Energy Reviews | 规模化钙钛矿太阳能电池及模组研究
文章题目：Recent progress of scalable perovskite solar cells and modules
关键词：Perovskites, Photovoltaics, Large-scale device, Modules
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772970222000104
香港理工大学李刚教授和深圳霍夫曼先进材料研究院胡汉林教授团队在Energy Reviews发表文章“Recent progress of scalable perovskite solar cells and modules”，该文章从传统的钙钛矿太阳能电池结构入手，针对大规模制备的技术工程进行了全面的分析；此外文章还强调了当前钙钛矿太阳能模组封装技术对器件寿命和环境友好性的影响，并对下一代光伏产业的需求提出了未来钙钛矿太阳能模组商业化的前景和面临的挑战。
01 内容简介
1. Introduction (前言)
2. Perovskite solar cells photo-active materials and device structures（钙钛矿型太阳能电池光敏材料及器件结构）
2.1. Perovskite materials systems （钙钛矿材料体系）
2.1.1. Hybrid perovskite （杂化型钙钛矿）
2.1.2. All inorganic perovskite （全无机钙钛矿）
2.2. Device structures （器件结构）
2.2.1. Perovskite solar cells （钙钛矿太阳能电池）
2.2.2. Perovskite solar modules （钙钛矿太阳能模组）
3. Technologies engineering in large-scale preparation （大规模制备的技术工程）
3.1. Classification of large-area preparation processes （大面积制备的工艺分类）
3.2. Spin coating (旋涂)
3.3. Blade coating （刮涂）
3.4. Slot-Die coating （ 狭缝涂）
3.5. Spray coating （喷涂）
3.6. Inkjet printing （喷墨打印）
4. Materials engineering in large-scale preparation （大规模制备的材料工程）
5. Packaging technologies （封装技术）
6. Cost for fabricating the PSMs （钙钛矿太阳能模组制备成本）
7. Summary and outlook （总结和展望）
02 内容亮点
1、钙钛矿太阳能电池在实验室规模方面取得了巨大进展，但要使可印刷技术成功地转移到工业规模并走向商业化，还需要做出极大的努力；
2、从传统的钙钛矿太阳能电池结构入手，分析了专门设计的钙钛矿型太阳能模组的结构，并对溶液处理和气相沉积两种大规模制备方法进行了全面分析；
3、考虑到材料工程对钙钛矿型太阳能模组放大的促进作用，系统地讨论了添加剂工程、溶剂工程和界面工程在钙钛矿型太阳能模组稳定性和效率方面的应用；
4、强调了当前钙钛矿型太阳能模组封装技术对器件寿命和环境友好性的影响，并针对下一代光伏产业的需求，提出了钙钛矿型太阳能模组商业化的前景和面临的挑战。
03内容导读
旋涂作为半导体工业光刻工艺中的核心工艺，也是实验室制备钙钛矿型器件最常用的方法，被广泛用于制备高效率的钙钛矿太阳能电池。以钙钛矿层为例，所制备的钙钛矿膜的厚度主要由前驱体溶液的组成、浓度和粘度以及旋涂机的转速决定。同时，还可以通过调节前驱体溶液的组成和粘度来控制钙钛矿的结晶过程，这是形成高质量和一定尺寸的大面积钙钛矿薄膜的关键。虽然旋涂法已成功地用于制备大面积钙钛矿结构的器件，但在旋涂过程中由于薄膜厚度的不均匀尤其是中间和边缘部分，会影响器件的效率：较厚的区域会发生更明显的复合，而较薄的区域会出现较差的光吸收能力和令人失望的针孔形貌。当需要较大的有效面积时，旋涂法制备的薄膜存在明显的上述现象，阻碍了旋涂工艺在大面积制备中的进一步发展。
