如光伏屋顶、光伏幕墙、光伏遮阳板、光伏车棚和光伏站台等。在这些不同场景中，光伏屋顶和光伏幕墙是两个主要的子领域。光伏屋顶是一种能够同时提供建筑保护 和清洁能源的绿色建筑类型，具有承重、隔热和防水功能。根据透光性的区分，光伏屋顶可分为光伏平屋顶、光伏斜屋顶以及光伏瓦片，过去主要采用晶硅组件。光伏幕墙将建筑幕墙结构与光伏发电功能相结合，实现了发电、美观、通风采光以及外部围护等多功能一体化。薄膜组件因弱光效应好、透光率高、外观可定制等特点在光伏幕墙市场占据主导地位。然而，薄膜组件本身不透光，只能通过激光划线的缝隙吸收光线，因此其转换效率仅为15%左右。相比之下，钙钛矿电池组件在转换效率和制备成本上都具有优势，有望成为BIPV应用的首选。
消费类产品中使用钙钛矿光伏技术进行充电是一种创新的应用。钙钛矿太阳能光伏组件，由于其轻便灵活，发光效率高等特点，可制备成手机、电脑、背包等消费类产品的灵活充电配套设施。此外，钙钛矿技术还可应用于汽车充电，车载光伏发电系统（CIPV）是在汽车上安装一套完整的离网光伏发电系统。在用电时，通过太阳能充放电控制器，由后备蓄电池组为交流负载供电。如果有市电可用，还可以通过交流充电机迅速为后备蓄电池组充电。
六、总结与展望
在“3060”双碳政策的大背景下，未来光伏在一次能源消费的占比将从不到1%提升到25%以上，光伏市场前景可期。有机金属卤素钙钛矿作为一种新兴的光伏技术，其实验室效率经过短短十几年时间的发展就可以比肩晶硅电池六十多年才实现的效率。相比晶硅光伏，钙钛矿光伏在两个方面更具备优势：（1）工艺简单，缩短产业链且降低能耗，钙钛矿光伏的生产时间及能耗都不到晶硅光伏的1/10；（2）性能优异，尤其体现在弱光性能好和光伏特性可调两方面，这两方面的优势将使钙钛矿光伏技术有望应用在晶硅不能胜任的场景，有机会使光伏进入千家万户，为日用电器提供能源。要想实现这美好蓝图，钙钛矿光伏依然需要努力提升其自身的寿命和大尺寸组件的效率，毕竟未来的度电成本也取决于钙钛矿组件的效率和寿命；且钙钛矿含铅的问题也需要进一步的讨论和规范化，而解决这些问题使钙钛矿需要至少5年的时间才有可能在光伏市场形成一股新兴的力量。近几年来，一些初创公司和业界巨头都在布局钙钛矿光伏，在稳定性和大尺寸效率上也取得了惊人的进展，并且开始建立百兆瓦级别的产线。
当下钙钛矿光伏处于商业化前夕，是可以关注的方向。