1 钙钛矿及钙钛矿电池的概念
钙钛矿材料丰富，产业化前景广阔。太阳能电池主要分为晶硅电池和薄膜电池 两大类，这两类电池起初在技术上相对独立，在各自方向不断发展迭代。晶硅 电池中，N 型和 P 型单晶硅电池是产业主流。在薄膜电池中，有砷化镓 （GaAs）、碲化镉（CdTe）、铜铟镓硒（CIGS）、钙钛矿这几种常见的化合物电 池。其中部分电池含有的稀有元素（如：镓）在地壳内含量极其稀少，导致了 规模化、产业化困难，市场空间比较有限。相对来说，钙钛矿所需的元素在地 壳中含量丰富，这为其规模化发展提供了必要条件。
1.1 钙钛矿的基本概念
钙钛矿最早是指发现于钙钛矿石中的钛酸钙（CaTiO3）化合物，这也是钙钛矿名 称的由来。现如今，广义钙钛矿指的是结构为 ABX3的晶体，这种有机卤化物钙 钛矿结构容错率高：八面体网络之间的空隙比较大，允许较大尺寸离子填入， 即使产生大量晶体缺陷，相较其它离子晶体也更稳定。此外钙钛矿晶体每个位 置都可以用不同的元素替代，而使用不同的元素会让钙钛矿晶体的性质发生变 化。 A 位通常为有机阳离子，其主要作用是在晶格中维持电荷平衡。最常用的为 CH3NH3 +（甲胺），其他诸如 NH2CH=NH2 +（甲基肼），CH3CH2NH3 +（乙胺）也有一定的 应用。B 离子指的是金属阳离子，主要有 Pb2 +和 Sn2 +。Pb 具有良好的稳定性，但 具有毒性；Sn 对环境友好但易被氧化为 Sn4 +，因此现在的钙钛矿使用的多是 Pb 或 Pb 和 Sn 混合。X 离子为卤素阴离子，通常为碘、溴和氯。
1.2 钙钛矿电池在理论效率、工艺、成本三方面优于主流晶硅电池
钙钛矿电池理论效率极限远高于单结晶硅电池。普通单晶硅电池/晶体硅太阳能 电池极限转换效率分别为 24.5%/29.4%。据晶科能源和通威股份数据显示，目前 量产的 TOPCon 和 HJT 电池效率可分别达到 25.6%以上和 26.49%，接近 TOPCon 电池和 HJT 电池的理论效率极限（分别为 28.7%和 27.5%）。而钙钛矿单层电池 极限转换效率可达 33%，同时，钙钛矿可以与其他光伏技术结合合成得到极限转 换效率更高的叠层电池，比如晶硅/钙钛矿叠层电池和钙钛矿/钙钛矿叠层电池 极限分别可达 43%和 45%。目前钙钛矿电池的最高效率为清华大学电机易陈谊团 队实现的 26.41%。
钙钛矿理论效率较高主要来自三大方面。1）作为吸光材料综合性能强：钙钛矿 材料能够同时高效地完成太阳光的吸收、光生载流子的激发输运和分离等过 程。钙钛矿材料具有极高的吸光系数，光吸收能力比其它有机染料高 10 倍以 上，400nm 厚的薄膜即可吸收紫外-近红外光谱范围内的所有光子；并且可以通过替位掺杂等手段，调节材料禁带宽度，实现功能的发展和迭代。2）其禁带宽 度在最佳宽带附近：禁带宽度指的是使共价键上电子跃迁到导带上所需的最低 能量。当光照提供的能量大于禁带宽度时，共价键中的电子由价带跃迁到导 带，形成空穴-电子对。在半导体的范围内，禁带宽度过窄会让半导体的结构受 到破坏，禁带宽度过宽会影响钙钛矿吸收光能的效率，而适中的禁带宽度既能 够承受高电压也能保证吸收光能的效率。根据肖克利-奎伊瑟极限，1.4ev 是太 阳能电池的最佳禁带宽度，钙钛矿电池的禁带宽度在 1.4ev 左右，晶硅电池的 禁带宽度约 1.1ev。3）温度系数低：钙钛矿电池的温度系数为-0.001，即温度 上升 1℃发电功率下降 0.001%，因此高温度几乎不会影响到钙钛矿电池的发电 效率。晶硅电池温度系数约为-0.3，当温度达到 75℃时，20%效率的组件实际工 作效率仅为 16%。
