上海交大韩礼元团队：钙钛矿太阳电池成本深度解析与技术展望

一直以来，钙钛矿太阳电池都以高效率和低成本的形象出现于大众视野，被公认为有可能取代晶硅太阳电池成为主流。然而近年，晶硅电池成本迅速降低，钙钛矿的成本优势是否存在成为了一个新的问题，钙钛矿太阳电池的商业化进入了更加复杂的新阶段。为了加速其商业化进展，研究团队从成本构成、降本途径和未来展望三方面对对钙钛矿太阳电池进行了技术经济性分析。

研究团队基于目前国内的百兆瓦产线，构建了钙钛矿组件的成本框架：a)总制造成本达0.57 美元/W（当前晶硅组件成本为0.1美元/W）;b)材料成本占到了70%，设备折旧占到15%左右，能耗和人工等费用约占15%。

1.量化各材料占比：FTO玻璃、ITO和C₆₀为占比最高的核心耗材：FTO玻璃价格高达10美元/m²，且难以通过规模化生产大幅降价（行业内预测未来仅能降低至7 美元/m²）。

2.探究设备构成：在目前各企业采用的主流钙钛矿组件制造过程中，仅钙钛矿层采用狭缝涂布方式制备，其余各层都通过真空设备沉积，存在对真空设备的过度依赖（真空设备投资占比超过50%）。磁控溅射、热蒸发等真空工艺设备昂贵且能耗高，推高边际成本。

3.过低的组件效率和制造良率：当前商业组件仅约15%效率，远低于商业晶硅组件，同时由于产线缺乏大规模生产经验、工艺标准化缺失，良率仅约50%,显著摊薄了单瓦制造成本。效率决定了成本上限，良率主导了成本下限。成本的降低需要效率和良率的协同调控。

图1. 效率与良率的“成本杠杆效应”：在低效率低良率时，提高良率和效率的收益比高效率高成本时更大。

研究团队通过对良率、效率、材料和设备的敏感性分析，提出了钙钛矿组件成本低于晶硅组件需要满足的条件：

1.效率>25%，良率>99.5%：a) 目前钙钛矿太阳电池最高效率已经达到27%，然而1m×2m大面积模块效率仍低于20%；b) 模块组件效率要实现25%，对应小面积电池效率需突破28%；c) 必须减少电池到模块的效率损失，需要从当前的7%的效率损失减少为3%的效率损失；d) 良率的提升在制造初期至关重要，通过全面运行产线以丰富生产经验、标准化工艺，将良率从目前的50%提高到超过99.5%。

2. 材料成本最少降低40%：a) FTO玻璃占据超过1/3的材料成本，即使价格趋势与行业内预测的一致（通过扩大生产规模，FTO玻璃价格从10美元/m²降低至7美元/m²，仅降低10%左右的材料成本）也是远远不够的。必须进一步降低透明导电基底的价格，甚至开发更廉价的透明导电基底以满足成本的需求。b) 通过调控各层厚度(如寻找最佳C₆₀电子传输层和ITO电极厚度)和提高材料的利用率以减少材料用量。c) 开发新型的电子传输材料，开发高新能SnO₂等廉价的无机材料作为电子传输层代替C₆₀。

3. 摆脱真空设备依赖：a) 考虑到设备构成中真空设备的占比高、其高昂的价格和高耗电量，减少真空工艺，开发更廉价、更高效的薄膜沉积方式成为降低成本的关键途径；b）推动 RPD、ALD、热蒸发和磁控溅射等真空设备的国产化，通过规模效应能有效降低成本，根据预测，产线规模扩大，单瓦设备投资有望降低60%-70%。

图2. 资本投入和材料的降本边际效应：即使设备投资为0，成本仍高于晶硅组件；材料受限于上游供应链，降本空间有限。

度电成本能否低于晶硅，是钙钛矿能否取代晶硅的终极问题。对此，研究团队进一步探究钙钛矿组件的度电成本随效率、良率和组件寿命的变化以及预计实现的时间。分别计算了三种条件下的度电成本：

1.当前情况：15%效率、50%良率和5年左右的组件寿命，对应18-22美分/kWh（晶体硅为3美分/kWh），无法用于光伏电站，制造出的组件仅适用于示范项目和商业展示。

2.情景1：20%效率、90%良率和15年左右的组件寿命，LCOE降至5-7美分/kWh，瞄准不同于晶硅的特定市场如柔性电子、车顶光伏和室内光伏等。这一目标有望在2030年前后实现，但稳定性的提高仍是一个急需解决的的问题。

3.情景2：25%效率、99.5%良率和25年左右的组件寿命，LCOE有望降低至3 美分/kWh，这种情况下钙钛矿组件能与晶硅组件正面竞争，有望取代晶硅成为市场中下一代主流光伏产品。当前效率和稳定性取得的成就还没能为实现这一度电成本带来曙光，为尽快达到这一度电成本目标，需要以机理研究为地基，以创新性思维引导新材料的开发，而非追求有效面积不断减小、数字不断增加的效率记录。