钙钛矿电池商业化难点及解决方案梳理
财信证券 思瀚 袁玮志 贺剑虹    2024-05-21

1、钙钛矿电池稳定性有待提高，目前寿命较短

钙钛矿吸光层在多种环境下均会发生分解反应。 水解：传统的钙钛矿材料本身具有很强的吸湿性，能够吸收其周围环境中存在的水分子，当空气湿度达到一定程度后，过多的水分子便会使得钙钛矿材料分解，降低器件性能。钙钛矿材料中含有易水解的阳离子，例如铅离子（Pb2+），容易被水分解，且碘化氢易溶于水使溶液呈酸性，钙钛矿材料会逐步分解，导致钙钛矿材料结构崩溃。

高温：温度对钙钛矿材料稳定性的影响涉及到材料的热分解、晶体结构转变、相界和晶界变化等。CH3NH3PbI3 在 100℃下加热 20 min 会分解成 PbI2、CH3NH2 和 HI， CH3NH2 和 HI 挥发后剩余 PbI2 固体。 光照：相对于水、氧和温度等因素，光照对钙钛矿材料稳定性的影响难以避免且更为复杂，包括光照引起钙钛矿材料的分解、材料的相变和材料内部的相分离等。但在个别情况下，光照也能促进钙钛矿材料内部缺陷的修复，起到提高材料稳定性的作用，但 目前并没有方法能够控制相关反应。

钙钛矿稳定性的主要解决方案有两种，一种是材料改性，一种是更为优秀的封装技 术。 材料改性：经过多年探索，目前主要有 3 类方案①混合阳离子和卤化物阴离子钙钛矿材料；②有机聚合物或无机物掺杂的钙钛矿复合材料；③二维-三维钙钛矿复合材料， 三种方法均能有效提高钙钛矿结构稳定性，实现数千小时的稳态结构，然而当下钙钛矿 电池衰减速率并非线性，更长时间的稳定性仍需验证。 封装技术： 间隙封装：间隙封装始终采用覆盖层（例如玻璃、聚合物板）和边缘密封，以避免氧气和水分从侧面渗透。可以在盖玻片下方放置干燥剂，以吸收可能渗透到封装装置中 的水蒸气，进而减少钙钛矿水解的发生，但少量干燥剂的效果相对有限。

无间隙封装：封装胶始终粘在光伏器件上，光伏器件与封装材料之间没有间隙，以 抑制钙钛矿组件的挥发。与多层封装相比，单层封装在制造和与太阳能电池集成方面简 单，因此在商业化角度备受关注，是目前可选择的降本渠道之一。 多层封装：多层分装是无间隙封装的衍生，结构基于堆叠多个无机或有机层，使每 一层补充和增强整体结构的性能。有机层始终具有良好的加工性，并显示出良好的厚度 均匀性。无机层具有良好的阻隔性能和良好的运行稳定性。采用紫外线固化粘合剂 （UVCA）和石蜡作为密封剂，玻璃作为盖子。由于封装剂与钙钛矿电池在非间隙封装 中直接接触，应考虑拉伸应力以避免分层，防止水分和氧气从裂缝进入。

封装材料：钙钛矿封装材料需要具有优异的绝缘性、热塑性和一定的机械强度。致 密的包装层能有效隔离空气中的水和氧，并能以低成本实现大面积包装。常见的包装材 料包括聚异丁烯、聚乙烯、热塑性聚氨酯、乙烯醋酸乙烯酯和环化全氟聚合物。

2、大尺寸钙钛矿效率较低，制备难度大

大尺寸钙钛矿会明显降低效率，目前高效率钙钛矿组件主要为实验室小尺寸。目前 钙钛矿电池实验室效率进展迅速，但大多为 1cm 以下的小面积薄膜，随着组件面积放大， 电池效率下降显著高于其他类型电池。 钙钛矿电池大面积效率损失严重的主要原因有两点，一是钙钛矿薄膜的大面积制备 工艺不成熟，难度较大，出现膜层不够均匀等问题导致成膜质量差；二是大面积薄膜组 件进行激光划线后易产生电阻损耗、并产生死区。

目前钙钛矿层主要采用的狭缝涂布法和蒸镀法有各自问题尚待解决。 狭缝涂布法的主要问题是尚未有效解决钙钛矿的成核结晶问题，由于钙钛矿的晶体 结构特性，随着制备面积的增大，表面干燥速度由于涂布时间的不同导致差异，如果不 能有效控制整个表面进行完全干燥，则会产生结晶导致表面出现缝隙或气泡，从而影响 电池的稳定性能。

