上交韩礼元等：钙钛矿太阳电池的成本效益能超过晶硅电池吗？

研究背景

钙钛矿太阳电池作为极具潜力的下一代太阳电池候选者收到了广泛的关注，然而过去的研究大都只关注效率和稳定性的问题而忽视了钙钛矿太阳电池能否产业化的关键指标——成本。近年来，晶硅组件成本大幅下降，最新价格接近0.1美元/瓦。同时，钙钛矿产业蓬勃发展，中国已经成立了数百家钙钛矿太阳电池企业，其中有数十家已经在建和建成了百兆瓦级的产线。基于此，有必要对钙钛矿太阳电池进行技术经济分析，以探究是否能在发电成本上胜过晶硅太阳电池。

Cost Effectivities Analysis of Perovskite Solar Cells: Will it Outperform Crystalline Silicon Ones？

Yingming Liu, Ziyang Zhang, Tianhao Wu, Wenxiang Xiang, Zhenzhen Qin, Xiangqian Shen, Yong Peng, Wenzhong Shen, Yongfang Li, Liyuan Han*

Nano-Micro Letters (2025)17: 219

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01744-x

本文亮点

1. 当前成本较高：钙钛矿组件目前的制造成本经计算为0.57 美元/瓦，远高于硅太阳电池的制造成本。

2. 材料成本占比巨大：成本效益分析表明，材料成本占总成本的 70%，资金成本和其他成本分别占比近 15%。]

3. 高效率和稳定性是关键：在效率达到 25%、使用寿命为 25 年，以及材料和设备成本降低等条件下，钙钛矿组件的成本有潜力低于晶硅组件。

内容简介

钙钛矿太阳电池的商业化已引起全球关注，除效率和稳定性以外，决定钙钛矿太阳电池能否真正实用化的另一关键问题是成本。上海交通大学韩礼元教授团队基于当前钙钛矿太阳电池的产业化状况，对钙钛矿太阳电池进行了技术和成本分析。

通过对现有工艺的分析，钙钛矿太阳电池的制造成本和度电成本经估算分别为0.57美元/瓦和18-22美分/千瓦时，其中材料成本占总成本的70%。敏感性分析表明，效率和良率的提高以及材料成本的降低会显著降低组件成本。对组件成本和度电成本的分析表明，在未来组件效率超过25%且使用寿命达25年的条件下，钙钛矿太阳电池有潜力超越硅太阳电池。为实现这一目标，必须进一步优化组件中各层的制造工艺，开发稳定的无机传输材料，并在微观和纳米尺度上精确控制材料的形成和加工过程，以增强电荷传输。此外，通过对效率和稳定性的分析，预测实现25%的效率和25年的寿命可能花费超过十年的时间，这表明未来钙钛矿太阳电池还需要更多的努力。这项工作为消除产业和学术界的认知差异、促进产学合作提供了帮助，针对成本问题，从科学层面提出可能的技术要求和解决方法，为行业的发展指明方向。

图文导读

I 计算依据与组件制造工艺

图1. 钙钛矿太阳能模组示意图。

成本的计算基于当前的行业趋势和市场研究。如图1所示，我们选择了在中国钙钛矿光伏公100兆瓦的生产线中广泛应用的反式钙钛矿组件作为成本分析的对象。通过对目前光伏展会展出的产品以及相关论文的调研，我们将效率设定为15%，组件寿命为5年，制造良率为50%。组件制造流程如图2所示。

图2. 钙钛矿太阳能模块制造工艺流程图。(1. FTO玻璃在P1激光划线前清洁；2. P1激光划线；3. P1激光划线后的FTO玻璃清洁；4. 磁控溅射沉积NiOₓ；5. UV/Plasma激活NiOₓ；6. 狭缝涂布钙钛矿；7. 真空干燥；8. 通过热蒸发沉积C₆₀；9. 通过反应等离子体沉积(RPD)沉积SnOₓ；10. P2激光划线；11. 通过热蒸发沉积Cu和通过磁控溅射沉积ITO；12. P3激光划线；13. P4激光边缘清洁；14. 封装；15. 测试。)

II 钙钛矿组件的制造成本和灵敏度分析

图3. 100 MW生产线的制造成本明细。 (a) 材料成本明细(“Other Materials”包括POE、背玻璃、铝框架、丁基橡胶和接线盒)；(b) 制造设备的资本投资明细(其他设备包括传送带、机械臂、测试设备等)；(c) 其他相关费用细目；(d) 总体制造成本明细。

图3a 展示了材料成本的明细。除了 “Other Materials” 之外，最昂贵的是FTO玻璃，占材料总成本的 35%，其次是ITO和C₆₀，分别占比 11.5% 和 7.4%，这三种材料占材料总成本的一半以上。值得注意的是，钙钛矿层本身的成本仅占约6%。设备投资如图3b 所示。根据光伏企业的信息，100兆瓦产线投资约2000 万美元。其中真空设备的投资占比最大，超过50%，原因在于真空设备价格昂贵。考虑到设备的折旧期为5年，设备摊销成本估算约为每瓦0.092美元。图3c展示了其他成本支出，经计算约为每瓦0.088美元。其中，电费成本占总成本的近60%，是最大的支出项。这是因为制造过程中对真空设备的过度依赖。材料成本、资金成本和其他成本的占比如图3d所示。材料成本占制造成本的近70%，而资金成本和其他成本几乎相等，各占约15%。该组件的总制造成本估算为每瓦0.57 美元，远高于晶硅组件的制造成本。

