Joule综述：钙钛矿太阳能电池面向兆兆瓦级光伏技术的展望和挑战

【作者、单位信息】

第一作者：Dong Hoe Kim

通讯作者：朱凯、Maikel F.A.M. van Hest

通讯单位：美国国家可再生能源实验室

【本文亮点】

近日，美国国家可再生能源实验室朱凯教授和Maikel F.A.M. van Hest教授合作，在Joule杂志上发表了有关钙钛矿太阳能电池面向兆兆瓦级光伏技术的展望和挑战的综述论文，系统回顾总结了钙钛矿太阳能电池从实验室规模到产业化生产的策略及研究进展，并对钙钛矿太阳能电池实现产业化的性能优化及其前景与机遇进行了详细分析。

【背景介绍】

基于有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池（PSCs）作为低成本和高效率的薄膜光伏技术，已在光伏市场中具有强大的竞争力。开发可放大的溶液沉积技术可用于未来生产实现兆兆瓦级（Terawattscale）的钙钛矿太阳能电池组（见图1）。从基于旋涂的实验室电池制备规模向适合商用化的可放大沉积技术通常需要重新评估、设计与器件相关的多方面因素。本工作为大规模生产和发展钙钛矿光伏技术提供了观点，并对三个关键领域面临的挑战进行讨论，包括：(1)大面积钙钛矿太阳能电池组的放大制备工艺; (2)钙钛矿太阳能电池制备过程中涉及的化学试剂对环境影响; (3) 钙钛矿电池组在不同应用领域中的设计。

图1连续加工单片互连钙钛矿太阳能电池组示意图。

【全文解析】

高效PSCs的首要条件是钙钛矿吸收层形貌，均匀度，结晶度，覆盖度，晶粒尺寸和晶粒取向质量均较高。因此，将优异的实验室规模的PSCs转化为可大规模产业化生产的PSMs的关键是开发大面积高质量钙钛矿层的放大沉积工艺。本文系统回顾了实验室规模的小面积钙钛矿的标准旋涂制备方法（包括抗溶剂浇铸，溶剂萃取，热铸，强制气流，和真空辅助干燥等），并肯定了这些方法在避免树枝状钙钛矿晶体和形成均匀、致密的钙钛矿层方面取得的成功。这些方法的基本原理均涉及到了从固态前体薄膜中快速且均匀地除去前驱体溶剂，以阻碍不受控制的晶体生长。但是，各种理化溶剂萃取的结合工艺使钙钛矿膜形成过程复杂化，例如溶剂去除与钙钛矿成核和晶粒生长经常发生显着重叠。在没有干燥步骤的情况下，控制这些复杂过程在放大化沉积中是具有挑战性的。因此，在未来期望能够开发出用于制备高性能钙钛矿电池组（PSM）的放大沉积技术的特定前驱体溶剂。本文回顾了近年来从第一代到第二代的钙钛矿放大沉积工艺进展，以及具有代表性的PSCs的相关性能（见表1和图2）。总体而言，第二代放大沉积工艺已获得了较好的效率，得到的钙钛矿薄膜的质量已经可以与旋涂获得的质量相当，且具有比旋涂更大的均匀涂层面积。目前，已认证的PSM的转换效率(16％)仍然比已认证的实验室规模的PSC的转换效率（22.7％）低。文中指出放大生产高质量钙钛矿层仍然存在许多挑战和局限性。因此，继续开发溶剂前驱体以及合适的处理控制放大沉积技术至关重要。此外，文中还提及应研究接触材料的放大化工艺，以确保在PSM中有效分离光生载流子。在各种工艺中，刀片涂层由于其简单的加工控制和可能直接过渡到大规模加工（例如，R2R或S2S涂层）而有前景。

表1通过放大生产得到的钙钛矿太阳能电池组的特征性能。

图2通过放大沉积方法开发PSCs组：(A)效率进展，(B)通过狭缝涂布法沉积的大面积（~160 cm²）钙钛矿薄膜，(C)通过R2R工艺形成的面积超过4,500 cm²的钙钛矿薄膜。
同时，文中指出尽管PSCs中铅含量相对较小，但其水溶性仍然引起了研究人员的广泛关注。在钙钛矿制备过程中最常用的溶剂通常由于毒性会对健康和环境有害，这些溶剂包括DMF，NN-二甲基乙酰胺，DMSO和NMP等。为了使PSCs能够产业化，关键需要使用毒性较低的试剂来实现钙钛矿的大面积沉积。文中回顾了不同的团队为实现更环保的溶剂而付出的努力，以限制潜在的负面环境影响。这些方法主要集中在（1）将有毒试剂替换为具有改善环境，健康和安全特性的试剂; 或（2）使用限制向大气排放并能再循环的，且具有极低蒸气压的离子液体。

