在全球能源轉型背景下，太陽能的高效利用至關重要。鈣鈦礦太陽能電池作為最具前景的第三代光伏技術，其小面積電池認證效率已突破26%，展現出與成熟硅電池媲美的潛力。然而，從實驗室的小型電池走向商業化的大面積組件，面臨核心瓶頸：傳統旋涂工藝在放大時因離心力作用導致薄膜不均與缺陷增殖，致使組件性能顯著衰減。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。

本研究聚焦于開發新型大面積沉積技術，主要包括基于溶液的刮涂、狹縫涂布、印刷等方法，以及基于氣相的氣相沉積技術，并輔以相應的電池結構設計、結晶調控、界面優化與可靠封裝策略，以協同攻克薄膜質量、均勻性及長期穩定性等關鍵挑戰，推動該技術從實驗室走向產業化應用。

器件結構

鈣鈦礦太陽能組件

PSCs性能研究通常在0.04–1 cm2的小面積電池上進行。當面積擴大時，效率往往顯著下降，主要由于載流子傳輸距離增加導致電荷損失，以及電池內阻升高限制電流輸出。因此，為推進商業化，研究重點逐漸轉向太陽能組件的開發與優化。

為統一不同尺寸器件的分類標準，美國國家可再生能源實驗室提出了適用于各類光伏技術的模塊尺寸分類：大于200 cm2的模塊分為子模塊（200–800 cm2）、模塊（800–6500 cm2）、標準模塊（6500–14000 cm2）和大型模塊（>14000 cm2）。Green等人進一步將10–200 cm2定義為“微型模塊”，小于10 cm2為“電池”。

器件設計

（a）并聯鈣鈦礦太陽能模塊的結構示意圖。（b）并聯鈣鈦礦太陽能模塊上的金屬柵線。（c）串聯鈣鈦礦太陽能模塊上的P1-P2-P3激光劃線工藝。（d）串聯鈣鈦礦太陽能模塊的整體平面視圖及（e）側視圖中的電流路徑

為減少大面積生產中的電荷損失，鈣鈦礦太陽能組件主要采用并聯或串聯兩種結構。

并聯結構可在穩定電壓下提升總輸出電流，并具備一定的容錯性，即單一電池失效不影響整體工作。然而，該結構也存在明顯缺點：金屬柵線會引入電阻損耗、與透明導電氧化物接觸不良，且會占用部分有效受光面積，導致整體效率受限。因此，目前對其研究較少，最高效率為16.63%（有效面積20.77 cm2）。

串聯結構是更主流的產業化方向，它通過提升開路電壓、限制工作電流來降低電阻損耗。該結構通常通過P1–P2–P3 激光劃線工藝實現電池間的電路連接：

P1：隔離底部透明電極（如ITO），形成獨立的電池基底。

P2：在沉積頂部電極前，去除部分功能層，使相鄰電池的底電極與頂電極實現串聯連接。

P3：去除頂部電極材料，完成電池間的絕緣隔離，形成完整的串聯回路。

（a）子電池分布分段示意圖。（b）任意分段中的電流流動。（c）子電池中從底部接收并通過TCO接觸邊緣收集的垂直電流流動示意圖

這些劃線間的區域稱為“死區”，不參與光電轉換；而真正發電的區域稱為“活性區”。幾何填充因子（GFF）即活性區面積與組件總受光面積（孔徑面積）之比，是衡量組件光利用效率的關鍵指標。死區面積越小，GFF越高。相比早期基于掩模的圖案化方法，激光劃線技術可將GFF從約50%顯著提升至90%以上，極大優化了組件的有效發電面積。

子電池設計的數值分析

為優化模塊性能，需對子電池形狀與數量進行數值分析。理論分析表明，矩形子電池形狀具有最低的功率損耗，是最理想的幾何構型。在固定模塊寬度下，子電池數量的確定取決于電阻損耗與劃線損耗的平衡。理想情況下，死區寬度遠小于模塊寬度時，輸出功率接近理想值。子電池數量與電流密度成正比，與材料帶隙和效率成反比。當前已有SETFOS、LAOSS等軟件輔助模塊設計。

模塊化工藝

（a）傳統、窄型、最小化及不連續激光劃線設計示意圖。（b）最小化及（c）不連續P2互連的掃描電子顯微鏡圖像。（d）經O3處理的抗擴散層。（e）用于阻擋橫向擴散的擴散阻擋層