图4. 效率和良率对制造成本的灵敏度分析。

接下来我们对效率和良率进行了灵敏度分析以探究效率和良率如何影响制造成本，结果如图4所示。提高效率和良率都能降低钙钛矿组件的成本。然而即使效率和良率分别达到 25% 和 98%，钙钛矿组件成本仍然高于晶硅组件的成本(每瓦 0.1 美元)。这意味着，在当前技术水平下，仅通过提高钙钛矿组件的效率和良率，要使其在成本方面超越晶硅组件是极其困难的，还应考虑材料和设备对成本的影响。为便于后续的材料和设备成本的讨论，设定以下三种情况进行灵敏度分析：

现状：效率为 15%、良率为 50%，制造成本为每瓦 0.571 美元；

情景1：效率 20%、良率 90%，对应的制造成本为每瓦 0.238 美元；

情景2：效率 25%、良率 98%，对应的制造成本为每瓦 0.175 美元。

图5. 制造成本灵敏度分析。 a 设备投资对制造成本的影响； b 材料成本对制造成本的影响。

如图5a所示，扩大制造规模能够大幅降低设备投资。但降低设备投资对制造成本降低的效果并不显著，因为资金成本在总成本中所占比例较小(约 15%)。设备折旧完毕后，相对于晶硅组件，钙钛矿组件仍无法展现出成本优势。图5b展示了对材料成本的敏感性分析。结果表明，降低材料成本能够有效降低总成本，因为材料成本占总成本的70%。在当前情况下，即使材料成本降至零，剩余成本仍为每瓦 0.18 美元。为了使钙钛矿组件的成本低于晶硅组件的成本，在情景 1 和情景 2 中，材料成本分别需要降低 80% 和 60%。如此大幅度的成本削减显然难以实现。

论文进一步讨论了钙钛矿组件成本能够低于晶硅的情况，进一步调整并综合考虑了各项成本要素，发现在组件效率为25%、良率为99.5%，且材料成本、设备成本和电费成本分别降低 40%、50% 和 30% 的条件下，制造成本将降至每瓦约0.1美元，几乎与晶硅组件的成本相当。因此，我们将这一新条件作为情景 2，用于后续的度电成本计算。

III 钙钛矿组件度电成本分析

图6. 现状、情景1和情景2条件下，钙钛矿组件的度电成本估算。

如图6所示，现状使用寿命为3-6年以内的钙钛矿组件度电成本18-22美分/千瓦时(红色区域)，是晶硅组件7倍以上。因此此类组件无法用于电站发电，可能仅适用于示范项目。效率为 20%、良率为 90%(情景 1)且使用寿命为15年左右的组件的度电成本为5 -7美分/千瓦时(黄色区域)，仍高于晶硅。尽管这一成本的钙钛矿组件用于光伏电站仍然很困难，不过，考虑到钙钛矿太阳电池具有重量轻、可弯曲等特点，其可能适用于一些特定的市场，比如柔性便携式能源系统以及车顶光伏系统等。对于情景2，为了使发电成本低于或等于晶硅组件(绿色区域，每千瓦时3美分)，需要达到 99.5% 的良率、25% 的组件效率以及25年的使用寿命。鉴于目前的效率和稳定性进展，可能需要4-5年的时间实现情景1。而实现情景2目标可能需要超过15年的时间。因为25%的组件效率可能要求28%的电池效率，对应超过1.23 V的开路电压(VOC)、27 mA/cm2的短路电流(JSC)以及 86% 的填充因子。尽管这些参数已分别有相关报道，但研究的关键是如何同时实现这些参数。提高光吸收材料对入射光子能量的捕获率以及减弱光生载流子的非辐射复合是提高效率的关键。但最近的效率提升情况表明，钙钛矿太阳电池的效率趋于饱和。另外，将使用寿命从 10年提高到 25 年是一项极具挑战性的任务，钝化处理和阻挡层可以用来阻止离子向外迁移，但钙钛矿层中由离子迁移引起的相分离会更加复杂，需要更多的技术创新。

IV 总结

图7. 技术路线图：如何使钙钛矿成本低于晶硅组件。

这篇论文调查了当前钙钛矿太阳电池的产业现状，基于此计算了当前钙钛矿太阳能组件的制造成本为0.57 美元/瓦，远超晶硅组件的制造成本。研究发现，高成本的原因之一是目前组件的低效率和良率。当效率和良率提高时，钙钛矿成本制造成本有望降低到当前的成本的1/3，但仍高于晶硅。因此，只提高效率良率，不能在成本上战胜晶硅，必须降低材料和设备成本。当材料和设备成本降低时，随着效率达到25%、寿命达到25年，钙钛矿有望实现低于晶硅的度电成本。但考虑到提高效率和稳定性的难度，这一目标的实现可能需要15年以上的时间。情景1是一个更现实的目标，这一条件下的度电成本可能在某些特定市场被接受，如移动电子设备、玩具、透明设备以及室内应用等领域。基于上述成本效益分析，我们提出了未来技术研发的路线图(图7)，并列举了在降低钙钛矿组件度电成本方面面临的一些挑战。作者希望相关问题的提出有助于学术界了解到产业界面临的真实问题，加速钙钛矿太阳电池的商业化。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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