金属与材料行业报告：光电性能优异，钙钛矿产业化进程加速

事件：南京大学谭海仁教授课题组研制的大面积全钙钛矿光伏组件取得新突破，稳态光电转化效率达24.5%，刷新此类组件的世界纪录，为后续产业化发展打下技术基础。相关论文2月23日发表于国际学术期刊《科学》。 钙钛矿：光电性能优异，应用场景多样 钙钛矿材料的性能众多，光电性能突出，应用广泛。钙钛矿是ABX3结构的化合物组成的材料家族，化合物结构上有许多特性，在凝聚态物理方面应用及研究甚广。各种不同的元素可构成上百种理想的或稍有变形的钙钛矿晶体，变体往往具有各向异性并伴随新性能的出现。因其出色的光电性能，被应用到光电探测、LED、光催化剂、太阳能电池等领域，钙钛矿太阳能电池为近年的研究热点。 钙钛矿太阳能电池：重点研发方向，发展前景广阔 钙钛矿较晶硅材料拥有多种优势，太阳能电池产业化呈现加速趋势。和传统晶硅材料相比，钙钛矿材料具备三大核心优势：光电特性非常好、原材料丰富且易于合成、生产工艺流程短。此外钙钛矿光伏组件更轻、更薄，具有可弯曲、半透明等良好特性，应用场景更丰富。目前，钙钛矿具备效率高成本低等优势，但基本处在研发阶段。技术研究方面钙钛矿电池效率不断突破，政策支持方面各国广泛将钙钛矿太阳能电池纳入重点支持计划。在国家产业政策支持下，钙钛矿电池将从实验室阶段向产业化阶段转变，产业化进程呈现加速趋势。 钙钛矿发展仍然面临挑战，优异性能决定其重要地位 钙钛矿太阳能电池未来的发展仍面临材料设计、开发和制备等问题和挑战。 在现有技术基础上进一步完善理论研究、降低成本、提高转换效率和稳定性、优化实验方案及电池结构、推进其工业化，是其必然的发展趋势。整体来看，优异的性能和低廉的成本仍能使钙钛矿在太阳能领域成为晶硅材料的有力竞争者，在未来能源结构中占有重要的地位，发展前景广阔。 风险提示：技术发展不及预期风险；下游需求不及预期风险；产业政策推进不及预期风险。 1.钙钛矿：光电性能优异，应用场景多样 钙钛矿，最初仅指钛酸钙（CaTiO3），后来ABX3结构的化合物组成的材料家族被统称为“钙钛矿”材料。钙钛矿的化合物结构上有许多特性，在凝聚态物理方面应用及研究甚广，物理学家与化学家常以其分子公式中各化合物的比例（1:1:3）来简称之，因此又名“113结构”。各种不同的元素可构成上百种理想的或稍有变形的钙钛矿晶体：A位置可由Ba、Sr、Pb等元素及镧系金属占据，B位置可由50余种元素占据，X位置则可由O、卤族元素F、Cl、Br、I等占据。目前，钙钛矿材料可通过传统的高温固相法（陶瓷工艺方法）、溶胶-凝胶法、水热合成法、高能球磨法和沉淀法、气相沉积法、超临界干燥法、微乳法及自蔓延高温燃烧合成法等多种方法进行制备。 图1：钙钛矿晶体示意图 图2：钙钛矿化合物的晶胞及晶体结构 表1：钙钛矿材料的研究与应用历程 钙钛矿材料的各种变体往往具有各向异性并伴随新性能的出现，曾被应用到光电探测、LED、光催化剂、太阳能电池等各种领域。光电探测器领域方面，由于钙钛矿材料的高吸收系数和高载流子迁移率，它们能够有效地接收和转换光能。这使得钙钛矿材料在红外光和可见光探测器中表现出优异的性能。LED方面，由于其广阔的发射光谱范围和高光电转化效率，钙钛矿材料可以用于制备高效、宽光谱范围的LED照明器件。光催化剂方面，钙钛矿材料可以吸收可见光，并具有良好的光生电子和光生空穴分离能力，可用于水分解、有机污染物降解等光催化反应。光伏领域方面，2009年日本学者Kojima在染料敏化太阳电池中加入具有钙钛矿结构的甲胺铅碘(CH3NH3PbI3)，首次得到了实验室光电转换效率为3.8%的太阳电池；2012年来，钙钛矿在太阳能电池的应用获得突破，井喷式的研究成果开始出现。 由于钙钛矿材料具有高吸收系数和优异的光电转化效率，钙钛矿太阳能电池已成为近年来备受关注的研究热点。 2.钙钛矿太阳能电池：重点研发方向，发展前景广阔 根据不同的技术路线，太阳能电池可大致分为晶硅电池、薄膜电池、钙钛矿电池等，钙钛矿是新型太阳能电池的重点研发方向之一。和传统晶硅材料相比，钙钛矿材料具备三大核心优势：光电特性非常好、原材料丰富且易于合成、生产工艺流程短。此外钙钛矿光伏组件更轻、更薄，具有可弯曲、半透明等良好特性，应用场景更丰富。 图3：反型钙钛矿电池结构及各功能层级图 目前，钙钛矿具备效率高成本低等优势，但基本处在实验室阶段。技术研究方面，钙钛矿电池片实验室效率已达到26.1%，组件效率达成24.5%的新突破，平米级组件效率已经突破18%，已超过了非晶硅、染料敏化及高分子等薄膜太阳能电池几十年来的研究成果。政策支持方面，各国政府广泛将钙钛矿太阳能电池纳入重点支持计划：欧盟将其作为“弯道超车”的技术予以重点支持；美国出资2400万美元支持ECA等公司的钙钛矿太阳电池技术开发；NERL推动成立了美国先进钙钛矿制造（US-MAP）联合体，加速钙钛矿技术商业化； 中国“十四五”指出，要开展高效钙钛矿电池制备与产业化生产技术的示范试验。目前，隆基绿能、曜能科技、致晶科技等多家企业布局钙钛矿。在国家产业政策支持下，钙钛矿电池将从实验室阶段向产业化发展阶段转变，产业化进程呈现加速趋势。 钙钛矿太阳能电池未来的发展仍面临以下几个方面的问题和挑战：多孔支架层的低温制备和柔性化；廉价、稳定、环境友好的全光谱吸收钙钛矿材料的设计和开发；高效、低成本空穴传输材料的制备；此外还需发展适合工业化生产的电池制备工艺。在现有技术基础上进一步完善理论研究、降低成本、提高转换效率和稳定性、优化实验方案及电池结构、推进其工业化，是其必然的发展趋势。整体来看，优异的性能和低廉的成本仍能使钙钛矿在太阳能领域成为晶硅材料的有力竞争者，在未来能源结构中占有重要的地位，发展前景广阔，建议关注行业及公司相关进展。 3.风险提示 技术发展不及预期风险；下游需求不及预期风险；产业政策推进不及预期风险。