钙钛矿电池工艺方面的优势主要在：1）产业链流程较晶硅组件缩短：钙钛矿制 备流程简单使工艺流程缩短，100 兆瓦单一工厂从玻璃、胶膜、靶材、化工原料 进入到组建成型仅需 45 分钟，相较下晶硅电池工艺流程更为复杂，需要针对不 同环节分别建厂，四个工厂内分别加工硅料、硅片、电池、组件过程至少耗时 3 天，因此钙钛矿电池产业链制备时间优势明显。2）纯度要求和能耗低：晶硅需 要 99.9999%（6N）级别以上纯度，每一块组件需要 1 公斤左右的用料。硅料生 产需要 1000 多度高温，拉晶切片需要 1400 多度高温，做电池的扩散也需要 800-900 度的温度，生产过程中能耗较高，相较而言，钙钛矿对杂质低敏感， 95%纯度即可满足生产使用需求，钙钛矿太阳能电池整个生产过程温度不超过 150 度，使生产过程能耗极大降低。单晶光伏组件制造能耗约为 1.52kWh/W，而 钙钛矿组件的能耗成本为 0.12kWh/W。
原料成本低，有望未来实现理论成本 1 元/W：钙钛矿电池原材料为基础化工材 料，原料常见、不含贵金属且储量丰富价格低廉。陈炜教授团队就国内外钙钛 矿电池的关键材料成本进行了对应的统计分析，生产成本理想状态下 12的钙 钛矿层成本可以实现 10 元/2，TCO 玻璃和背电极 12的理想成本可以分别达 到 40 元和 10 元，加上界面层和封装的成本，累计规模为 100MW 的钙钛矿组件 理想成本可以降至 180 元/2。以协鑫光电已经实现的量产效率为例（约 18%），该效率下每 12的电池的功率约为 180W,有望实现与晶硅组件成本相当的 1 元/W，降本空间仍存。
钙钛矿电池规模的扩大仍存在三大挑战：
1）大面积制备电池效率下降
大面积效率不及预期：随着器件面积的增大，钙钛矿电池效率下降幅度显著增 加。虽然在 0.12的实验室规模电池中钙钛矿电池实现了 25.7%的记录效率， 但对于面积约为 200002的组件，最高效率记录由协鑫光电在 2024 年 3 月实 现，仅为 19.04%，钙钛矿电池实现 22%以上的量产效率仍需要一定的时间。为 钙钛矿电池大面积制备问题可归因为两点原因。有效光照面积方面，非光活性死区（如栅线区和刻蚀区）面积增大，有效光照面积减小，可以通过改善激光 刻蚀设备，减小钙钛矿电池死区面积，提升电池的大面积效率。工艺方面，大 面积钙钛矿薄膜的可控设备尚未优化到位，其工艺采用的是溶液涂布技术（主 流为狭缝涂布法），与历史上其他半导体主流制造工艺都不同，产业界对这一技 术的放大仍很陌生，致使大面积钙钛矿薄膜均匀性较差，缺陷增多。实验室制 备钙钛矿电池常用的溶液旋涂法虽具有成膜快、重复性好等优点，但无法满足 大规模产业化发展的大面积与低成本等要求。工业目前制备大面积钙钛矿电池 常用溶液涂布法、溶液喷涂法、软膜覆盖法与气相沉积法等，但制备电池转换 效率仍与旋涂法存在一定差距。目前国内外研究团队正积极寻求解决方案，已 取得一定进展。
2）钙钛矿电池的稳定性不足
钙钛矿太阳能长期稳定性差。影响其稳定性具体原因主要包括三方面：钙钛矿 材料自身稳定性、外部环境变化、器件中各功能层稳定性，每一环节产生偏差 都可能导致电池稳定性问题。钙钛矿材料自身易发生离子迁移：与硅材料不 同，钙钛矿材料具有明显的离子特性，通常情况下尺寸较小的离子在迁移过程 中引起晶格形变小发生离子迁移，产生材料分解、器件性能衰减等影响电池稳 定性问题。钙钛矿材料作为电池组件吸光层与活性层，受外界环境动态影响显 著。钙钛矿材料本身易水解、易氧化，遇高温热分解，晶体结构、相界与晶界 发生变化。光照引起钙钛矿材料分解、相变与内部分离。钙钛矿电池器件传输 层与电极材料对器件稳定性也具有关键作用。电子传输层常用材料氧化钛 （TiO2）和氧化锌（ZnO）在光照条件下产生光生空穴催化分解钙钛矿吸光层， 同时酸性 ZnO 具有腐蚀作用加速器件老化；空穴传输层材料 Spiro-OMeTAD 使钙 钛矿层碘离子扩散会降低电荷传输性能；常用电极金、银、铝等内部金属原子 扩散进入钙钛矿吸光层导致吸光层材料分解，同时钙钛矿吸光层卤素离子扩散 到金属电极造成电极材料腐蚀。
在材料本身和封装方式等方面提高钙钛矿电池稳定性。改善钙钛矿材料、电子 传输层材料和电极材料，防止其分解，提高电池稳定性。同时，在器件封装方 面，通过采用 POE+丁基胶的封装方式，可以很大幅度的缓解外部环境因素（如 水和氧气）所导致的衰减。
