大面积钙钛矿太阳能电池薄膜制备：从实验室到规模化量产

 

钙钛矿太阳能电池（PSCs）凭借高效率、低成本及广泛的应用潜力，已成为光伏领域的研究热点，在光伏领域显示出巨大的商业化潜力。然而，大面积钙钛矿太阳能电池的功率转换效率（PCE）与稳定性仍未达到产业化要求，核心瓶颈在于大面积钙钛矿薄膜的质量管控—小面积与大面积薄膜的质量差异，美能钙钛矿复合式MPPT测试仪采用AAA级LED太阳光模拟器作为老化光源，可通过多种方式对电池进行控温并控制电池所处的环境氛围，进行长期的稳定性能测试。
 

本文系统综述了从小面积到大面积钙钛矿薄膜制备过程中的关键挑战与技术进展，重点围绕溶液沉积方法、组件设计与稳定性等方面展开分析。

从材料优势到规模化难题

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a）过去十年间小面积PSCs与c-Si电池的PCE性能进展对比；b）PSCs与c-Si电池的PCE随活性面积变化的规律
 

大面积钙钛矿薄膜制备过程的核心要点

有机-无机杂化钙钛矿材料因高吸光系数、高载流子迁移率及可调控带隙，在下一代光伏电池中潜力显著；其溶液可加工性不仅简化成膜工艺、降低钙钛矿太阳能电池（PSCs）制备成本，还适配柔性与建筑一体化光伏场景。当前小面积 PSCs（活性面积≤0.1 cm²）功率转换效率（PCE）达 26.7 %，效率增长超其他光伏技术，有望补充光伏市场。

但规模化时，PSCs 效率与稳定性骤降：活性面积扩至 20cm² 组件时 PCE 从 26% 降至 23%，达商用规格（6500-14000cm²）时仅 20%；稳定性上，小面积电池 50℃下可稳定运行 8200h 以上，大面积组件 1000h 即衰减 20%。核心症结是规模化制备的钙钛矿薄膜质量差，溶剂去除慢致成核密度低，湿膜久存引发流体动力学问题，且挥发性溶剂虽促脱湿却降低结晶质量。

大面积钙钛矿薄膜的溶液沉积方法

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不同方法制备钙钛矿薄膜的工艺示意图

旋涂法

旋涂是实验室制备高性能小面积PSCs的常用方法，通过离心力和抗溶剂处理可实现快速溶剂挥发和高密度成核。然而，旋涂在大面积制备中存在材料利用率低、薄膜均匀性差、无法连续生产等问题，不适用于工业化放大。

可扩展涂布技术

刮涂法:通过调节刀口间隙、涂布速度、溶液浓度等参数控制薄膜厚度与质量。其主要挑战包括湿膜断裂、溢流和气泡等问题。通过基板预热、气刀辅助、真空闪蒸等手段可促进溶剂挥发，提升薄膜均匀性。例如，在70–145°C预热基板上刮涂可获得均匀薄膜，实现205 cm²组件15.3%的效率。

狭缝涂布法：具备连续供液能力，适合大面积连续生产。通过调控涂布速度、流量和粘度，结合气刀、基板加热和真空闪蒸等技术，可实现均匀薄膜沉积。例如，采用局部过饱和墨水策略和低温基板生长技术，成功制备出14.61 cm²组件，认证效率达22.73%。

喷涂与喷墨打印：喷涂适用于非平面基底，通过控制液滴尺寸和沉积均匀性可实现大面积覆盖。电喷涂技术利用强电场促进结晶均匀性，实现1.0 cm²电池20.77%的效率。喷墨打印精度更高，Panasonic公司利用该技术制备802 cm²组件，效率达17.9%。

丝网印刷：图案灵活、成本低，但对墨水粘度要求高。采用离子液体溶剂可调节粘度，实现20.52%的小面积电池效率。

真空蒸发：可避免溶剂使用，制备致密、高结晶度薄膜，但控制前驱体蒸发速率和缺乏老化过程导致效率通常低于溶液法。通过引入氯元素优化前驱体合金化，可将FAPbI₃薄膜效率提升至24.42%。

不同制备方法对比

不同制备方法制备的钙钛矿电池效率与稳定性对比

对比了不同制备方法的效率与稳定性表现，显示狭缝涂布在大面积应用中具有最佳平衡性。

从薄膜到组件的挑战

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效率问题

a）光伏（PV）产业的 “金三角”—— 成本、效率与寿命；b）晶体硅组件与单结钙钛矿太阳能组件（PSMs）在成本、效率及寿命方面的对比；c）度电成本（LCOE）随组件寿命与效率的变化规律

不均匀性：大面积薄膜的不均匀性主要源于组分相分离、缺陷分布不均、基底润湿性差等。通过界面修饰（如仿生界面层、自组装单分子层）可抑制咖啡环效应，提升均匀性。

实现高效钙钛矿太阳能电池及组件面临的障碍

组件设计能量损失：激光划刻（P1–P3）用于子电池串联，但会引入死区与电阻损失。优化子电池宽度与划刻间距可平衡几何填充因子与电阻损失。双面结构可提升光吸收，但需优化背电极设计以降低阴影损失。

稳定性问题

PSM电池面临的严重稳定性问题

大面积组件的稳定性挑战包括：

钙钛矿层不稳定性：光、热、偏压等外部刺激导致离子迁移、相分离、分解；

组件相关不稳定性：划刻通道导致离子扩散、金属电极腐蚀、局部阴影引发热斑；

封装技术：玻璃-玻璃封装结合弹性密封剂可有效阻隔水氧，提升耐久性。

目前，大面积PSMs的稳定性仍难以满足ISOS标准，需进一步开发稳定功能层与封装方案。

本文系统分析了溶液法制备大面积钙钛矿薄膜的挑战与策略。可扩展方法与旋涂在成核和生长机制上存在本质差异：溶剂蒸发慢导致成核延迟，晶体生长受反应控制，导致晶粒不均匀。通过溶剂定制（挥发性与配位性平衡）、添加剂调控（流体动力学、结晶、缺陷钝化）和界面修饰，可提升薄膜质量。当前大面积PSMs的商业化仍面临效率、均匀性和稳定性三大挑战。未来需深入研究量产过程中的成核与生长机制，开发新型制备技术（如真空蒸发、两步法），优化功能层和封装工艺，以实现钙钛矿太阳能技术的规模化应用。

钙钛矿复合式MPPT测试仪

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美能钙钛矿复合式MPPT测试仪采用A+AA+级LED太阳光模拟器作为老化光源，以其先进的技术和多功能设计，为钙钛矿太阳能电池的研究提供了强有力的支持。 3A+光源，光源寿命10000h+，真实还原各场景实际光照条件

可选配恒温恒湿箱，满足IS0S标准

 

 

 多型号电子负载可选，多通道独立运行

 

 

不同波段光谱输出可调：7.350-400nm/400-750nm/750-1150nm均独立可控

 

 

美能钙钛矿复合式MPPT测试仪主要应用于成品钙钛矿单结，叠层成品电池稳定性测试。由于钙钛矿电池的输出特性易受光照、温度等环境因素影响，其最大功率点会频繁波动。MPPT控制器通过实时追踪并锁定最大功率点，能确保系统始终以最优功率输出。这不仅能最大化发电量，还能提升整个光伏系统的工作稳定性和经济性。

原文参考：Fabricating Perovskite Films for Solar Modules from Small to Large Scale

 

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