稳态效率高达17.2%！大面积钙钛矿组件制备及IEC61215验证

 

钙钛矿光伏在生产成本、能量转换效率及规模化应用上具备显著优势，是极具商业化潜力的光伏技术。但该技术商业化仍面临三大关键障碍：制造过程依赖有毒溶剂、大面积钙钛矿薄膜质量不均、长期运行可靠性不足。美能温湿度综合环境试验箱专为验证评估组件或材料的可靠性，能达到快速升温降温，提升测试效率，满足IEC61215等标准。

为破解这些难题，研究团队开发了以γ-戊内酯/2-甲基四氢呋喃/二甲基亚砜为核心的绿色溶剂墨水，并创新提出溶剂限制边缘保护（SCEP）策略，成功在环境空气条件下实现低缺陷钙钛矿薄膜的规模化制备，所产7200 cm²组件经认证稳态效率达17.2 %，且通过全部IEC61215可靠性标准，为钙钛矿光伏的商业化提供了环境友好且技术可行的路径。

用于狭缝涂布的绿色溶剂

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(A)钙钛矿薄膜的示意图;(B)制备钙钛矿薄膜的截面SEM图;(C)VCD处理后中间相钙钛矿薄膜的XRD图谱;(D)等压气液平衡图;(E)FTIR光谱;(F)¹H-NMR光谱;(G)显示GVL和2-MeTHF与钙钛矿配位的示意图

本研究创新性地采用γ-戊内酯、2-甲基四氢呋喃和二甲基亚砜构成三元绿色溶剂体系。其中，2-MeTHF是关键组分，它来源于可再生生物质，生物毒性低，且其较高的挥发性有助于调节整个溶剂体系的蒸发动力学。

该体系能有效溶解FA₀.₉₅Cs₀.₀₅PbI₃钙钛矿前驱体，并在真空干燥过程中促进均匀、快速的溶剂脱除，从而在120cm×60cm的大面积基板上形成高结晶质量、缺陷极少且与基底界面结合良好的钙钛矿薄膜。

溶剂限制边缘保护（SCEP）策略

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(A) 对照和SCEP钙钛矿墨水液滴的接触角图像;(B) 钙钛矿湿膜溶剂蒸发的示意图;基于太赫兹测量的对照 (C) 和SCEP (D) 钙钛矿薄膜的自由载流子动力学;(E) 基于太赫兹分析的对照和SCEP钙钛矿薄膜的迁移率（左）和扩散长度（右）; (F)XRD图谱; (G)稳态PL光谱 ;(H)时间分辨PL衰减曲线

在大面积涂布过程中，溶剂在气-固-液界面的自发挥发易导致薄膜边缘结晶缺陷，严重影响组件整体性能。为此，研究团队提出SCEP策略，在钙钛矿墨水中添加三甲基十四烷基氯化铵（TAC）表面活性剂：

TAC兼具亲水与疏水官能团，可在溶液表面自组装，调节墨水表面张力与结晶动力学，抑制边缘区域溶剂快速挥发，实现全膜均匀挥发；

借助表面活性剂诱导的马兰戈尼效应，TAC能平衡溶液从表面到本体的流动，大幅提升大面积薄膜的边缘质量，延长涂布工艺窗口。

测试表明，SCEP策略制备的钙钛矿薄膜载流子迁移率达67 cm²V⁻¹s⁻¹，扩散长度为0.54μm，均显著优于对照组（分别为42 cm²V⁻¹s⁻¹和0.48 μm），且载流子寿命更长，非辐射复合减少，结晶质量与均匀性大幅提升。

薄膜与光伏组件性能

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(A)组件实物图像; (B)PLmapping; (C)ELmapping ;(D) 冠军的20.25cm²、1017.5cm²和7200cm²组件的有效面积效率对比;(E) 对照和SCEP组件中心与边缘区域的积分Jsc值对比;(F) 对照和SCEP组件总面积模块PCE的统计直方图;(G) 总面积7200cm²的性能最佳对照和SCEP组件的J-V曲线;(H) NREL认证的组件在360秒内的稳定Pmax、Imax和Vmax曲线图