3）钙钛矿电池成本仍然较高
目前生产效率大于 25%的高效钙钛矿电池需要使用不稳定的 Spiro-OMeTAD 空穴 传输材料和高价的金电极，成本过高，阻碍其在工厂上放大应用。同时，由于 钙钛矿产能目前较难拉满，钙钛矿组件仍高于晶硅组件成本，据极电光能表 示，在中试线阶段，产能拉满的情况下，钙钛矿成本可以达到 1.5 元/W,在 GW 级量产初期，成本可以持续降至 0.9 元/W 左右。随着产能规模的进一步扩大， 钙钛矿组件的降本空间将持续扩大。
1.3 持续出台钙钛矿相关政策，推动钙钛矿电池产业化发展
自 2016 年国务院发布的《“十三五”国家科技创新》中涉及钙钛矿太阳能电池 相关政策后，国家层面其他能源、科技类部门相继出台相关政策，推动钙钛矿 电池产业化发展。2021 年 12 月，国家能源局和科技部在“十四五”能源领域科 技创新规划中提出推动钙钛矿高效叠层电池制备产业化。2023 年，工信部、国 家能源局相继推出《关于促进光伏产业链健康发展有关事项的通知》、《关于组 织开展可再生能源发展试点示范的通知》，统筹推动钙钛矿电池及其叠层电池的 技术发展。2023 年 3 月，中国光伏行业协会标准化技术委员会钙钛矿光伏标准 专题组成立，加快了钙钛矿电池标准体系梳理和完善。
2 钙钛矿的工艺
2.1 钙钛矿电池结构主要采用平面结构
钙钛矿电池可分为介孔结构（mesoscopic）和平面结构（planer）两种，平面 结构的应用更加广泛。平面钙钛矿电池的主要组成部分有：TCO（Transparent Conducting Oxide）透明导电玻璃、空穴传输层（Hole Transport Layer）、钙钛矿层、电子传输层（Electronic Transport Layer）和金属电极。介孔结构 中还有稀疏的介孔氧化物支架层（TiO2或 Al2O3）起到介孔骨架的作用，用以转 移运输电子。介孔结构散光效果好，能更充分地吸收光子，但需要高温烧结， 耗能严重，界面粗糙易造成界面内缺陷的增多。 平面结构可进一步分为 n-i-p 型（正式结构）和 p-i-n 型（反式结构）。两种结 构的区别为：光线通过电子传输层进入钙钛矿的为正式结构，光线通过空穴传 输层进入钙钛矿的为反式结构。正式结构的制作工艺更加复杂，其空穴传输层 在钙钛矿层上面，在选材的温度耐受性和性能平衡上不能很好匹配，且迟滞效 应比反式结构明显。反式结构将空穴传输层做在钙钛矿层下方，材料选择更 多，应用难度较低，应用规模更大。
2.2 钙钛矿太阳能电池实现光电转换的流程
钙钛矿太阳能电池以钙钛矿材料作为吸光层（钙钛矿层），吸收光能，转换为电 能。转换主要经历了三个流程。1）电子-空穴对的变化：钙钛矿层接受太阳光 照射，吸收光子使价带中的电子跃迁到导带，空穴留着价带，产生电子-空穴 对。由于钙钛矿材料激子束缚能得差异，电子-空穴对在常温下成为自由载流 子。2）载流子的吸收：电子穿过钙钛矿层到达电子传输层，最后被导电玻璃吸 收。空穴穿过钙钛矿层传输到空穴传输层，最后被金属电极吸收。3）连接两极 产生电流：通过连接导电玻璃和金属电极的电路产生电流，实现光电转换。
2.3 钙钛矿电池的制备
钙钛矿电池制备通常由九步组成，镀膜、刻蚀、封装三大工艺是核心。制备流 程通常分为九步，首先制备并处理玻璃基底，进行刻蚀，再依次制备电子传输 层、钙钛矿层、空穴传输层，对这三层进行刻蚀后，蒸镀金属背电极，进行刻 蚀将电池分开，最后封装。其中最重要的部分是钙钛矿层制备，产业中正在积 极解决其大面积制备效率低和不稳定的问题。
2.4 镀膜工艺：钙钛矿电池各膜层制备所需