为了获得高效、稳定的大规模钙钛矿太阳能电池模组，制备高质量的薄膜被认为是不可忽视的因素。然而，由于结晶过程的不可控性，所制备的钙钛矿型薄膜通常存在缺陷，特别是大面积薄膜。研究表明，盐、离子液体、氨基酸分子和富勒烯等添加剂对大面积钙钛矿膜的晶化过程和形貌有一定的调节作用。
04 重要结论
利用材料工程和沉积技术的帮助，在钙钛矿太阳能电池的规模化方面取得了显著的进展：显著提高了光电转换效率、改善了器件的耐用性。到目前为止，现有的100平方厘米钙钛矿太阳能模组在1000h后，在室温和20%湿度下仍保持原来95%的效率，面积为800平方厘米钙钛矿太阳能模组的认证效率为17.9%，表明钙钛矿太阳能模组具有良好的商业化前景。尽管在实现商业化方面取得了突破性进展，但仍然需要强调以下挑战和进一步研究。
（1）开发绿色环保的钙钛矿太阳能模组：探索和推广无毒或低毒的溶剂(离子液体和乙醇)，以取代传统的有机溶剂(DMF和DMSO)用于加工钙钛矿太阳能模组。此外，对无铅粉末冶金的效率和稳定性的优化也是可望的；
（2）材料选择和设计：深入了解添加剂、界面层和溶剂材料的化学和物理性质，以及影响钙钛矿结晶、成膜和钝化的具体机制。从这些材料的化学结构和基本性质出发，高效地选择和设计合适的材料来制造大规模高效的钙钛矿太阳能模组。
（3）钙钛矿太阳能组件的结构优化：优化结构需要改进结构设计和加工工艺，从小面积模块开始，将优化后的结构扩展到带有几何填充系数的大面积模块，以用于商业应用。
（4）技术工程的完善：完善现有的制备工艺和优化工艺参数是推动商业化进程的关键。在提高材料利用率的基础上，保证了高质量的薄膜，提高了制备效率，从而实现了低成本、成熟的大面积制备。
作者简介：
胡汉林，霍夫曼先进材料研究院副教授，深圳市海外高层次“孔雀计划”B类人才，美国劳伦斯-伯克利光源和台湾光源的授权用户。主要研究方向为打印薄膜太阳能电池和晶体管，以及基于同步辐射对材料晶相转变的实时追踪；发表学术论文40余篇，包括Advanced Materials, Advanced Science, Light Science & Application, Materials Science & Engieering R.等国际期刊。
李刚，香港理工大学，钟士元爵士可再生能源教授，美国光学学会会士、英国皇家化学学会(RSC) 会士和国际光电工程学会(SPIE) 会士。研究兴趣是有机半导体和混合钙钛矿半导体中的材料、器件工程和器件物理，重点是能源应用。自2014年以来，他一直是Thomson Reuters/ Clarivate Analytics的全球高被引研究员，涉及材料科学、物理和化学领域，发表了约200篇论文，被引用7万2千余次。
引用信息：
Fei Wang, Yu Han, Dawei Duan, Chuangye Ge, Hanlin Hu, Gang Li, “Recent progress of scalable perovskite solar cells and modules”, Energy Reviews, 2022, 1，100010.
Energy Reviews 简介：
《Energy Reviews》是由深圳大学主办，联合 Elsevier出版集团创办的一本国际性、跨学科、高质量开放获取 (Open Access) 学术期刊，由谢和平院士担任创刊主编，美国工程院Derek Elsworth院士、中国科学院何雅玲院士、李永舫院士、香港理工大学倪萌教授担任联合主编。发表能源领域前沿方向、最新进展、发展趋势、权威观点等高质量学术文章，构建全球能源一流成果和一流学者的合作交流平台，向公众传播有影响力的能源领域研究成果。接收包括但不限于能源研究的新理论、新方法和新技术; 能源研究的多学科（材料、物理、化学、生物等）交叉融合探索技术; 化石能源低碳利用与CCUS; 氢能、可再生能源与储能先进技术; 新型能源转换方式探索与应用; 能源领域现代信息技术（人工智能，大数据）等相关方向的优质稿件。
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