鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）憑借高效率、低成本及廣泛的應用潛力，已成為光伏領域的研究熱點，在光伏領域顯示出巨大的商業(yè)化潛力。然而，大面積鈣鈦礦太陽能電池的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）與穩(wěn)定性仍未達到產(chǎn)業(yè)化要求，核心瓶頸在于大面積鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量管控—小面積與大面積薄膜的質(zhì)量差異，美能鈣鈦礦復合式MPPT測試儀采用AAA級LED太陽光模擬器作為老化光源，可通過多種方式對電池進行控溫并控制電池所處的環(huán)境氛圍，進行長期的穩(wěn)定性能測試。

本文系統(tǒng)綜述了從小面積到大面積鈣鈦礦薄膜制備過程中的關鍵挑戰(zhàn)與技術進展，重點圍繞溶液沉積方法、組件設計與穩(wěn)定性等方面展開分析。

從材料優(yōu)勢到規(guī)模化難題

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a）過去十年間小面積PSCs與c-Si電池的PCE性能進展對比；b）PSCs與c-Si電池的PCE隨活性面積變化的規(guī)律

大面積鈣鈦礦薄膜制備過程的核心要點

有機-無機雜化鈣鈦礦材料因高吸光系數(shù)、高載流子遷移率及可調(diào)控帶隙，在下一代光伏電池中潛力顯著；其溶液可加工性不僅簡化成膜工藝、降低鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）制備成本，還適配柔性與建筑一體化光伏場景。當前小面積 PSCs（活性面積≤0.1 cm2）功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）達 26.7 %，效率增長超其他光伏技術，有望補充光伏市場。

但規(guī)?；瘯r，PSCs 效率與穩(wěn)定性驟降：活性面積擴至 20cm2 組件時 PCE 從 26% 降至 23%，達商用規(guī)格（6500-14000cm2）時僅 20%；穩(wěn)定性上，小面積電池 50℃下可穩(wěn)定運行 8200h 以上，大面積組件 1000h 即衰減 20%。核心癥結是規(guī)模化制備的鈣鈦礦薄膜質(zhì)量差，溶劑去除慢致成核密度低，濕膜久存引發(fā)流體動力學問題，且揮發(fā)性溶劑雖促脫濕卻降低結晶質(zhì)量。

大面積鈣鈦礦薄膜的溶液沉積方法

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不同方法制備鈣鈦礦薄膜的工藝示意圖

旋涂法

旋涂是實驗室制備高性能小面積PSCs的常用方法，通過離心力和抗溶劑處理可實現(xiàn)快速溶劑揮發(fā)和高密度成核。然而，旋涂在大面積制備中存在材料利用率低、薄膜均勻性差、無法連續(xù)生產(chǎn)等問題，不適用于工業(yè)化放大。

可擴展涂布技術

刮涂法:通過調(diào)節(jié)刀口間隙、涂布速度、溶液濃度等參數(shù)控制薄膜厚度與質(zhì)量。其主要挑戰(zhàn)包括濕膜斷裂、溢流和氣泡等問題。通過基板預熱、氣刀輔助、真空閃蒸等手段可促進溶劑揮發(fā)，提升薄膜均勻性。例如，在70–145°C預熱基板上刮涂可獲得均勻薄膜，實現(xiàn)205 cm2組件15.3%的效率。

狹縫涂布法：具備連續(xù)供液能力，適合大面積連續(xù)生產(chǎn)。通過調(diào)控涂布速度、流量和粘度，結合氣刀、基板加熱和真空閃蒸等技術，可實現(xiàn)均勻薄膜沉積。例如，采用局部過飽和墨水策略和低溫基板生長技術，成功制備出14.61 cm2組件，認證效率達22.73%。

噴涂與噴墨打印：噴涂適用于非平面基底，通過控制液滴尺寸和沉積均勻性可實現(xiàn)大面積覆蓋。電噴涂技術利用強電場促進結晶均勻性，實現(xiàn)1.0 cm2電池20.77%的效率。噴墨打印精度更高，Panasonic公司利用該技術制備802 cm2組件，效率達17.9%。

