钙钛矿简介及钙钛矿电池事情原理
狭义的钙钛矿指CaTiO3这种矿物，广义的钙钛矿指具有钙钛矿结构的ABX3型化合物。 钙钛矿电池中的钙钛矿层通常指有机/无机金属卤化物ABX3。其中A代表一价有机或无 机阳离子（如甲胺离子CH3NH3 +、铯离子Cs+、铷离子Rb+等） ；B代表二价金属阳离 子（如铅离子Pb2+、锡离子Sn2+、锗离子Ge2+） ；X代表一价卤素阴离子（如溴离子 Br-、碘离子I -、氯离子Cl-）。 钙钛矿电池的事情原理与晶硅电池类似。光生电动势的物理历程为：钙钛矿吸光层吸 收光子之后，电子吸收能量从价带跃迁到导带，形成电子-空穴对。电子与空穴对在吸 光层内部迅速脱离，划分通过电子传输层（ETL）、空穴传输层(HTL)运送到阴极、阳 极，随着电子和空穴在阳极和阴极群集，南北极之间爆发光生电动势，进而爆发光电流。
钙钛矿太阳能电池结构
钙钛矿太阳能电池可分为单节太阳能电池和叠层太阳能电池两种手艺蹊径。 单节钙钛矿太阳能电池：主要由电子传输层（ETL）、钙钛矿吸光层、空穴传输层（HTL）以及电极组成。钙钛矿太阳能电池结构可以分为正式结构（n-i-p）和倒 置结构（p-i-n）两种类型，其中n代表电子传输层（ETL），i代表钙钛矿吸光层，p代表空穴传输层（HTL）。 ETL：电子传输层，必需知足与钙钛矿层优异接触，使得电子在传输历程中的潜在势垒降低，并且在完成电子传输的同时阻止空穴向阴极传输 ；现在多接纳介孔层 结构，接纳TiO2或Al2O3，还可起到结构支持作用。 HTL：空穴传输层，需要与钙钛矿层有优异的异质结接触界面，镌汰空穴传输历程中的潜在势垒，完成空穴传输的同时阻止电子向阳极移动 ？昭ù洳憧梢晕 机物（好比spiro-OMeTAD小分子质料），也可以为无机化合物（好比碘化铜、氧化镍等）。n-i-p结构中，可包括致密层结构（一样平常为TiO2、ZrO2或其他金属化合物 ），主要起网络与传输电子和阻挡空穴的作用，其厚度可以对电池性能爆发主要影响。 透明电极：一样平常选用商业化的ITO（氧化铟锡）或者FTO氧化物（氟掺杂氧化锡）导电玻璃。其在可见光波段的透光率高达80-90%、导电能力强、功函数合适。 钙钛矿层是光吸收层，吸收光并爆发电子空穴对，通常为有机金属卤化物。
总体而言，钙钛矿电池属于第三代电池，优点众多
比照染料敏化电池、全固态薄膜电池等，钙钛矿优势显着：本钱低廉、低碳、综合性能优良、可形成叠层电池、可制备高效柔性器件、极限效率更高等。 染料敏化电池为包管光能的充分吸收，吸收层厚度至少要在10μm以上，但载流子和空穴对扩散长度没那么长，因此染料敏化电池对光吸收使用有局限。 钙钛矿具备极高的消光系数，400nm厚的薄膜即可吸收紫外-近红外光谱规模内的大部分光子。同时，载流子、空穴对扩散长度可高达1μm，极大减小载 流子复合，进而使钙钛矿的开路电压、短路电流及填充因子均有提升，电池性能显着改善。 从种种电池的极限转换效率来看，钙钛矿单层、钙钛矿/硅双节层、钙钛矿三节层电池电能极限效率划分为31%、35%、45%，高于其他结构类型电池。 相关弱点：钙钛矿电池袒露在空气中时会与水爆发反应，抗热、抗湿能力差，且其中含有的铅溶于水还会造成情形污染。
效率、稳固性与工业规 ； 是生长焦点
钙钛矿电池效率生长迅速，2015年以来效率快速提升
钙钛矿电池的工业化需要知足效率高、稳固性好和产线规 ；鎏跫条件。 在效率提升方面，仅用13年的时间，钙钛矿电池的光电转换效率就由3.8%提升至31.3%，钙钛矿电池生长较为迅速。近期，钙钛矿硅叠层光伏电池手艺转化率再立异高：洛桑联邦理工学院（EPFL）和瑞士电子与微手艺中心（CSEM）创立的最新纪录为31.3％。 海内团队在钙钛矿叠层电池研发进度较快，现在南京大学谭海仁团队钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能电池最高认证效率抵达28%（0.049cm2）。
稳固性：钙钛矿电池稳固性一连提升
新型钙钛矿太阳能电池在湿润、光照条件下稳固性较差，由此会爆发剖析，最终降低器件的效率。 当太阳光为钙钛矿电池提供爆发电能所需的光子能量时，也损害了钙钛矿电池的稳固性。随着时间的推移，会影响效率的体现。 若是有足够的光照，会引发连锁反应，在连锁反应中，越来越多的碘化物在富含碘化物的地区群集，越来越多的溴化物被挤出。随后化合物的疏散倾向于在这些 低带隙区域捕获爆发电的光载流子，严重阻碍电池的效率。别的，由于钙钛矿电池一样平常为有机金属卤化物钙钛矿电池，有毒铅的保存对情形和康健也有害。 稳固性关于降低本钱也有主要意义：纤纳光电科技CEO姚冀众博士体现，若钙钛矿太阳能组件能够坚持30年稳固性的，纵然转换效率和PERC组件相当，大规模应 用后，也能将太阳能度电本钱（LCOE）降低至0.2元。 现在海内外MPP稳固性水平（钙钛矿电池在最大光功率输出点MPP处的恒久运行稳固性时间）一样平常在几千小时。近年来，钙钛矿电池稳固性已有很大提升。
