太阳能光伏电池（简称光伏电池）用于把太阳的光能直接转化为电能。近年来，中国致力于推进能源可持续发展，组织可再生能源和新能源的开发利用，组织指导能源行业的能源节约、能源综合利用和环境保护的工作。为此陆续出台了多项政策支持光伏电池行业发展，为光伏电池行业发展提供了广阔的市场前景，为企业提供了良好的生产经营环境。

目前市场上的光伏器件90%为硅基太阳能电池，实验室最高认证光电转换效率超过26%。此外，还有铜铟镓硒太阳能电池，其成本约为晶体硅太阳电池的1/2~1/3，器件不存在光致衰退问题，由于铟和硒较为稀有，其发展受到限制；砷化镓太阳能电池，理论效率达28%，但成本较高。

钙钛矿材料为由阳离子、金属阳离子和卤素离子组成ABX3晶体结构材料。自2009年首次报道应用钙钛矿结构材料作为光伏电池研究至今，钙钛矿太阳电池取得了长足的进步，成为第三代太阳能电池的代表之一。

钙钛矿太阳能电池因成本低、光电转换效率高，一直是光伏领域的研究热点，其介电常数大，激发能低，在吸收光子后可以产生空穴电子对，并在室温下解离。解离的电子迁移至电子传输层材料的导带，空穴迁移至空穴传输层材料的价带。电子和空穴分别经过电池两侧的透明导电电极和金属电极收集，并产生电流。

目前研究最多的为甲胺铅卤化物(MAPbX3)、甲脒铅卤化物(FAPbX3)、铯铅卤化物(CsPbX3)和铯锡卤化物(CsSnX3)及其它们的混合型钙钛矿材料。

自2013年钙钛矿太阳能电池被Science评为十大年度科学突破后，国内关于钙钛矿太阳能电池的专利申请数量出现明显增长，且保持着较高的年均增量，现国内累积相关专利数量已超过4000件。

其中，绝大多数专利的申请人为高校及科研院所。但近年来，以杭州纤纳光电等新能源企业为代表，愈来愈多的企业开始着手在钙钛矿太阳能电池产业布局专利。杭州纤纳光电于2015年成立，2017年开始大量申请钙钛矿太阳能电池相关专利；华能集团2019年钙钛矿太阳能电池相关专利出现爆发式申请；浙江浙能技术研究院有限公司作为浙江能源集团唯一直属的企业研究院，于2018年开始大量申请相关专利；能源龙头企业协鑫集团下属的昆山协鑫光电材料有限公司也申请了数量较多的相关专利。

新能源企业大量申请相关专利，一方面表明钙钛矿太阳能电池具有较为明朗的应用前景，另一方面也表明钙钛矿太阳能电池的产业化出现了曙光，不再是局限于实验室的试验产物。

如前章说到，越来越多的国内企业进入到钙钛矿太阳能电池产业，布局相关专利，推进钙钛矿太阳能电池的产业化。然而，钙钛矿太阳能电池要走向商业化生产，还存在：光电转换效率、器件稳定、降低电池毒性以及克服大规模生产制造等诸多环节的挑战。本章针对上述四点困境，从专利的角度看国内的相关技术发展。

光电转换效率是衡量钙钛矿太阳电池最重要的性能指标，现阶段50%以上的国内钙钛矿太阳能电池相关专利均涉及到提高光电转换效率。

1）界面改进

典型的钙钛矿太阳电池在钙钛矿层上下有均有电荷传输层(电子传输层和空穴传输层)，其传输层与钙钛矿界面处容易形成非辐射复合中心，增加载流子复合和开路电压损失，降低器件的光电转换效率和稳定性。因此，针对接触界面的界面工程被认为是进一步提高光电转换效率的有效途径。

为了达到消除界面缺陷、表面离子缺陷，增大晶粒尺寸，降低接触电阻等效果来提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率，一般通过对不同层的界面的钝化或者修饰。

基于此目的的钙钛矿太阳能电池相关专利的数量呈现逐年稳步上升的趋势，是一大提高光电转化效率的手段。

2）掺杂

通过掺杂是改善材料性质的有效手段，被广泛用于高效、稳定、无回滞的钙钛矿太阳电池制备中，掺杂物可以是盐、聚合物等。通过对掺杂手段，可以显著增大钙钛矿薄膜的晶粒尺寸，降低晶界的电导率，从而使钙钛矿太阳电池的迟滞效应降低，填充因子提高，实现光电转换率的提高，相关专利申请数量保持着稳定上升趋势。

在产业化专利中，新型的掺杂物有：

氢、氧化锌、磺酸亚胺金属盐类化合物（华能新能源）；

抗氧化剂、金属离子与卤素离子形成的稳定剂、离子稳定剂、杂蒽类有机化合物（纤纳光电）；

铯（浙江浙能技术研究院）。

3）叠层设计

叠层设计的钙钛矿太阳能电池具有相比单层更高的光电转换效率，通过叠加不同带隙的太阳能电池，能够很好的吸收不同波长的光，其中多层设计的光电转换率理论值高达47%。主要有与硅电池叠层设计、与铜铟镓硒电池叠层设计。相关专利申请数量也在近几年呈现明显上升趋势。