钙钛矿电池需要镀膜工艺的共有五个部分：导电玻璃、电子传输层、钙钛矿 层、空穴传输层和金属背电极。每个部分根据其不同的特性，都有不同的镀膜 工艺。导电玻璃镀膜可以通过离线镀膜(PVD)和在线镀膜（CVD）；电子传输层的 镀膜工艺包含旋涂法、狭缝涂布法、喷雾热解法、化学浴沉积法、原子层沉积 法和磁控溅射法；钙钛矿层主要通过溶液制备法和气相沉积法进行镀膜；空穴 传输层采用溶液旋涂法、磁控溅射和真空蒸镀等方法镀膜；金属电极通过蒸镀 制备背电极来取得镀膜的效果。
TCO 导电玻璃可用于制备玻璃基底，是钙钛矿电池电极的关键部件。TCO 玻璃可 分为 FTO、ITO、AZO 三类，其中 FTO 靶材是在氧化锡中参杂了氟离子，ITO 靶材 是参杂了铟离子，AZO 靶材是在氧化锌中掺杂铝离子。玻璃基底制备分为两步： （1）制备或购买 TCO 导电玻璃。在浮法玻璃上镀上一层透明的导电氧化物（即 靶材）薄膜，从而制成 TCO 导电玻璃，或从玻璃厂商直接采购 TCO 导电玻璃。 依据镀膜设备是否独立于玻璃生产产线，可分为离线镀膜及在线镀膜两种方 式，当前离线镀膜法应用广泛。导电玻璃具有导电性，与金属背电极相连时形 成电路，产生光电流。（2）对 TCO 导电玻璃进行处理。通过激光刻蚀或化学刻 蚀去除部分导电膜，形成条状独立导电电极。使用玻璃清洗剂、去离子水、丙 酮、异丙醇、无水乙醇超声清洗依次清洗玻璃基底、将清洗完的玻璃放入干燥 箱烘干，从而制得玻璃基底。
电子传输层制备方法多样。电子传输层在钙钛矿太阳能电池中起着传输电子、 阻挡空穴的作用，是钙钛矿电池不可缺少的一环。玻璃基底经过刻蚀、清洗 后，在玻璃基底上旋涂或蒸镀一层金属氧化物薄膜，经过加热退火，从而制得 电子传输层。磁控线设法在真空环境下粒子撞击靶材表面，靶材原子发生跃 迁，从而在衬底表面凝聚膜。或采用原子层沉积法，将前驱体注入反应室，在 衬底表面形成单分子膜，惰性气体将多余前驱体排出，再注入另一种前躯体， 并与前一种前躯体反应形成产物膜。
钙钛矿光活性层制备是钙钛矿电池制作的核心环节之一，对组件最终的转化效 率起决定性作用。钙钛矿光活性层的制备工艺较多，一般可分为溶液制备法 （湿法）和气相沉积法（干法），湿法包括狭缝涂布法、刮刀涂布法、旋涂法 等，干法主要是真空镀膜法。考虑到大面积制备和稳定性问题，目前实际投产 使用较多的是狭缝涂布法。
（1）钙钛矿晶体成核和生长过程
钙钛矿光活性层由钙钛矿前驱液结晶形成，制备过程对结晶的均匀度有较高要 求。钙钛矿前驱液在结晶时先后经历了溶液态(过程Ⅰ)、成核与生长(过程 Ⅱ)、晶体生长(过程Ⅲ)三个过程。其中钙钛矿成核过程十分迅速，在很大程度 上影响着钙钛矿薄膜的一致性。 为保证钙钛矿液膜成核过程可控快速，通常需使用反溶剂进行后处理。常见的 无毒反溶剂包括正己烷、二乙醚、三氟甲苯等。在前驱体溶液膜上引入反溶 剂，可以去除前驱体溶液中的溶剂，从而诱导钙钛矿前驱体薄膜的快速过饱 和。 反溶剂的滴加时机和使用量等因素对钙钛矿薄膜的质量、器件的效率和稳定性 有着直接的影响。钙钛矿前驱体溶液使用的溶剂通常是易挥发的 DMF（二甲基甲 酰胺）等，随着溶剂的迅速挥发，涂覆后的前驱体薄膜通常会迅速结晶，并由 前驱体溶液态薄膜快速转变为钙钛矿中间态薄膜，无法为后续反溶剂处理预留 足够的时间窗口。通过使用较低蒸气压溶剂等手段减慢前驱体溶剂挥发速度，能够为反溶剂处理预留时间，实现沉积至预制备基底（沉积有电荷传输层的基 底）的钙钛矿液膜的可控快速晶体成核，再结合低温长时间退火的策略来实现 缓慢的晶体生长过程，有助于形成更高质量、更大晶体的钙钛矿薄膜。
（2）钙钛矿前驱液涂覆方法
狭缝涂布法是目前钙钛矿电池产业化过程中最常用的钙钛矿层制备方法之一。 该方法将钙钛矿前驱体墨水存储在储液泵中，并通过控制系统使其按照设定参 数均匀地从狭缝涂布头中连续挤压至基底上以形成连续、均匀钙钛矿液膜。沉 积液膜的厚度可通过涂布头与基底的缝隙宽度、基底移动速度、储液泵给料速 度、风刀压力大小等进行预设定。