钙钛矿光伏组件采用FTO / NiOₓ / 钙钛矿 / C₆₀/ SnO₂/ Cu结构，其中钙钛矿层通过狭缝式涂布与真空腔干燥（VCD）工艺在环境条件下制备，其他功能层采用真空沉积法完成，后续经激光刻划、电极沉积与封装等步骤成型。

通过系统优化2-MeTHF含量（50 %体积分数）与TAC浓度（0.2 g/L），组件性能达到最佳水平：

小面积（20.25 cm²）与中面积（1017.5 cm²）SCEP组件的冠军功率转换效率（PCE）分别达21.9 %和21.4 %，对应的活性区域效率为22.6 %和22.1 %；

总面积7200 cm²的商业化规模组件，实验室测试PCE达18.0 %，经NREL认证的稳态效率为17.2 %，活性区域效率达20.7 %，面积扩大后性能衰减极小，展现出优异的规模化潜力。

光致发光（PL）与电致发光（EL）mapping测试显示，SCEP组件的辐射发射更均匀，单日生产的127个组件输出功率呈正态分布，平均功率达125 W，性能重现性良好。

钙钛矿光伏组件可靠性测试表现

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(A) 连续最大功率点跟踪（MPPT）测试结果;(B)UV预处理测试结果;(C) 热循环测试结果;(D) 湿热测试结果;(E) 温度系数对比；Al-BSF铝背场；PERC钝化发射极和背面电池；SHJ硅异质结；TC温度系数； (F) 热斑耐久测试结果; (G)PID测试结果

该组件通过了IEC 61215:2021标准规定的全部测试项目，展现出卓越的运行稳定性：

连续1050小时最大功率点跟踪（MPPT）测试中，组件在60-65 ℃、30 %-50 %湿度环境下仍保留97.2 %的初始效率，而对照组衰减近20 %；

经36 kWh/m²紫外辐照后，组件性能保留率达96.1 %，远超标准要求；-40 ℃至85 ℃热循环200次后无明显衰减，85 ℃、85 %相对湿度的湿热环境下1000小时仍维持100 %初始效率；

热点耐久性测试中，组件经3小时遮挡后效率降至87.6 %，遮挡移除后可完全恢复；施加±1500 V高压90小时以上的潜在诱导衰减（PID）测试中，性能无显著退化。

此外，该组件的效率温度系数仅为-0.11 %/℃，优于传统晶体硅组件（-0.29 %至-0.39 %/℃）。户外电站实测显示，2024年10月至2025年8月期间，组件输出稳定，夏季温度超过30 ℃时，发电量优于隧穿氧化层钝化接触（TOPCon）硅基组件，展现出强大的实际应用竞争力。

本研究通过设计由2-MeTHF、GVL和DMSO组成的绿色溶剂体系，精准调控溶剂配位与蒸发动力学，开发了环保钙钛矿墨水。为实现大规模制备，引入表面活性剂TAC以均化溶剂挥发并提升钙钛矿结晶均匀性，在商业级组件上获得17.2%认证效率，并满足所有IEC 61215可靠性标准。通过以可持续配方替代有毒溶剂，我们在保持高性能的同时解决了环境与可扩展性挑战。此外，SCEP策略与优化的溶剂挥发性协同作用，实现了米级薄膜均匀性，克服了传统方法的关键限制。

美能温湿度综合环境试验箱

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美能温湿度综合环境试验箱采用进口温度控制器，能够实现多段温度编程，具有高精确度和良好的可靠性，满足不同气候条件下的测试需求。

温度范围：20℃~+130℃

温湿度范围：10%RH~98%RH(at+20℃-+85℃）

满足试验标准：IEC61215、IEC61730、UL1703等检测标准

美能温湿度综合环境试验箱通过精确控制紫外辐照剂量与85°C/85%RH的湿热环境，为钙钛矿光伏组件的可靠性评估提供了关键测试条件。基于该设备执行的测试表明，采用绿色溶剂与边缘调控策略制备的组件在累计36 kWh·m⁻²紫外辐照后仍保持96.1%的初始性能，并在85°C/85%RH条件下持续1000小时后未出现性能衰减。这些结果验证了该组件在严苛环境下的高可靠性，为其商业化应用提供了扎实的实验依据。

 

 

原文参考：Improved solvent systems for commercially viable perovskite photovoltaic modules

 

 

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