鈣鈦礦太陽能模塊的制造，始于各功能層的大面積沉積，其工藝主要分為濕法（如刮涂、絲網印刷、狹縫涂布）和干法（如電噴霧、物理/化學氣相沉積）。

在模塊集成中，激光劃線是定義電池單元和實現電氣互聯的關鍵工藝。它利用材料對不同波長激光的吸收差異，實現精準的材料去除。

其中，皮秒或飛秒激光因其超短脈沖能極大減小熱影響區，相比傳統納秒激光，可將死區寬度壓縮至70微米以下，使幾何填充因子提升至99%。而機械劃線雖較為節能，但容易損傷底層透明導電氧化物或導致電極短路，工藝穩定性不足。此外，通過優化劃線圖案設計——例如采用點接觸或不連續P2圖案，可進一步將平均死區降至19.5微米，實現99.6%的極高填充因子。

工藝過程中的不均勻性會直接影響模塊性能，尤其是鈣鈦礦材料本身質地較軟，易受應力影響。薄膜缺陷可能導致鈣鈦礦層暴露，引發性能退化。

為此，通常采用縱向保護層在鈣鈦礦表面形成封裝。同時，針對劃線斷面處的暴露問題，也發展了橫向保護策略，例如通過臭氧處理生成致密的氧化鉛阻擋層，或插入低維材料作為離子擴散屏障，有效抑制了有害的橫向離子遷移與化學侵蝕。

柔性/半透明太陽能組件

（a）PEDOT:EVA應力釋放示意圖。（b）透射率隨溴含量及鈣鈦礦厚度的變化。（c）不同激光圖案下的透明效果。（d）借助多工藝協作的大規模卷對卷鈣鈦礦太陽能模塊生產過程示意圖

為拓展鈣鈦礦光伏在建筑一體化、可穿戴設備等領域的應用，柔性與半透明鈣鈦礦太陽能模塊成為研究熱點。

柔性模塊的效率已提升至18.84%以上，其核心在于采用PET、PEN等柔性基底。然而，這類基底表面通常較粗糙，不利于鈣鈦礦高質量結晶。研究者通過引入自修復超分子材料，顯著增強了器件在反復彎曲下的力學耐久性與性能保持率。

半透明模塊則需在高透光性與高效光電轉換間取得平衡。其技術關鍵包括：制備高導電、高透光的透明頂電極，以及優化鈣鈦礦薄膜使其在可見光區具有選擇性吸收。通過調節鈣鈦礦組分（如增加溴含量）或減薄吸光層，可有效提高平均可見光透射率。此外，激光微圖案化技術能在幾乎不影響效率的前提下，通過精密的微觀結構設計實現器件視覺上的透明效果。

為實現這類特殊組件的高效、低成本制造，卷對卷生產工藝成為重要方向。通過將凹版印刷、狹縫涂布、絲網印刷等多種涂布與圖案化技術集成于同一連續生產線，已成功在環境空氣中制備出效率超過11%的柔性鈣鈦礦模塊，展現了良好的產業化前景。

大規模鈣鈦礦沉積方法

基于彎月面的制備工藝

（a）彎月面涂布過程的流體動力學示意圖。（b）蒸發和Landau-Levich流區下涂布速度與鈣鈦礦厚度的函數關系示意圖。（c）測量的薄膜厚度h隨沉積速度v的變化關系

刮涂法和狹縫涂布是目前大面積PSMs制備中備受期待的技術，其可控性源于彎月面結構的流體力學。在涂布過程中，溶液被限制在基底與涂布頭之間，形成由毛細力維持的凹形彎月面。根據運動方向，彎月面分為前進彎月面和后退彎月面，其中后退彎月面起決定性作用。Landau-Levich流區描述了高涂布速度下粘性力主導的流動，濕膜厚度與速度、表面張力、粘度等參數相關。低速度下則遵循蒸發模式，易導致薄膜不穩定。

晶體生長動力學：

（a）結晶自由能與顆粒半徑的關系圖。（b）球形顆粒周圍擴散區域示意圖及（c）反應控制和擴散控制情況下單體濃度[M]隨距離x變化的曲線圖。（d）不同尺寸顆?；瘜W勢能級偏移示意圖。（e）從成核到生長過程中顆粒數量與尺寸分布相對標準偏差σr的關系圖

鈣鈦礦薄膜的質量對其器件性能至關重要。理想的晶體生長遵循LaMer機理，包括前驅體過飽和、成核和晶體生長三個階段。成核過程可用經典Volmer-Becker-D?ring理論描述，成核速率與過飽和度、表面自由能相關。晶體生長階段受擴散控制，遵循Fick定律，最終通過Ostwald熟化達到尺寸分布穩定。