优点：1）相比刮刀涂布法，能够通过控制系统参数设定进行精确设计；2）无 接触式液膜制备技术避免涂布头与基底直接刮擦；3）钙钛矿前驱液保存密封储 液罐保证浓度不变；4）涂膜均匀性好；5）材料利用率高；6）涂布速度快。 缺点：高效钙钛矿电池开发应用需对其进一步优化，如前驱液化学设计、沉积 液膜的干燥过程以及钙钛矿薄膜结晶过程等。
刮刀涂布法是一种利用刮刀与基底的相对运动，通过刮板（半月板）将钙钛矿 前驱体溶液分散到预制备基底上的液相制膜方法。前驱体溶液被刀片在光滑的 基底上刮过形成平整的湿膜，然后将湿薄膜干燥形成固态薄膜。其中，薄膜的 厚度可通过前驱体溶液的浓度、刮板与基底的缝隙宽度、刮涂的速度进行控 制。
优点：1）与狭缝涂布技术相比，刮涂法虽然在涂布液的供给方面自动化程度较 低，但对小批量实验室研究而言，其溶液消耗量较少，且设备的清洗维护更简 单；2）与旋涂法相比，刮涂法在规模化生产时，钙钛矿溶液的浪费可大幅减 少，而在成膜质量、工艺稳定性等方面均有着明显的优势。 缺点：由于弯液面表面的溶剂挥发，前驱液凝结所产生的固体成分会逐渐堵塞 在接触线附近的半月板表面。 喷涂法是一种通过对喷枪内的钙钛矿前驱液施加压力,使溶液从喷嘴喷出后分散 成微小的液滴并均匀沉积到基底上的一种液相薄膜沉积技术，该方法是一种易 于扩展的大面积钙钛矿薄膜沉积技术。其优点在于能够通过控制参数调控薄膜 厚度，但喷涂过程液滴大小与沉积位置不确定性大，多次喷涂工艺复杂，且原 料利用率低且逸散有毒液体产生沉积腔室污染。
喷墨打印法是通过控制打印腔内压力的变化将钙钛矿前驱体墨水从打印头喷出 并打印到预沉积基底上的一种钙钛矿薄膜沉积方法。
优点：1）沉积前预先将设计图案印刷到基底上，节省制版过程，提高原料利用 率；2）通过参数调整实现液滴大小与运行轨迹的精细控制；3）多喷头同时打 印满足产业化需求。 缺点：1）无法控制打印过程中钙钛矿薄膜结晶速率；2）较厚钙钛矿层易形成 多层钙钛矿层堆叠。 旋涂法可分为一步旋涂法和两步旋涂法，多应用于实验室的小面积 PSC（钙钛 矿太阳能电池）器件。钙钛矿前驱体溶液由铅源前驱体溶液与卤化物前驱体溶 液制得。一步旋涂法将钙钛矿前驱体溶液直接旋涂在电子传输层表面，再进行 高温退火处理，蒸发有机溶剂，形成钙钛矿薄膜。两步旋涂法则是在衬底之上 分两次旋涂铅源前驱体溶液与卤化物前驱体溶液，两者之间发生反应得到钙钛 矿前驱体溶液，以制备钙钛矿薄膜。
真空镀膜法是指在高真空的条件下加热镀膜材料，使其蒸发并凝结于镀件（金 属、半导体或绝缘体）表面而形成薄膜的一种方法。
优点：该方法可以精确地控制钙钛矿薄膜沉积过程中钙钛矿组分的化学计量 比，可制备均匀、高质量的大面积钙钛矿薄膜。 缺点：1）真空气相沉积中真空环境的控制需要通过分子泵长时间抽真空实现， 且真空设备昂贵，使得薄膜的制备时间变长、成本升高，限制了其在大面积钙 钛矿光伏组件制备中的广泛应用；2）有机盐在真空下分解，对真空腔体有腐蚀 破坏，如碘甲胺在设备中产生酸性环境，对设备破坏较大。
空穴传输层制备材料成本昂贵。在钙钛矿层上制备空穴传输层时，通常使用溶 液旋涂法、磁控溅射、真空蒸镀等技术，其材料通常为 PTAA、Spiro-OMeTAD、 NiOx 等，价格昂贵。PTAA 约 3000 元/克，Spiro-OMeTAD 约 3700 元/克。目前传 统空穴传输材料价格昂贵，严重阻碍了钙钛矿太阳能电池的推广与发展。近年 来高校开始研发低成本空穴传输材料如碳作为传统空穴传输材料替代品，同时 无空穴传输层研究也取得了一定的成果。南方科技大学采用协同掺杂策略制备 的无空穴传输层钙钛矿器件实现了 22%的显著效率，是无空穴传输层钙钛矿太阳 能电池迄今为止报道的最高效率。
制备金属背电极是薄膜制备的最后阶段。将器件放入蒸镀机中，用掩膜板固定 住，进行蒸镀（高真空电阻蒸发镀膜）：沉积材料蒸发或升华为气态粒子，气态 粒子快速从蒸发源向基片表面输送，金属模板放在衬底基片表面，粒子会穿过 金属模板镂空的部分，附着在空穴传输层上逐渐形成图形化的薄膜。膜层厚度 达到要求以后，用挡板盖住蒸发源并停止加热，即制得金属背电极。