絲網(wǎng)印刷：圖案靈活、成本低，但對墨水粘度要求高。采用離子液體溶劑可調(diào)節(jié)粘度，實現(xiàn)20.52%的小面積電池效率。

真空蒸發(fā)：可避免溶劑使用，制備致密、高結晶度薄膜，但控制前驅(qū)體蒸發(fā)速率和缺乏老化過程導致效率通常低于溶液法。通過引入氯元素優(yōu)化前驅(qū)體合金化，可將FAPbI?薄膜效率提升至24.42%。

不同制備方法對比

不同制備方法制備的鈣鈦礦電池效率與穩(wěn)定性對比

對比了不同制備方法的效率與穩(wěn)定性表現(xiàn)，顯示狹縫涂布在大面積應用中具有最佳平衡性。

從薄膜到組件的挑戰(zhàn)

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效率問題

a）光伏（PV）產(chǎn)業(yè)的 “金三角”—— 成本、效率與壽命；b）晶體硅組件與單結鈣鈦礦太陽能組件（PSMs）在成本、效率及壽命方面的對比；c）度電成本（LCOE）隨組件壽命與效率的變化規(guī)律

不均勻性：大面積薄膜的不均勻性主要源于組分相分離、缺陷分布不均、基底潤濕性差等。通過界面修飾（如仿生界面層、自組裝單分子層）可抑制咖啡環(huán)效應，提升均勻性。

實現(xiàn)高效鈣鈦礦太陽能電池及組件面臨的障礙

組件設計能量損失：激光劃刻（P1–P3）用于子電池串聯(lián)，但會引入死區(qū)與電阻損失。優(yōu)化子電池寬度與劃刻間距可平衡幾何填充因子與電阻損失。雙面結構可提升光吸收，但需優(yōu)化背電極設計以降低陰影損失。

穩(wěn)定性問題

PSM電池面臨的嚴重穩(wěn)定性問題

大面積組件的穩(wěn)定性挑戰(zhàn)包括：

鈣鈦礦層不穩(wěn)定性：光、熱、偏壓等外部刺激導致離子遷移、相分離、分解；

組件相關不穩(wěn)定性：劃刻通道導致離子擴散、金屬電極腐蝕、局部陰影引發(fā)熱斑；

封裝技術：玻璃-玻璃封裝結合彈性密封劑可有效阻隔水氧，提升耐久性。

目前，大面積PSMs的穩(wěn)定性仍難以滿足ISOS標準，需進一步開發(fā)穩(wěn)定功能層與封裝方案。

本文系統(tǒng)分析了溶液法制備大面積鈣鈦礦薄膜的挑戰(zhàn)與策略。可擴展方法與旋涂在成核和生長機制上存在本質(zhì)差異：溶劑蒸發(fā)慢導致成核延遲，晶體生長受反應控制，導致晶粒不均勻。通過溶劑定制（揮發(fā)性與配位性平衡）、添加劑調(diào)控（流體動力學、結晶、缺陷鈍化）和界面修飾，可提升薄膜質(zhì)量。當前大面積PSMs的商業(yè)化仍面臨效率、均勻性和穩(wěn)定性三大挑戰(zhàn)。未來需深入研究量產(chǎn)過程中的成核與生長機制，開發(fā)新型制備技術（如真空蒸發(fā)、兩步法），優(yōu)化功能層和封裝工藝，以實現(xiàn)鈣鈦礦太陽能技術的規(guī)模化應用。

鈣鈦礦復合式MPPT測試儀

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美能鈣鈦礦復合式MPPT測試儀采用A+AA+級LED太陽光模擬器作為老化光源，以其先進的技術和多功能設計，為鈣鈦礦太陽能電池的研究提供了強有力的支持。 3A+光源，光源壽命10000h+，真實還原各場景實際光照條件

可選配恒溫恒濕箱，滿足IS0S標準

多型號電子負載可選，多通道獨立運行

不同波段光譜輸出可調(diào)：7.350-400nm/400-750nm/750-1150nm均獨立可控

美能鈣鈦礦復合式MPPT測試儀主要應用于成品鈣鈦礦單結，疊層成品電池穩(wěn)定性測試。由于鈣鈦礦電池的輸出特性易受光照、溫度等環(huán)境因素影響，其最大功率點會頻繁波動。MPPT控制器通過實時追蹤并鎖定最大功率點，能確保系統(tǒng)始終以最優(yōu)功率輸出。這不僅能最大化發(fā)電量，還能提升整個光伏系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。

原文參考：Fabricating Perovskite Films for Solar Modules from Small to Large Scale

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