一些研究还着重于通过使用钙钛矿的一步溶液工艺来减少毒性溶剂的量，从而消除了非溶剂处理的必要性。同时，与载流子传输层相关的溶液的毒性也可能成为产业化的潜在障碍。例如，常用的空穴传输层（HTL） Spiro-OMeTAD通常溶解在有毒的氯苯中，氯苯在钙钛矿薄膜加工中也是一种常用的非溶剂。文中指出为确定绿色溶剂候选物，需要考虑它们的毒性，极性，溶解度以及与HTL和钙钛矿的反应

表2常用于制备钙钛矿太阳能电池的化学品危害性。

此外，传统薄膜太阳能电池是通过多层材料堆叠而成，而各种组装技术均已成熟。为了将光伏薄膜材料转换成子电池（PSM），本文在最后部分综述了单片互连PSM（图3A）和栅格PSM（图3B），这两种方法均以更小的子电池为起始，然后串联和/或并联形成电池集。其中，制造串联模块的方法，即所谓的单片互连PSM，通常由称为P1，P2和P3的若干平行子模块组成（见图3A）。单片互连是最常用的PSM制造方法，与子电池数量成比例地增加输出电压，同时保持光电流限制在各个子电池。最初使用旋涂来制造PSM，自2016年以来，在解决PSM开发的各种技术挑战方面取得了实质性进展。这些挑战之一是减少大的接触电阻和与高电流相关的功率损耗。然而，PSM的当前状态仍然远离一般的比例依赖性，其中当各种PV技术的器件面积增加一个数量级时，器件效率降低约0.8％。重要的是继续开发钙钛矿吸收层以及电荷传输层的可放大沉积。与单片互连相比，只有少数研究报道了栅格PSM。之前有研究表明，当放大生产到更大的面积时，PSM经常表现出严重的填充因子的下降，并指出栅格PSM的几个挑战：（1）金属栅格上的接触层的润湿/涂层，和（2）接触层/钙钛矿层与下面的金属栅格之间的材料相容性。目前，栅格型PSM的发展明显落后于基于单片互连的PSM。解决这些挑战的一种解决方案是开发衬底型PSC。在衬底器件配置中，底部衬底可以是金属层，并且照明将来自透明顶部触点（通常是TCO层）。在这种情况下，金属栅格可以沉积在前TCO层的顶部上，以避免对各种功能层（例如，传输层和吸收层）的沉积产生任何负面影响。该配置还允许灵活控制和独立优化金属网格的几何形状（例如，厚度和宽度），以最小化阴影，同时保持有效的电流收集。除了通过单片互连或栅格来连接子单元之外，还需要更多的项目来制造完整的模块，最终，刚性钙钛矿模块看起来与目前可用的薄膜模块甚至硅模块非常相似。这将使它们以相同的方式集成到太阳能电池阵列中，从而可以进入市场，为高效灵活的产品带来了巨大希望。

图3C为PSM的一些潜在应用，例如太阳能“农场”，太阳能道路，柔性太阳能充电器和用于街道的内置PSM灯。正如所证明的那样，钙钛矿吸光层非常适合通过放大工艺沉积在大面积基板上，因此，可以使用上面讨论的两种类型的模块设计将PSC组装成太阳能面板。然而，将PSC扩展到高性能的PSM仍处于开发的早期阶段，许多问题仍有待研究。

图3钙钛矿太阳能电池组：(A) 单片互连PSM示意图,(B) 栅格PSM示意图，(C) 采用单片和栅格互连构建的PSMs的潜在应用。

【总结与展望】

为了使PSCs技术达到兆兆瓦级标准，考虑材料制备工艺安全性对开发高效率、大规模的PSM至关重要。通过S2S和R2R涂层涂覆的大规模溶液处理技术在钙钛矿沉积方面已取得重大进展。为进一步实现产业化，需要对开发用于器件堆叠中的载流子传输层和钙钛矿的溶液处理过程不断创新。使PSMs产业化还应仔细考虑减少制备过程对环境的负影响。在不同领域应用中设计和制备各组件是高性能PSMs的另一个关键因素。单片和栅格连接策略经常用于电池集的构建。降低互连区域的电阻至关重要。最后，由于PSCs技术的复杂性，对PSCs的兆兆瓦级应用的成本评估也是一个重要的考量项目。这需要了解包括基底类型，器件堆叠方式，各材料以及相应的沉积方法，器件的封装条件及耐用性等因素。由于PSCs技术仍然在快速发展中，这对于PSCs在未来的应用是一个巨大的挑战。因此，开发具有低成本和长期稳定性的新功能材料和器件结构为使PSCs技术产业化的迈进提供了一个赋有挑战性的研究方向。

【文献信息】

原文链接：

Outlook and Challenges of Perovskite Solar Cells toward Terawatt-Scale Photovoltaic Module Technology. Joule. 2018, 2, 1–15. 

DOI: https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.05.011

供稿 | 深圳市清新电源研究院

部门 | 媒体信息中心科技情报部

撰稿人 | Lucy Ding

主编 | 张哲旭

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