2.5 刻蚀工艺：激光刻蚀是主流
以激光刻蚀为主的刻蚀工艺贯穿钙钛矿电池制备全流程。钙钛矿电池各层结构 均含金属氧化物薄膜，需要进行激光刻蚀或化学刻蚀，对金属氧化物薄膜进行 刻划，去除部分金属氧化物薄膜（即形成刻蚀槽），从而将钙钛矿电池划分成多 个长条状的电池组，使整个钙钛矿面板形成一道道子电池，并串联成组件，提 高导电效率，避免因钙钛矿电池面积大导致效率下降。相较化学刻蚀法，激光 刻蚀，具有精度高、死区小的优势，是光伏领域主要的刻蚀方法。
激光刻蚀主要应用于四个步骤。（1）激光划线 P1 工艺：在导电玻璃电极 TCO 层 制备完成后，通过激光设备分割底部的 TCO 导电膜，形成相互独立的 TCO 玻璃 基底。（2）激光划线 P2 工艺：完成空穴传输层、钙钛矿层和电子传输层制备之 后，通过激光设备刻蚀这三层，暴露出 TCO 层，从而为下一步蒸镀金属背电极 时子电池之间的正负极相互连接留出空间。（3）激光划线 P3 工艺：蒸镀完电极 后，需去除部分功能层以分割相邻子电池的正极，将子电池之间分离开。（4） 激光清边 P4 工艺：利用激光划线划分出无效区域即死区后，对无效区域采用大 功率、大光斑、低频红外激光进行清除电池边缘的沉积膜。
死区大小是衡量薄膜太阳能激光划线工艺的重要指标。死区越大，子电池将光 能转化为电能的效率就越低。据德国乐普测算，以 1.0m×2.0m，子电池宽度为 5mm 的薄膜太阳能模组为例，当死区由 250 微米降到 130 微米时，总死区面积由 0.098 平方米降到 0.05096 平方米，发电面积增加 0.04704 平方米，假设有效面 积转化效率为 18%，每块模组输出功率可增加 8.47 瓦。GW 级产线落地后，因降 低死区而带来的输出功率增长是非常巨大的。
2.6 封装工艺：钙钛矿电池组件制备最后一环
封装对维持钙钛矿电池稳定性起重要作用。钙钛矿电池各膜层制备好后，使用 激光清边并使用设备测试其效率和功能，最后进行封装。钙钛矿电池各功能层 材料对空气中的水氧、紫外光、压力等敏感，会发生材料改性分解、功能丧失 的情况。而封装技术能够有效将工作元件与外界环境隔离，提高钙钛矿电池使 用寿命。 钙钛矿电池封装方法分为完全覆盖封装和边缘封装。完全覆盖封装既可以使用 聚合物作为封装材料，也可以采用原子沉积法制备隔绝水氧的薄膜，覆盖钙钛 矿电池顶部活性区域，再用玻璃进行封装。边缘封装技术在钙钛矿活性区域周 围放置密封剂如聚异丁烯（PIB）再用玻璃进行包封。最后通过层压机使封装层 和玻璃背板粘连在一起，形成钙钛矿电池组件完整的封装结构。
3 叠层电池：具有更高理论效率，或为终极解决方案
制备叠层电池是太阳能电池光电转换效率提升的重要突破口。叠层电池由多个 带隙不同的子电池堆叠而成，宽带隙顶电池与窄带隙底电池分别吸收短波长与 长波长的太阳光，能有效扩宽太阳能光谱利用范围，提高太阳能电池光电转换 效率。
3.1 钙钛矿叠层发展优势突出
钙钛矿带隙可调，是叠层电池理想顶层电池材料。钙钛矿材料不仅具有较高的 光电转换效率与较低的制备成本，其最具代表性特性是带隙可调。钙钛矿为 ABX3的晶体结构，通过调节 A 位、X 位、B 位离子能够获得 1.5-3eV 的可调控带 隙宽度，有利于进行钙钛矿/晶硅叠层电池与钙钛矿/钙钛矿叠层电池的制备。
钙钛矿叠层电池理论效率优势明显，双结叠层是产业主要发展方向。2023 年底 隆基绿能的背接触晶硅异质结电池创造了最高晶硅电池转换效率 27.09%，趋近 理论极限 29.4%，晶硅电池发展空间受限明显。而钙钛矿/晶硅电池最高理论效 率达到 43%，双结钙钛矿叠层电池最高理论效率达到 45%，且吸光层的增加能够导致更高的理论效率。但考虑实际生产经济性，双结叠层是主要发展方向，可 分为四端、两端结构。
