SJTU戚亚冰最新Joule：效率突破20%的钙钛矿太阳能组件

主要内容

钙钛矿太阳能组件（PSMs）已展现出超过20%的卓越效率。然而，要将这些器件规模化至工业尺寸，面临着若干关键挑战。小面积器件（<100平方厘米）因采用旋涂工艺且处于可控环境条件而具备优势，而大面积制造存在薄膜不均匀、激光划线死区以及材料降解等问题。当前研究聚焦于可规模化技术，包括刮刀涂布、狭缝涂布和气相处理技术。然而，随着组件尺寸的增大，由于薄膜均匀性变差和结晶控制不佳，效率会显著下降，进而导致串联电阻升高和并联电阻降低。

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PSMs研究进展与产业现状

上海交通大学溥渊未来技术学院戚亚冰讲席教授、合肥工业大学蒋阳教授与童国庆教授，以及冲绳科学技术研究所研究生院（OIST）能源材料与表面科学部门（EMSSU）的Dr. Luis Katsuya Ono联合团队，对相关领域展开深入研究。本综述基于这些研究，概述近期效率超20%的PSMs研究进展，涵盖学术界和工业界在单结PSMs、钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能组件及硅/PSMs方面的成果。

研究团队在PSMs制造技术对比、效率分析等方面深入研究。实验室制备大面积PSMs（<100平方厘米）主要用n - i - p和p - i - n两种构型，旋涂法广泛用于制备钙钛矿薄膜等功能层，p - i - n结构中n型功能层常用蒸发法沉积；工业领域大面积PSMs制备从n - i - p结构逐渐转为p - i - n结构，主要工艺包括狭缝涂布等。对比不同结构和组件尺寸下PSMs效率，发现大面积PSMs与小面积PSCs效率差距逐步缩小。研究还提出提升PSMs效率和稳定性的未来展望。

在不到二十年发展中，PSMs面积从约10平方厘米发展至0.72平方米，效率超20%，产业化进程加速，全球涌现数百家PSMs企业。钙钛矿/钙钛矿叠层电池和钙钛矿/硅叠层电池研究正从实验室走向工业应用。目前众多企业关注点从提高PCE转向提升稳定性，全球PSMs生产线向吉瓦（GW）级过渡，2024年11月极电光能公司完成GW级生产线建设，首批组件成功下线。

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PSMs产业化面临的关键挑战

1.工艺差异：PSMs产业化面临的首要挑战是工艺差异。实验室高效PSMs多采用旋涂法制备，工业生产常用刮刀涂布和狭缝涂布技术，实验室常用添加剂和钝化材料难用于大规模生产，需开发更适合大规模制造的制备方法和材料。

2.稳定性问题：尽管PSMs效率取得进展，但稳定性落后于硅太阳能电池。硅太阳能电池使用寿命约25 - 30年，PSMs长期稳定性有待提高。目前PSCs和PSMs在标准环境条件下使用寿命分别超10000小时和5000小时，钙钛矿/硅叠层太阳能电池领域起步阶段，尚无环境条件下运行5年后保持初始性能80%以上的报道。研究团队指出未来应聚焦多方面改进提升稳定性，近期研究也凸显更新稳定性评估协议的紧迫性，要纳入热循环测试，使用应变调节添加剂。研究强调了光照循环测试协议的重要性，对传统指标有效性提出挑战，需修订性能评估标准。研究团队认为实现稳定工业级PSMs需多方面协同优化并结合严格测试协议。

3.制造成本控制：美国国家可再生能源实验室（NREL）计算得出，小规模生产条件下PSMs制造成本高于硅太阳能电池板。目前高效率PSMs依赖高纯度试剂且小批量生产，导致成本高。产业化关键在于大规模连续生产中保持高效率并降低成本，未来降低材料成本、优化制造设备及缩短工艺流程是关键。

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研究结论与展望

研究团队通过对PSMs制造技术、效率、稳定性及成本等多方面的深入研究，明确了当前PSMs在学术和产业领域所取得的显著进展，同时也清晰地指出了产业化进程中面临的工艺差异、稳定性不足以及制造成本控制等关键挑战。为实现PSMs的商业化进程和更广泛的应用，未来需在材料、界面、架构和工艺路线等方面进行协同优化，开发适合大规模生产的制备方法和材料，结合能够反映实际运行条件的严格测试协议，提升PSMs的稳定性；同时，通过降低材料成本、优化制造设备以及缩短工艺流程等措施，实现低成本、高效率和长寿命的PSMs生产，推动PSMs产业持续健康发展。

文献信息

Perovskitesolarmoduleswithhighefficiencyexceeding20%:Fromlaboratorytoindustrialcommunity

XueanLiu,JiahaoZhang,BaochangWang,GuoqingTong,JingtingYang,YuxinShi,ZicongChen,LuisK.Ono,YangJiang,YabingQi

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435125002375