Joule綜述：鈣鈦礦太陽能電池面向兆兆瓦級光伏技術的展望和挑戰

【作者、單位信息】

第一作者：Dong Hoe Kim

通訊作者：朱凱、Maikel F.A.M. van Hest

通訊單位：美國國家可再生能源實驗室

【本文亮點】

近日，美國國家可再生能源實驗室朱凱教授和Maikel F.A.M. van Hest教授合作，在Joule雜誌上發表了有關鈣鈦礦太陽能電池面向兆兆瓦級光伏技術的展望和挑戰的綜述論文，系統回顧總結了鈣鈦礦太陽能電池從實驗室規模到產業化生產的策略及研究進展，並對鈣鈦礦太陽能電池實現產業化的性能優化及其前景與機遇進行了詳細分析。

【背景介紹】

基於有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）作為低成本和高效率的薄膜光伏技術，已在光伏市場中具有強大的競爭力。開發可放大的溶液沉積技術可用於未來生產實現兆兆瓦級（Terawattscale）的鈣鈦礦太陽能電池組（見圖1）。從基於旋塗的實驗室電池製備規模向適合商用化的可放大沉積技術通常需要重新評估、設計與器件相關的多方面因素。本工作為大規模生產和發展鈣鈦礦光伏技術提供了觀點，並對三個關鍵領域面臨的挑戰進行討論，包括：(1)大面積鈣鈦礦太陽能電池組的放大製備工藝; (2)鈣鈦礦太陽能電池製備過程中涉及的化學試劑對環境影響; (3) 鈣鈦礦電池組在不同應用領域中的設計。

圖1連續加工單片互連鈣鈦礦太陽能電池組示意圖。

【全文解析】

高效PSCs的首要條件是鈣鈦礦吸收層形貌，均勻度，結晶度，覆蓋度，晶粒尺寸和晶粒取向質量均較高。因此，將優異的實驗室規模的PSCs轉化為可大規模產業化生產的PSMs的關鍵是開發大面積高質量鈣鈦礦層的放大沉積工藝。本文系統回顧了實驗室規模的小面積鈣鈦礦的標準旋塗製備方法（包括抗溶劑澆鑄，溶劑萃取，熱鑄，強制氣流，和真空輔助乾燥等），並肯定了這些方法在避免樹枝狀鈣鈦礦晶體和形成均勻、緻密的鈣鈦礦層方面取得的成功。這些方法的基本原理均涉及到了從固態前體薄膜中快速且均勻地除去前驅體溶劑，以阻礙不受控制的晶體生長。但是，各種理化溶劑萃取的結合工藝使鈣鈦礦膜形成過程複雜化，例如溶劑去除與鈣鈦礦成核和晶粒生長經常發生顯著重疊。在沒有乾燥步驟的情況下，控制這些複雜過程在放大化沉積中是具有挑戰性的。因此，在未來期望能夠開發出用於製備高性能鈣鈦礦電池組（PSM）的放大沉積技術的特定前驅體溶劑。本文回顧了近年來從第一代到第二代的鈣鈦礦放大沉積工藝進展，以及具有代表性的PSCs的相關性能（見表1和圖2）。總體而言，第二代放大沉積工藝已獲得了較好的效率，得到的鈣鈦礦薄膜的質量已經可以與旋塗獲得的質量相當，且具有比旋塗更大的均勻塗層面積。目前，已認證的PSM的轉換效率(16％)仍然比已認證的實驗室規模的PSC的轉換效率（22.7％）低。文中指出放大生產高質量鈣鈦礦層仍然存在許多挑戰和局限性。因此，繼續開發溶劑前驅體以及合適的處理控制放大沉積技術至關重要。此外，文中還提及應研究接觸材料的放大化工藝，以確保在PSM中有效分離光生載流子。在各種工藝中，刀片塗層由於其簡單的加工控制和可能直接過渡到大規模加工（例如，R2R或S2S塗層）而有前景。

表1通過放大生產得到的鈣鈦礦太陽能電池組的特徵性能。

圖2通過放大沉積方法開發PSCs組：(A)效率進展，(B)通過狹縫塗布法沉積的大面積（~160 cm2）鈣鈦礦薄膜，(C)通過R2R工藝形成的面積超過4,500 cm2的鈣鈦礦薄膜。

同時，文中指出儘管PSCs中鉛含量相對較小，但其水溶性仍然引起了研究人員的廣泛關注。在鈣鈦礦製備過程中最常用的溶劑通常由於毒性會對健康和環境有害，這些溶劑包括DMF，NN-二甲基乙醯胺，DMSO和NMP等。為了使PSCs能夠產業化，關鍵需要使用毒性較低的試劑來實現鈣鈦礦的大面積沉積。文中回顧了不同的團隊為實現更環保的溶劑而付出的努力，以限制潛在的負面環境影響。這些方法主要集中在（1）將有毒試劑替換為具有改善環境，健康和安全特性的試劑; 或（2）使用限制向大氣排放並能再循環的，且具有極低蒸氣壓的離子液體。

