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化潛力。然而，大面積鈣鈦礦太陽能電池的功率轉換效率（PCE）與穩定性仍未達到產業化要求，核心瓶頸在于大面積鈣鈦礦薄膜的質量管控—小面積與大面積薄膜的質量差異，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境氛圍，進行長期的穩定性能測試。

本文系統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與技術進展，重點圍繞溶液沉積方法、組件設計與穩定性等方面展開分析。

從材料優勢到規模化難題

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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、高載流子遷移率及可調控帶隙，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。

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

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快速溶劑揮發和高密度成核。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、無法連續生產等問題，不適用于工業化放大。

可擴展涂布技術

刮涂法:通過調節刀口間隙、涂布速度、溶液濃度等參數控制薄膜厚度與質量。其主要挑戰包括濕膜斷裂、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，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205 cm2組件15.3%的效率。

狹縫涂布法：具備連續供液能力，適合大面積連續生產。通過調控涂布速度、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大面積覆蓋。電噴涂技術利用強電場促進結晶均勻性，實現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節粘度，實現20.52%的小面積電池效率。

真空蒸發：可避免溶劑使用，制備致密、高結晶度薄膜，但控制前驅體蒸發速率和缺乏老化過程導致效率通常低于溶液法。通過引入氯元素優化前驅體合金化，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定性對比

對比了不同制備方法的效率與穩定性表現，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

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效率問題

a）光伏（PV）產業的 “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）可抑制咖啡環效應，提升均勻性。

實現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，但會引入死區與電阻損失。優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，但需優化背電極設計以降低陰影損失。

穩定性問題

PSM電池面臨的嚴重穩定性問題

大面積組件的穩定性挑戰包括：

鈣鈦礦層不穩定性：光、熱、偏壓等外部刺激導致離子遷移、相分離、分解；

組件相關不穩定性：劃刻通道導致離子擴散、金屬電極腐蝕、局部陰影引發熱斑；

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的穩定性仍難以滿足ISOS標準，需進一步開發穩定功能層與封裝方案。

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

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：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，疊層成品電池穩定性測試。由于鈣鈦礦電池的輸出特性易受光照、溫度等環境因素影響，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，能確保系統始終以最優功率輸出。這不僅能最大化發電量，還能提升整個光伏系統的工作穩定性和經濟性。

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

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