刮涂技術：

（a）恒速和恒定加速度刮涂示意圖。（b）表面重構的MA?.?FA?.?PbI?鈣鈦礦薄膜的掃描電子顯微鏡圖像。（c）不含LP時墨水液滴在疏水基底上干燥時的收縮及（d）含LP時的釘扎效應示意圖。（e）鈣鈦礦島尺寸隨溶液體積及（f）基底溫度的變化曲線

刮涂法因簡單、省料（耗量約為旋涂的10%）、設備要求低和可擴展性而備受青睞。該技術已應用于CIGS、DSSC、OSC等多種太陽能電池。在PSCs中，刮涂法自2014年首次報道以來得到大量探索，目前最高效率為24.6%（0.08 cm2）和21.8%（26.9 cm2模塊）。涂布速度與刀口-基底間距是決定膜厚的關鍵參數，但結晶質量的定量控制仍具挑戰。恒速涂布時，彎月面變形可能導致厚度不均；加速涂布可改善均勻性。此外，通過調節溶劑（如ACN）、添加表面活性劑（如LP）或控制溫度與溶液體積，可優化流體動力學和結晶形態。

狹縫涂布：

（a）狹縫涂布設備示意圖。（b）狹縫涂布中的流體力學模型及核心參數示意圖。（c）不同墨水供給速率與涂布速度組合下狹縫涂布鈣鈦礦薄膜的圖像。（d）狹縫涂布過程中條紋缺陷的圖像及（e）示意圖。（f）使用150°C基底加熱（左）和150°C基底加熱/75°C涂布頭加熱（右）進行鈣鈦礦薄膜狹縫涂布的示意圖。（g）不同涂布頭溫度與狹縫涂布速度下的效率分布彩圖。（h）僅對涂布頭加熱時不同溫度下的性能

狹縫涂布通過連續供液系統在基底上形成均勻薄膜，其厚度與質量由溶液供給與擠出的平衡決定。該技術于2014年首次用于鈣鈦礦光伏器件，當前最高效率為19.28%（58.5 cm2微型模塊）。除速度與間距外，溶液流速也是重要參數，需與涂布速度匹配以避免薄膜缺陷（如不完整薄膜、氣泡、條紋等）。狹縫涂布同樣缺乏旋涂的結晶驅動力，常需額外淬火輔助，如氣刀、真空閃蒸或加熱基板與涂布頭協同促進結晶。

彎月面涂布的結晶輔助工藝:

（a）氣刀輔助、（b）真空輔助及（c）原位加熱輔助模式示意圖。（d）刮涂過程中不均勻蒸發的主視圖、側視圖和俯視圖示意圖。（e）彎月面涂布過程中Marangoni流與毛細對流的流動軌跡示意圖

為提升結晶質量，常采用氣刀輔助、真空輔助和原位加熱等方法。氣刀輔助通過氣流加速溶劑蒸發，其擴散通量受氣流速度、距離影響。真空輔助通過快速減壓促進溶劑蒸發，成核速率受抽速與時間控制。原位加熱則通過溫度梯度引發Marangoni流，抵消毛細流，改善薄膜均勻性。此外，添加劑（如LP）與預熱基板結合可進一步優化干燥動力學。

基于液滴的制備工藝

（a）液滴沖擊動力學的工藝參數窗口。（b）噴涂及其結晶機理示意圖。（c）壓力輔助噴涂、（d）超聲輔助噴涂及（e）電噴霧涂布示意圖。（f）噴涂制備的不同尺寸鈣鈦礦太陽能電池的效率變化。（g）連續噴墨和按需噴墨印刷方法示意圖

非接觸式液滴沉積是實現大面積制造的可行方案，包括噴涂和噴墨印刷。其過程受噴嘴參數、墨水性質和基底特性影響，可通過Weber數、Reynolds數、Ohnesorge數等無量綱數評估打印適應性。

噴涂：

噴涂通過噴嘴將微米級液滴分散到基底上，可實現高通量大面積加工。根據霧化方式分為壓力輔助噴涂、超聲輔助噴涂和電噴霧。壓力輔助噴涂利用高速氣流破碎墨水；超聲輔助噴涂產生極細液滴；電噴霧則利用靜電斥力驅動沉積。液滴尺寸與均勻性對膜質至關重要，受墨水粘度、表面張力、噴涂距離等參數影響。噴涂具有成本低、浪費少的優點，但膜厚均勻性控制較差，易導致界面缺陷。

噴墨印刷：

噴墨印刷以其高精度和圖案控制靈活性在電子器件制造中應用廣泛。連續噴墨和按需噴墨是主要技術，后者精度更高。噴墨印刷已用于鈣鈦礦層及全功能層制備，最高效率達16.78%（120 cm2）。但其加工速度相對較慢，且同步結晶難度大，對墨水質量要求高。

