光伏新技术研究报告：钙钛矿（37页）

行业报告下载 2023年03月06日 08:20 管理员

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 Henry Snaith 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%。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。TCO 导电玻璃：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。电子传输层（ETL）：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。

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