蒸镀法同样存在一些大规模产业化应用的问题，一是成本问题，蒸镀作为真空沉积 方式，靶材利用率低，生产速率相对较慢，同时需要更频繁的清洗；二是钙钛矿层材料 可选范围较多，蒸镀需要根据不同的材料进行较为复杂的设备参数调整和测试，兼容性 差；三是由于结晶大小和反应不彻底等因素，导致内部电阻升高，成品组件效率下降。

3、钙钛矿降本之路漫长，哪些环节有望助力降本？

钙钛矿理论成本较低，但目前处于产业化初期，实际成本明显高于理论值。根据 Pavel Č ulík 于 2022 年发表的论文《Design and Cost Analysis of 100 MW Perovskite Solar Panel Manufacturing Process in Different Locations》中阐述，中国制造的钙钛矿组件成本为 0.25-0.27$/W，折合人民币 2 元/W 左右，明显低于钙钛矿 0.6 元/W 的理论成本，23 年 9月极电光能表示目前公司中试线成本在 1.6-1.7 元/W 左右，依然明显高于晶硅电池。但目 前钙钛矿主要以百兆瓦产线为主，在规模化及材料使用方面均有较明显的降本空间，在 寻找到合适材料并实现 GW 级产线时，成本会有较好改善。

TCO 玻璃是材料端降本关键。在目前钙钛矿组件成本结构中，电极材料占比 37%， 钙钛矿材料占比 5%，玻璃及其他封装材料占比 32%。我们认为，未来可能的降本将主要 出现在海外占比高的 TCO 玻璃，以及 PVD 镀膜利用率较低的靶材方面。TCO 玻璃在钙 钛矿电池的成本占比约三分之一，如果算上背板玻璃则将达到 50%左右，占比超晶硅电 池数倍。目前，全球 TCO 玻璃的工艺主要掌握在海外公司手中，高品质的太阳能 TCO 玻璃基本被日本的旭硝子、板硝子垄断，供给受限，采购成本还高。

钙钛矿核心成本目前的总价格在理想情况下能达到 1 元/W 以下，效率提升将实现显著降本。根据 Wenguang Liu 于 2023 年发表的论文《Key bottlenecks and distinct contradictions in fast commercialization of perovskite solar cells》，在理想情况下，中国国内钙钛矿核心材料价格为 180 元/平米（人工与能源费用假设为 45 元/平米），根据 2024 年 2 月极电光能发布的消息，极电光能在 810cm² 钙钛矿光伏组件上实现了 20.7%的稳态效率。所以当下理想状态的钙钛矿的组件成本应为 0.87 元左右。根据我们测算，效率提升至 22%、25%、28%时，单瓦理想成本有望降至 0.82、0.72、0.64 元/W，同时，我们认 为在产业化进度逐步推进，规模效应以及技术提升将使钙钛矿实际成本逐步接近理想成本。

当下钙钛矿组件应用光伏电站的投建成本尚高于主流的 TOPCon 组件较多，降本提效后有望逐步缩减差距。根据我们测算，如果 TOPCon 组件价格采用 2024 年 3 月 7 日的 最新报价，其余费用采用文献《钙钛矿光伏组件在集中式光伏电站中的应用前景分析》 中的测算，则电站投建成本为 2.79 元/W。而钙钛矿光伏组件价格采用 180 元/平米成本以 及 20%的组件效率做计算，其余费用同样采用上述文献中的测算，则电站投建成本为 3.22 元/W。

假设未来钙钛矿组件生产成本能达到 160 元/平米，组件效率能达到 23%，则电站 投建成本能够与 TOPCon 组件电站相似。我们认为，2023 年下半年以来晶硅电池组件价 格持续走低，对电站投建成本的下降起到了明显的作用，但目前 TOPCon 组件已基本没 有下降空间，而异质结组件价格高出 TOPCon 组件 20%以上，经济性稍弱，且晶硅组件 效率提升难度较大，因此晶硅组件电站投建成本下降空间较小。

而钙钛矿电池目前处于 产业化初期，且理论效率远超晶硅电池，后续降本和提效空间均值得期待，相信在不久 的未来钙钛矿电站投建成本能够降至晶硅电池成本之下。