接觸圖案印刷工藝

（a）絲網印刷：墨水從網版轉移到基底的示意圖。（b）柔版印刷工藝示意圖。（c）鈣鈦礦墨水粘度（黑線）及沉積鈣鈦礦薄膜厚度（藍線）隨前驅體中鉛濃度的變化。（d）柔版印刷實現的精確圖形印刷。（e）凹版印刷工藝示意圖

絲網印刷：

絲網印刷通過網版將圖案轉移到基底，適用于硅電池和DSSCs，在鈣鈦礦光伏中因其與多種材料兼容性好而成為R2R生產的理想選擇。該過程遵循Hagen-Poiseuille流體模型，印刷質量受墨水粘度、網版參數影響。通過溶劑工程（如MAAc、MAPA）可調節墨水粘度，提高印刷質量，目前全絲網印刷PSCs效率接近17%。

柔版印刷：

柔版印刷是一種成熟的R2R印刷方法，通過陶瓷網紋輥和印版滾筒轉移墨水，主要用于透明電極和界面層制備，在柔性PSMs中潛力較大。目前研究多集中于非吸收性墨水，鈣鈦礦墨水的柔版印刷探索有限，但已實現20.4%的小面積PSC效率。

凹版印刷：

凹版印刷通過凹版圖案填墨并轉移至基底，印刷速度高，但對機械敏感剛性基板不理想。該技術最初用于OPVs、LEDs等領域，鈣鈦礦光伏中仍處起步階段，目前柔性PSCs效率最高達19.1%。

無溶劑制備技術

無溶劑氣相沉積環境友好，重復性好，圖案控制靈活，能生產高質量結晶薄膜，但高真空高溫環境導致能耗和設備成本高。

（a）混合化學氣相沉積爐及MAI沉積到金屬鹵化物基底上的示意圖。（b）FAI有機前驅體的混合化學氣相沉積形成鈣鈦礦過程。（c）新型HTL材料“T2”輔助鈣鈦礦太陽能電池通過共蒸發實現創紀錄效率。（d）含氯合金介導的順序真空沉積方法簡化示意圖。（e）由氣相沉積鈣鈦礦薄膜（左）和溶液處理鈣鈦礦薄膜（右）構建的鈣鈦礦太陽能電池截面掃描電子顯微鏡圖像。（f）通過共蒸發在21 cm2平臺上將效率提升至18.13%

化學氣相沉積：

CVD用于制備高質量功能薄膜，通過反應氣體在高溫下生成活性物質并在基底表面沉積。其真空要求相對較低，可降低成本并屏蔽外部干擾。CVD已用于制備穩定PSMs，最高效率近10%（10×10 cm2）。

物理氣相沉積：

PVD通過蒸發或濺射在真空環境中沉積致密均勻薄膜，薄膜化學穩定性和機械性能好。共蒸發策略可精確控制組分，界面修飾進一步提升了效率，目前最高認證效率為26.21%（小面積）和21.45%（14.4 cm2微型模塊）。

其他功能層的大規模沉積

除鈣鈦礦光吸收層外，空穴傳輸層、電子傳輸層和背電極的沉積也顯著影響器件性能與穩定性。沉積方法可分為溶液法和氣相法。

溶液法

溶液法成本低、工藝簡單，適用于可溶或可分散材料。噴涂常用于沉積金屬納米顆粒，狹縫涂布和刮涂適用于高溶解度傳輸層。碳漿背電極因其穩定性好、成本低，常用刮涂或絲網印刷沉積，但效率通常低于金屬電極。

氣相法

氣相法（如濺射、PVD、CVD、ALD）適用于不溶性有機化合物和無機氧化物，精度高、均勻性好。PVD沉積金屬電極、C??、BCP等已廣泛應用，但真空環境限制了生產速度，與R2R連續生產的兼容性仍面臨挑戰。

PSMs先進改進策略

為提升PSMs性能，研究集中在溶劑工程、添加劑工程和界面修飾等方面。

溶劑工程

（a）揮發性非配位溶劑ACN、2-ME、GBL和非揮發性配位溶劑DMF、DMSO的蒸氣壓和供體數。（b）使用含DMSO與不含DMSO的ACN/2-ME制備的鈣鈦礦薄膜的掃描電子顯微鏡圖像。（c）封裝鈣鈦礦模塊在1個太陽當量光照下于最大功率點運行的長期操作穩定性。（d）不同DMI添加量的電流-電壓曲線。（e）2-ME/DMI復合物的成核分布。（f）大面積FAPbI?鈣鈦礦薄膜的軸向穩態光電流輸出及（g）大面積FAPbI?鈣鈦礦薄膜中9個平臺的對應強度