一些研究還著重於通過使用鈣鈦礦的一步溶液工藝來減少毒性溶劑的量，從而消除了非溶劑處理的必要性。同時，與載流子傳輸層相關的溶液的毒性也可能成為產業化的潛在障礙。例如，常用的空穴傳輸層（HTL） Spiro-OMeTAD通常溶解在有毒的氯苯中，氯苯在鈣鈦礦薄膜加工中也是一種常用的非溶劑。文中指出為確定綠色溶劑候選物，需要考慮它們的毒性，極性，溶解度以及與HTL和鈣鈦礦的反應

表2常用於製備鈣鈦礦太陽能電池的化學品危害性。

此外，傳統薄膜太陽能電池是通過多層材料堆疊而成，而各種組裝技術均已成熟。為了將光伏薄膜材料轉換成子電池（PSM），本文在最後部分綜述了單片互連PSM（圖3A）和柵格PSM（圖3B），這兩種方法均以更小的子電池為起始，然後串聯和/或並聯形成電池集。其中，製造串聯模塊的方法，即所謂的單片互連PSM，通常由稱為P1，P2和P3的若干平行子模塊組成（見圖3A）。單片互連是最常用的PSM製造方法，與子電池數量成比例地增加輸出電壓，同時保持光電流限制在各個子電池。最初使用旋塗來製造PSM，自2016年以來，在解決PSM開發的各種技術挑戰方面取得了實質性進展。這些挑戰之一是減少大的接觸電阻和與高電流相關的功率損耗。然而，PSM的當前狀態仍然遠離一般的比例依賴性，其中當各種PV技術的器件面積增加一個數量級時，器件效率降低約0.8％。重要的是繼續開發鈣鈦礦吸收層以及電荷傳輸層的可放大沉積。與單片互連相比，只有少數研究報道了柵格PSM。之前有研究表明，當放大生產到更大的面積時，PSM經常表現出嚴重的填充因子的下降，並指出柵格PSM的幾個挑戰：（1）金屬柵格上的接觸層的潤濕/塗層，和（2）接觸層/鈣鈦礦層與下面的金屬柵格之間的材料相容性。目前，柵格型PSM的發展明顯落後於基於單片互連的PSM。解決這些挑戰的一種解決方案是開發襯底型PSC。在襯底器件配置中，底部襯底可以是金屬層，並且照明將來自透明頂部觸點（通常是TCO層）。在這種情況下，金屬柵格可以沉積在前TCO層的頂部上，以避免對各種功能層（例如，傳輸層和吸收層）的沉積產生任何負面影響。該配置還允許靈活控制和獨立優化金屬網格的幾何形狀（例如，厚度和寬度），以最小化陰影，同時保持有效的電流收集。除了通過單片互連或柵格來連接子單元之外，還需要更多的項目來製造完整的模塊，最終，剛性鈣鈦礦模塊看起來與目前可用的薄膜模塊甚至硅模塊非常相似。這將使它們以相同的方式集成到太陽能電池陣列中，從而可以進入市場，為高效靈活的產品帶來了巨大希望。

圖3C為PSM的一些潛在應用，例如太陽能「農場」，太陽能道路，柔性太陽能充電器和用於街道的內置PSM燈。正如所證明的那樣，鈣鈦礦吸光層非常適合通過放大工藝沉積在大面積基板上，因此，可以使用上面討論的兩種類型的模塊設計將PSC組裝成太陽能面板。然而，將PSC擴展到高性能的PSM仍處於開發的早期階段，許多問題仍有待研究。

圖3鈣鈦礦太陽能電池組：(A)單片互連PSM示意圖,(B) 柵格PSM示意圖，(C)採用單片和柵格互連構建的PSMs的潛在應用。

【總結與展望】

為了使PSCs技術達到兆兆瓦級標準，考慮材料製備工藝安全性對開發高效率、大規模的PSM至關重要。通過S2S和R2R塗層塗覆的大規模溶液處理技術在鈣鈦礦沉積方面已取得重大進展。為進一步實現產業化，需要對開發用於器件堆疊中的載流子傳輸層和鈣鈦礦的溶液處理過程不斷創新。使PSMs產業化還應仔細考慮減少製備過程對環境的負影響。在不同領域應用中設計和製備各組件是高性能PSMs的另一個關鍵因素。單片和柵格連接策略經常用於電池集的構建。降低互連區域的電阻至關重要。最後，由於PSCs技術的複雜性，對PSCs的兆兆瓦級應用的成本評估也是一個重要的考量項目。這需要了解包括基底類型，器件堆疊方式，各材料以及相應的沉積方法，器件的封裝條件及耐用性等因素。由於PSCs技術仍然在快速發展中，這對於PSCs在未來的應用是一個巨大的挑戰。因此，開發具有低成本和長期穩定性的新功能材料和器件結構為使PSCs技術產業化的邁進提供了一個賦有挑戰性的研究方向。

【文獻信息】

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 | 深圳市清新電源研究院

部門 | 媒體信息中心科技情報部

撰稿人 | Lucy Ding

主編 | 張哲旭

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