四端叠层：工艺简单而成本受限。四端叠层电池中两个子电池独立制作，窄带 隙钙钛矿电池通过简单机械叠层堆叠在晶硅或宽带隙钙钛矿电池顶部，各电池 电路相互独立有利于分别设计子电池的最佳制造条件，制备工艺简单。但子电 池独立运行需使用四端电极，复杂的输出电路与透明电极的数量增加进一步导 致电池制作成本的提升。四端叠层电池的理论最高效率为 46%，2022 年底南京 大学谭海仁教授团队报道最高实验室效率达 29.8%（钙钛矿/晶硅叠层）。
两端叠层电池：成本占优而工艺受限。两端叠层电池通过在晶硅电池或钙钛矿 电池上直接沉积钙钛矿电池制成，二者通过互联层串联连接。两端叠层电池得 益于更少的电极材料与沉积步骤，制造成本较大降低。但子电池的非独立运行 导致光电流大小受限于电流较低的子电池，需经过不断调整才能得到最大功率 输出。同时晶硅电池陷光结构与表面钝化工艺使不规则晶硅电池表面难以沉积 规则的钙钛矿电池，沉积过程对表面钝化层会发生破坏，工艺难题仍需克服。两端钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池理论效率为 43%，两端全钙钛矿太阳能电池理 论效率为 45%，2023 年 2 月北京曜能科技报道最高实验室效率达 32.44%。
3.2 钙钛矿/晶硅叠层电池：钙钛矿-HJT 叠层更具优势
钙钛矿与晶硅具备良好叠层电池匹配度，可形成高效率叠层电池。晶硅具有 1.1eV 的窄带隙，容易吸收长波长光子，但吸收短波长光子时产生较大能量损 失，成为晶硅电池效率提升的重要瓶颈。钙钛矿的带隙可调性为构筑钙钛矿/晶 硅叠层电池提供条件，其中宽带隙钙钛矿顶电池吸收短波长太阳光，窄带隙晶 硅底电池吸收未被顶电池吸收的长波长太阳光，更大程度扩宽光谱吸收范围， 提高太阳能电池效率。目前钙钛矿/晶硅叠层电池效率已达 33.9%（2023 年 11 月隆基绿能）。
当前钙钛矿/晶硅叠层电池技术研发主线中钙钛矿/HJT 叠层电池更具优势。结 构方面，HJT 电池表面本身为 TCO 玻璃，能够有效简化叠层工艺，无需对电池产 线进行更改；TOPCon 电池表面氮化硅与氧化铝为绝缘体，需对表面物质进行清 除，或加入掺杂与钝化工艺，使工艺复杂化。同时 HJT 电池制备工序更为简 单，能够缩短出货周期，具有长期成本优势。
高效钙钛矿/晶硅叠层电池制备受底电池受光侧表面形貌影响。按晶硅底电池受 光面的结构，钙钛矿/晶硅叠层电池制备路线可分为两类：（1）在平面晶硅衬底 采用溶液法制备钙钛矿，并利用光学工程解决平面界面光反射损失；（2）保留 晶硅表面绒面结构与陷光效果，开发保型沉积钙钛矿层电池新方法，目前已开 发出热蒸发结合两部沉积法、气相沉积法和刮涂法等多种方法来实现陷光绒面 上生长钙钛矿膜层。
互联层拥有光学透过与电学连接双重作用，改善互联层材质是重要突破口。互 联层是两端叠层电池中两子电池中间的连接结构，起电学连接和光学透过的双重作用。电学方面，互联层形成子电池间电学连接，以最小电阻复合电子与空 穴；光学方面，互联层能够保证长波波段的高透明性，同时降低背面多晶硅层 对长波长光谱的寄生吸收。目前被用作互联层的材料主要分为两类： （1）TCO 复合层：采用透明导电氧化物（TCO）材料，包括 ITO、铟掺氧化锌 （IZO）、锌掺氧化锡（ZTO）等。TCO 复合层能够在任何形貌的硅电池表面沉 积，具有较高的电导率和光透过率，在光电转化效率大于 25%的叠层电池中应用 广泛。但 TCO 具有高横向电导率，对电荷传输层沉积不均匀的顶电池易造成局 部漏电进而导致电压损失，因此选择 TCO 复合层的叠层电池多匹配平滑底电池 表面或更加均匀的顶电池沉积工艺。 （2）硅基隧穿层：采用重掺反型硅基材料，包括 n ++/p++的氢化非晶硅（a-Si:H, Hydrogenate damorphous silicon）或氢化纳米硅（nc-Si:H, Hydrogenated nano-crystalline silicon）等。该材料具有横向电导率、寄生损耗和反射损 耗低的特点，是钙钛矿/晶硅叠层电池隧穿层的理想材料。同时隧穿层具有低温 加工优势，或将成为大规模制备叠层电池的主流技术之一。
