鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）因其高效率、低成本以及廣泛的應(yīng)用潛力，成為光伏領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，并有望在未來(lái)光伏市場(chǎng)中占據(jù)重要地位。然而，大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）和穩(wěn)定性仍無(wú)法滿(mǎn)足工業(yè)化要求，主要與大面積鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量不理想有關(guān)。北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 周歡萍教授帶領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)，在該領(lǐng)域展開(kāi)了深入研究。在本文中首先剖析了致使小面積與大面積鈣鈦礦薄膜質(zhì)量出現(xiàn)差異的因素，涵蓋溶劑蒸發(fā)過(guò)程、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)以及結(jié)晶動(dòng)力學(xué)等。正是這些因素，使得大面積鈣鈦礦薄膜在形貌、成分、相態(tài)、晶體尺寸與取向等方面呈現(xiàn)出顯著的不均勻性，*終對(duì)其光電性能及穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響。針對(duì)不同的可擴(kuò)展制備工藝，溶劑系統(tǒng)依據(jù)其揮發(fā)性、溶解性以及與鈣鈦礦的配位能力進(jìn)行了定制。此外，團(tuán)隊(duì)還引入了多種添加劑，以進(jìn)一步調(diào)控表面張力變化和中間相演變。 在溶液法制備鈣鈦礦薄膜的過(guò)程中，放大難題尤為突出。文中對(duì)比了刮涂法、狹縫涂布法和噴霧涂布法等大面積制備方法與旋涂法的不同。隨后，依據(jù)成核與晶體生長(zhǎng)的經(jīng)典理論，周歡萍教授團(tuán)隊(duì)對(duì)可擴(kuò)展方法與旋涂法在實(shí)驗(yàn)室小面積器件及大面積器件制備方面的差異展開(kāi)了分析。其主要區(qū)別在于：其一，在可擴(kuò)展技術(shù)中，溶劑蒸發(fā)速率更為緩慢，進(jìn)而引發(fā)成核延遲；其二，晶體生長(zhǎng)過(guò)程更多地依賴(lài)于反應(yīng)而非擴(kuò)散，致使晶粒生長(zhǎng)呈現(xiàn)出不規(guī)則狀態(tài)。文章亦回顧了近期團(tuán)隊(duì)旨在改善液膜流動(dòng)、調(diào)控鈣鈦礦成核與結(jié)晶所進(jìn)行的嘗試，諸如采用氣刀輔助、基板加熱，以及混合揮發(fā)性與配位性溶劑等手段。這些“溶劑定制”策略通過(guò)調(diào)控鈣鈦礦晶體的成核和生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，有效降低了缺陷密度并優(yōu)化了晶體取向，從而提升了薄膜質(zhì)量。要實(shí)現(xiàn)大面積、均勻且高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜，需要針對(duì)不同的大面積制備技術(shù)優(yōu)化溶劑體系和鈣鈦礦成分。此外，文章還探討了不同添加劑和界面修飾對(duì)薄膜形成過(guò)程中熱力學(xué)、晶體生長(zhǎng)和缺陷鈍化的影響。 商業(yè)領(lǐng)域中大面積鈣鈦礦器件所面臨的主要挑戰(zhàn)聚焦于光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）與穩(wěn)定性方面。為了降低成本并提高競(jìng)爭(zhēng)力，未來(lái)的研究需要解決以下問(wèn)題： **，當(dāng)前大規(guī)模鈣鈦礦太陽(yáng)能模塊（PSMs）的效率仍落后于晶體硅模塊。例如，面積達(dá)13177平方厘米的鈣鈦礦太陽(yáng)能模塊，其效率僅為24.4%。從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模到大面積生產(chǎn)的過(guò)渡是關(guān)鍵。周歡萍教授團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，鑒于反應(yīng)與擴(kuò)散過(guò)程極為劇烈，致使晶體質(zhì)量的控制難度大幅增加，因此需要更好地理解大規(guī)模生產(chǎn)中溶液到固相成核和晶體生長(zhǎng)的機(jī)制。