在这一技术点上，许多企业都有一定的研发，如天合光能设计的TOPCon层硅/钙钛矿太阳电池（CN214505521U）；通威太阳能设计的背接触无掺杂钙钛矿/硅基太阳电池（CN210403774U）、平面无掺杂异质结‑钙钛矿叠层电池（CN210403773U）；协鑫光电设计的钙钛矿/硅/钙钛矿双面入射叠层太阳能电池（CN214176064U）等。

在具体的使用环境中，有机无机杂化金属卤化物钙钛矿容易受到湿度、温度、光照、紫外线等的影响，发生分解使得钙钛矿太阳电池光电转换效率下降，稳定性较差。因此，提高钙钛矿太阳能电池的稳定性以提高使用寿命是钙钛矿太阳能电池面向产业化应用的技术改进点，相关专利的年申请量也保持的稳定上升。

除了对钙钛矿太阳能电池本征材料的改进以外，对电池的封装改进是电池产业化中提高电池稳定性的重要手段。许多企业都在这方面做出一定改进，如浙江浙能技术研究院有限公司通过将总电极单独设置在封装胶外部，并利用透明导电衬底能够导电和传输电子的特性，在避免了封装胶与电极引出部分接触而导致的水氧通过间隙进入封装空间的问题的同时，也不影响电子的传输（CN211529979U）；华能新能源采用玻璃背板对钙钛矿太阳能电池的一次封装，一方面可以隔离湿气和氧气，另一方面增加了封装结构抗滑、擦的能力，避免在使用、操作电池的过程中出现划擦（CN208923201U）；纤纳光电在钙钛矿太阳能电池组件的上方新增了一层惰性保护层提高电池的稳定性与密封性（CN207217595U）；天合光能通过钙钛矿层与金属电极之间设有致密绝缘层提高电池稳定（CN212725372U）。

传统金属卤化物钙钛矿太阳能电池多以ABX ₃ 型钙钛矿作为吸光层材料，其中B位主要为铅离子(Pb ²⁺ )，Pb元素属于重金属元素，有毒性，对环境及人体都是有害的，这与目前社会遵循的绿色发展的主基调相悖。当前主要的解决方案是通过替换钙钛矿材料中的铅元素，一般选择锡元素。无毒的锡离子半径与铅相似，且锡卤钙钛矿具有与铅基钙钛矿相似的光电特性，具有很大的潜力实现高的光电性能。在这一技术点上，相关专利申请人主要为高校及科研院所，产业化相关企业相关专利不多，其中杭州众能光电科技有限公司联合华中科技大学申请的专利CN105514278B通过以 Mg²⁺ 、Ca ²⁺ 、Ba ²⁺ 部分取代现有铅卤钙钛矿材料中的有毒重金属 Pb ²⁺ ，在保证电池各项光电性能的同时，大大降低了对环境和人体的危害。

如何实现大规模生产大面积电池是实现钙钛矿太阳能电池工业化的一大问题。

实验上常用的制备方法主要有两种，一为溶液旋涂法、一为印刷法。但在规模化生成中，现有工艺制备的钙钛矿膜连续性和均匀性不佳，导致太阳能电池各方面性能直线下降，从而限制了大面积钙钛矿膜的制备。因此，对大规模生产大面积电池的工艺探索是非常重要的，相关专利的数量以及年申请增量都在近几年都保持着较高的数值。

相应的，产业化企业也都在这一技术点上有着许多的创新，如：浙江浙能技术研究院有限公司联合浙江天地环保科技有限公司以及中国科学院上海硅酸盐研究所对电池的封装工艺（CN211529978U）、薄膜涂布装置（CN212120635U）、电池层级结构（CN211629135U）进行改进；北京宏泰创新科技有限公司采用浸渍提拉法生成钙钛矿活性层（CN110048002A）；深圳黑晶光电技术有限公司应用真空闪蒸辅助狭缝涂布的钙钛矿薄膜（CN113871538A）；湖北万度光能有限责任公司对丝网印刷技术改进，能够形成超薄的高质量大面积介孔二氧化钛薄膜，用于形成电子传输层（CN110660921A）。

钙钛矿太阳电池制备工艺简单、设备投人小、理论成本低且具有优异的光电性能，有潜力成为下一代的光伏电池的候选者。同时其柔性、透明等特点可应用于未来智能器件和智能建筑、汽车等领域，具有广阔的应用市场空间。

在面向产业化应用的过程中，光电转换效率、电池稳定性、电池毒性以及大规模制备等问题的解决方案不断涌现，相关专利申请数量不断创新高，行业处于快速发展阶段。相信在不久的未来，钙钛矿太阳能电池可以在光伏产业崭露头角，打破现阶段硅基太阳能电池独占的局面。