钙钛矿电池产能本钱更具优势
晶硅太阳能电池需要履历硅料、硅片、电池、组件四个环节，在每个环节都泛起了差别的龙头企业。而钙钛矿的生产流程可以在一间工厂内完成，将玻璃、胶膜、 靶材、化工质料加工成组件。古板晶硅太阳能电池供应链需要在多个工厂、多个环节约转，耗时最少需要三天，而钙钛矿可在简单工厂内45分钟走完所有流程。 钙钛矿生产流程更简朴，钙钛矿组件不需要履历串焊等生产历程。 钙钛矿电池产能本钱更具优势。光伏企业投资1GW产能GaAs（Tum-key线）需要金额约50亿元 ；投资1GW产能晶硅电池需要合计投资金额10亿元左右 ；工艺成 熟条件下测算，1GW产能钙钛矿电池投资金额约5亿元，约为晶硅电池投资金额的50%，GaAs（Tum-key线）的10%。
电池生产装备： 镀膜、涂布、激光装备
PVD装备：装备手艺相对成熟，在HJT已有应用
镀膜装备：凭证膜层使用的质料，制备透明导电薄膜、空穴传输层、电子传输层、电极可使用PVD&RPD镀膜装备。部分企业钙钛矿电池包括阳极缓冲层、阴极 缓冲层设计亦可使用镀膜装备。PVD&RPD装备手艺相对成熟，在HJT已有应用。 PVD装备：接纳直流磁控溅射的方法，氩气离子在电场与磁场指导下抵达靶材上，将靶材原子分子溅射到衬底以制备透明氧化物导电薄膜，可以接纳自上朝下或 自下朝上的沉积结构。装备价钱自制，镀膜膜厚匀称易控制，工艺稳固可控，重复性较好，靶材寿命较长，适合一连生产，但离子轰击可能对其他膜层造成损伤。 RPD装备：使用等离子体经磁场偏转后轰击到靶材上，等离子束将靶材原子分子轰击出来，升华后沉积到样品上形成透明导电薄膜。RPD工艺具有低离子体轰击 损伤、降低积温度、高解离率、具有大面积沉积和高镀膜速率。现在RPD装备售价相对较高。
钙钛矿薄膜制备工艺：一步溶液法
钙钛矿薄膜的结晶度是影响器件性能的要害因素，因此钙钛矿制备工艺的焦点是怎样提高薄膜质量。古板一步溶液旋涂法中，溶剂较长时间残留在钙钛矿薄膜里， 导致碘化铅形成晶体析出，使钙钛矿晶体较多针孔，影响成膜质量。使用快速结晶去除溶剂的要领，可以让前驱物险些同时析出，碘化铅能迅速和有机配合物反应 形成钙钛矿结构而不会析出 ？焖俳峋У墓ひ瞻ǖ瓮糠ā⑵甯ㄖ嚼。 退火也有助于改善成膜质量，通过晶体重新结晶，可以对薄膜举行较好修复。早期多接纳热退火方法，近年激光退火因可以在样品上实现大面积超快退火而被关注。
激光装备：激光开槽在钙钛矿电池有多道应用
激光在钙钛矿电池应用主要为激光开槽，翻开部分膜层，抵达阻断导电，形成单 ？椤⒌绯胤制哪康。 翻开透明导电薄膜：PVD沉积透明导电薄膜后，第一道激光开槽翻开透明导电薄膜，并沉积空穴传输层或者铁电绝缘层，将导电薄膜支解成多个子单位。 依次制备空穴传输层、钙钛矿层及电子传输层后，第二道激光翻开空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层。在此基础上，在槽内及电子传输层外貌接纳蒸镀方法制 备电极金属。 电极金属沉积完成后，第三道激光翻开电极金属层、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层，以完成钙钛矿电池片的分片。第四道激光主要将电池边沿的各层沉积膜去除，起到激光清边的作用。
涂布装备竞争名堂及近期希望
涂布装备：应用于钙钛矿层涂布环节。别的，凭证电子传输层、空穴传输层、电子缓冲层、 空穴缓冲层等质料的选择差别，亦可接纳涂布工艺。行业内主要企业为德沪涂膜、众能光电、大正微纳等，其中，德沪涂膜开发的全球首套用于 钙钛矿-晶硅叠层焦点涂膜装备系统于2022年3月验收乐成。
激光装备竞争名堂及近期希望
激光装备：钙钛矿工艺会使用较多的激光，现在有4道激光应用，用于去除TCO层、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层、金属电极层等。别的，激光退火 （结晶）、激光膜层修饰（抛光）亦有应用潜力。 海内钙钛矿激光装备供应商有帝尔激光、迈为股份、杰普特等。其中，杰普特与大正微纳相助开发柔性钙钛矿膜切装备于2021年8月通过验收并正式投入 生产使用。