3.3 全钙钛矿叠层电池：未来叠层电池的重要发展方向
全钙钛矿叠层电池能够最大限度发挥钙钛矿材料自身优势。钙钛矿带隙可调特 性使其不仅能作为宽带隙吸光层，而且能够调整作为窄带隙吸光层，二者结合 成为全钙钛矿叠层电池。对比钙钛矿/晶硅叠层电池，全钙钛矿电池能够摆脱晶 硅成本与性能束缚，充分发挥钙钛矿材料自身成本低廉、吸光性强、低温加工 等优势，成为未来叠层电池的重要发展方向。
全钙钛矿叠层电池理论效率最高，有望成为太阳能电池未来产业发展终极路 径。全钙钛矿叠层子电池带隙灵活调节能够更大范围覆盖太阳光谱，电池理论 效率超过 43%，目前最高实验室效率为 29%（2022 年 12 月仁烁光能）。
窄带隙锡氧化与互联层沉积瓶颈实现技术突破，为全钙钛矿电池产业化提供支 撑。全钙钛矿叠层电池的主要挑战在于窄带隙的锡氧化问题与互联层的结构问 题。窄带隙子电池方面，通过在钙钛矿前驱体溶液中引入金属锡粉能够有效抑 制二价锡离子氧化并将四价锡离子还原，制备高质量窄带隙钙钛矿薄膜；互联 层方面，提出使用原子层沉积技术制备致密互联层和金属复合层的新型隧穿结 结构，其中 SnO2层作为缓冲层保护底层器件层免受损坏，能够较好解决溶液法 制备全钙钛矿叠层电池的溶剂正交问题，金属薄层能够实现载流子的高效隧穿 复合环节开路电压和填充因子的损失。
4 钙钛矿电池设备：关注镀膜、涂布、激光、封装设备
钙钛矿电池制备设备主要由镀膜设备、涂布设备、激光设备、封装设备构成。 镀膜设备主要包括 PVD（Physical Vapor Deposition，物理气相沉积）设备、 ALD（Atomic Layer Deposition，原子层沉积）设备，其中 PVD 设备采用的技 术又可细分为真空蒸镀、溅镀、RPD（等离子体沉积）设备。协鑫光电公布的100MW 大面积钙钛矿光伏组件生产线主要包括 2 台涂布机，3 台镀膜设备（2 台 传统 PVD 设备和 1 台 RPD 设备）以及 4 台激光机。
钙钛矿电池制备尚未形成统一技术路径。TCO 玻璃制备主要使用磁控溅射 PVD 在 浮法玻璃上镀膜。电子传输层、钙钛矿层和空穴传输层的技术路线较为相似， 主要使用镀膜设备或涂布设备，电极层则主要使用 PVD 设备蒸镀形成金属背电 极。不同技术路线之间使用 PVD 设备和涂布设备的数量和比例不同，但总体 看，镀膜、涂布、激光、封装设备的价值量占比分别约为 50%、20%、20%、 10%。
空穴传输层、电子传输层制备以镀膜设备为主。其中 PVD 设备应用广泛，蒸镀 设备成膜效率高但高昂成本限制其大规模发展，溅镀设备工艺成熟、性价比 高。RPD 设备的优势在于可以减少对钙钛矿电池的轰击损害，但价格昂贵且目前仅有捷佳伟创为唯一 RPD 授权设备商。相较于 PVD 设备，ALD 设备制备出的膜层 更为绵密。目前国内镀膜设备供应商主要有京山轻机、捷佳伟创、奥来德、弗 斯迈、微导纳米等。
钙钛矿层制备主要采用涂布设备。钙钛矿层制备多采用狭缝涂布机。目前，上 海德沪涂膜市占率达到 70%，此外弗斯迈、大正微纳、协鑫光电、万度光能等均 有涂布设备布局。
激光设备以国产为主。德龙激光、大族激光、杰普特、迈为股份、微导纳米等 国产钙钛矿设备厂商竞争实力雄厚，部分设备已进入验收、出货、交付阶段。
封装设备可以与晶硅行业共用，多采用 POE 胶膜。弗斯迈已能为钙钛矿组件龙 头厂商提供整线解决方案，众能光电拥有层压机，通过层压机使封装层和玻璃 背板粘连在一起，形成钙钛矿电池组件完整的封装结构。京山轻机开发光伏原 子镀膜装备，所制备的功能膜层如 Al2O3薄膜作为钙钛矿电池及叠层组件的封装 防潮层保护壳。钙钛矿封装工艺与晶硅相似度较高，但由于钙钛矿材料比较敏 感，一般采用 POE 胶膜进行封装而不能采用晶硅电池所使用的 EVA 胶膜，避免 因 EVA 胶膜的水汽透过率较高以及降解分解会产生醋酸对钙钛矿材料造成腐 蚀。