不受控的結(jié)晶現(xiàn)象會(huì)致使鈣鈦礦薄膜產(chǎn)生小晶粒、光活性相純度低、取向不佳以及表面不平整等問(wèn)題。切實(shí)有效的應(yīng)對(duì)策略是引入適宜的電子供體或受體，以此來(lái)調(diào)控AX和BX?組分之間的反應(yīng)速率。 第二，借助溶液涂覆方式制備的大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能模塊（PSMs），因鈣鈦礦層不均勻，致使產(chǎn)率較低，尤其是在米級(jí)規(guī)格的制備過(guò)程中。盡管真空蒸發(fā)、兩步涂覆等替代技術(shù)正處于探索階段，但這些技術(shù)依然面臨產(chǎn)率低下的問(wèn)題。真空蒸發(fā)法規(guī)避了有機(jī)溶劑的使用，對(duì)制備均勻且穩(wěn)定的鈣鈦礦薄膜具有一定優(yōu)勢(shì)，然而，由于該方法缺乏中間相轉(zhuǎn)變以及奧斯特瓦爾德熟化過(guò)程，進(jìn)而導(dǎo)致所生成的晶粒較小，晶體質(zhì)量欠佳。兩步法通過(guò)先涂覆PbX?模板，隨后沉積AX陽(yáng)離子層，將薄膜形成階段與反應(yīng)階段予以分離，這一舉措顯著提升了薄膜的均勻性，不過(guò)，該方法也面臨著反應(yīng)不完全以及雙層沉積工藝復(fù)雜度提升等問(wèn)題。這些技術(shù)仍有待進(jìn)一步深入發(fā)展與完善。 第三，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSM）難以通過(guò)國(guó)際太陽(yáng)能光伏標(biāo)準(zhǔn)（ISOS）的檢驗(yàn)，無(wú)法滿(mǎn)足商業(yè)穩(wěn)定性要求。周歡萍教授團(tuán)隊(duì)指出需要進(jìn)一步探索并優(yōu)化穩(wěn)定的功能層以及封裝技術(shù)。首要的是，研發(fā)更為穩(wěn)定的鈣鈦礦組件與功能層至關(guān)重要。以制備高質(zhì)量的FAPbI?薄膜為例，其能夠緩解高溫環(huán)境下的揮發(fā)性問(wèn)題以及光照條件下的相分離問(wèn)題。在倒置器件中，屏障層BCP已被穩(wěn)定性更高的SnO?層所替代。其次，封裝技術(shù)可有效保護(hù)器件免受水和氧氣的侵蝕。舉例來(lái)說(shuō)，玻璃 - 玻璃封裝搭配彈性密封劑以及邊緣密封技術(shù)，顯著提升了封裝后鈣鈦礦器件的穩(wěn)定性。然而，封裝過(guò)程通常需在140 - 150°C的高溫環(huán)境下進(jìn)行，這對(duì)部分功能層的熱穩(wěn)定性構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。故而，還需進(jìn)一步深入研究，以?xún)?yōu)化大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能模塊（PSM）的封裝材料與工藝。 綜上所述，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在商業(yè)化推進(jìn)過(guò)程中，核心挑戰(zhàn)涵蓋大面積薄膜的均勻性、晶體質(zhì)量的可控性，以及實(shí)現(xiàn)器件效率與穩(wěn)定性的同步提升。周歡萍教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)溶劑體系、添加劑和界面修飾進(jìn)行優(yōu)化，以及研發(fā)更為穩(wěn)定的功能層和封裝技術(shù)等系列研究，為解決這些關(guān)鍵問(wèn)題提供了重要的思路與方向，有望有力推動(dòng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的工業(yè)化進(jìn)程，助力其更快地實(shí)現(xiàn)商業(yè)化突破。
Fabricating Perovskite Films for Solar Modules from Small to Large Scale
Ruiyang Yin, Yuetong Wu, Zijian Huang, Andrey S. Vasenko, Shuoyang Xu, Huanping Zhouhttps://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202419184
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