傳統DMF/DMSO混合溶劑體系在旋涂中有效，但在大面積涂布中干燥困難，易產生缺陷。低沸點高蒸氣壓溶劑（如2-ME、ACN）有助于加速結晶。通過調節揮發性與非揮發性溶劑比例，可擴大工藝窗口并改善晶體質量。例如，ACN/2-ME/DMSO三元體系在刮涂中實現了16.4%認證效率（63.7 cm2）。

添加劑工程

（a）添加劑偶極效應對鈣鈦礦薄膜的作用機理圖。（b）TPFB如何防止水對鈣鈦礦損傷的示意圖。（c）添加BHC前后新鮮和陳化的1.37 M MAI:FAI (7:3)溶液的紫外-可見吸收光譜。（d）鈣鈦礦薄膜定向成核的熱力學驅動力與動力學示意圖。（e）全刮涂鈣鈦礦太陽能子模塊的截面掃描電子顯微鏡圖像

添加劑可優化結晶、減少缺陷。羰基小分子通過偶極矩極化抑制缺陷；有機分子（如TPFB）可增強疏水性；金屬鹽（如鋅鹽）能抑制碘空位；有機鹵化物鹽（如MACI）可調控結晶路徑，避免反溶劑使用，適用于大面積生產。離子液體添加劑可分散有機鹵化物聚集體，進一步提升性能。

界面修飾

（a）性能最佳的FABP鈍化鈣鈦礦太陽能模塊的電流-電壓曲線。（b）空穴傳輸層中的鉛螯合分子與鈣鈦礦薄膜底部Pb2?離子的螯合示意圖。（c）采用不同電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池效率的統計分布。（d）按改進策略和沉積方法分類的鈣鈦礦太陽能模塊效率進展；（e）孔徑面積/活性面積與發表年份的關系

界面修飾通過引入功能材料調節能級對齊、減少能量損失。鈍化劑（如FABP）可抑制表面缺陷；傳輸層材料（如QD-SnO?、新型HTL T2）優化能級匹配，減少非輻射復合；自組裝單分子層可替代或增強傳輸層功能，提高穩定性與效率。

器件封裝與穩定性測試

Millennial Solar

（a）不同鈣鈦礦組分的容差因子分布。（b）鈣鈦礦材料的不穩定性應力來源

PSMs商業化需解決穩定性問題，包括本征不穩定性（相變、缺陷）和外因不穩定性（熱、濕、氧、光、機械應力等）。封裝是直接有效的保護措施，可隔離環境并防止鉛泄漏。

a）不同薄膜封裝和邊緣密封封裝方法示意圖。（b）水滴應力下的高穩定性表現。（c）無紫外線照射下的CFDP封裝示意圖。（d）750小時和1000小時后的性能衰減情況

器件封裝

常用封裝工藝包括薄膜封裝和邊緣密封。聚合物材料（如PMMA、EVA、PC）性能良好，但大面積應用需材料具備相應擴展性。新型封裝材料（如超疏水涂層、自交聯聚合物、熱修復環氧樹脂）進一步提升防水、隔熱和防鉛泄漏能力。

標準化穩定性測試

為評估PSMs穩定性，國際有機光伏穩定性峰會制定了ISOS測試協議，涵蓋光照、暗態、濕熱、熱循環、光循環及戶外測試等多種應力條件。針對鈣鈦礦特性，新增了光暗交替循環、偏壓測試和惰性氣體環境測試。標準化測試有助于推動產品商業化。

鈣鈦礦太陽能組件的規?；苽浼夹g在過去幾年取得了長足進步。通過優化器件結構設計、發展大面積沉積工藝、實施材料與界面工程策略，以及強化封裝與穩定性測試，目前微型組件效率已突破23%，大型組件效率超過20%，逐步逼近商業化應用的性能門檻。然而，要實現全面產業化，仍需在量產工藝的均一性、長期環境穩定性及鉛泄露防控等關鍵問題上取得突破。未來研究將聚焦于工藝集成優化、疊層器件開發、柔性/半透明新應用拓展，以及無鉛化與循環回收等可持續性方向的探索。隨著產學研協同創新的持續深入，鈣鈦礦光伏技術有望為全球清潔能源轉型提供重要的技術支撐。

鈣鈦礦復合式MPPT測試儀

Millennial Solar

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：Emerging Strategies for the Large-scale Fabrication of Perovskite Solar Modules: From Design to Process

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