鈣鈦礦太陽能電池（PSC）憑借其高效率、低成本、易制備等優勢， 成為近年來光伏領域具潛力的下一代光伏技術之一。 但目前， 鈣鈦礦太陽能電池的小尺寸器件已取得重大突破， 但在向大面積模塊化生產發展過程中仍存在不少挑戰。 制備大面積模塊需要更長的時間， 這對薄膜的沉積和制備工藝提出了更高要求， 同時也對材料的穩定性和加工窗口提出了挑戰。

近三年來，鈣鈦礦太陽能電池大面積模塊化的研究進程主要集中在提高效率、穩定性和可制造性方面。

研究進程

l  效率提升

2021年：研究人員實現了鈣鈦礦太陽能電池的效率突破，將小面積器件的轉換效率提升至25%以上。
2022年：大面積模塊的轉換效率也取得了顯著進展，一些研究團隊報告了10x10厘米模塊效率超過20%的成果。

2023年：繼續優化材料和制造工藝，一些大規模制造商宣布其生產線上的大面積鈣鈦礦模塊效率接近商業化應用標準。

l  穩定性改進

材料工程: 研究人員通過添加劑和界面工程技術顯著提高了鈣鈦礦材料的穩定性，減少了光、熱和濕氣對材料的降解。

封裝技術: 先進的封裝技術被開發出來，能夠有效保護鈣鈦礦層，提高模塊的長期穩定性。

l  制造工藝

噴涂和印刷技術: 噴涂和印刷技術的發展使得大面積鈣鈦礦太陽能電池的生產成為可能，降低了制造成本并提高了生產速度。

全溶液處理: 全溶液處理工藝被優化，用于制備均勻的大面積鈣鈦礦薄膜，進一步推動了模塊化生產。

研究瓶頸

l  長期穩定性: 盡管有進展，但鈣鈦礦材料在長期暴露于環境條件下的穩定性仍然是一個挑戰。需要進一步研究改進材料組成和封裝技術，以確保模塊在長時間使用中的性能不下降。

l  大規模生產一致性: 在大規模生產過程中，如何確保每個模塊的一致性和高質量仍然是一個重要課題。生產線的標準化和質量控制需要進一步優化。

l  環境友好性: 鈣鈦礦材料中常用的鉛元素對環境和健康有潛在危害，如何開發無鉛鈣鈦礦材料或者回收利用鉛是當前的重要研究方向。

l  界面問題: 鈣鈦礦層與電極之間的界面問題可能導致電池效率下降和穩定性降低。界面工程和新型界面材料的研究仍需深入。

近日，由西安電子科技大學常晶晶教授，聯合洛桑理工學院 Mohammad Khaja Nazeeruddin 教授團隊和西北工業大學李禎教授團隊在Energy & Environmental Science 雜志發表了突破性研究成果。 該團隊通過巧妙地將 N-甲基-2-吡咯烷酮溶劑與冷卻策略相結合， 在兩步沉積法中獲得了更穩定的基于 FA 的鈣鈦礦中間相， 從而實現了更長的退火窗口。

【冷卻穩定中間相： 為鈣鈦礦太陽能電池大面積模塊化生產照亮曙光】

該團隊采用一種創新策略， 在兩步沉積法的制備過程中， 通過將 N-甲基-2-吡咯烷酮 (NMP) 溶劑與冷卻策略相結合， 使 FA 基鈣鈦礦中間相能夠更加穩定地存在。 這一策略將鈣鈦礦材料的退火窗口擴展了 20 倍 (從 9 分鐘到 180 分鐘)。 他們發現， 將中間相冷卻至接近 0°C 的低溫環境， 可以有效抑制 δ-相 FAPbI3 的形成， 從而大幅度延長鈣鈦礦中間相的穩定時間。

這一技術突破， 使研究團隊能夠成功地在 45 cm2 的大面積基板上制備出均勻的鈣鈦礦薄膜。 此外， 采用這種方法制備的鈣鈦礦太陽能電池微型模塊實現了高達 22.34% 的效率， 經過認證的效率為 21.51%。 更重要的是， 即使在 180 分鐘的退火延遲時間后， 該模塊仍能保持 20.89% 的不錯效率， 充分體現了該方法對于制造高效鈣鈦礦太陽能電池的超長工藝窗口優勢。

【推動鈣鈦礦太陽能技術走向應用】

研究團隊的成果充分體現了穩定鈣鈦礦中間相在促進鈣鈦礦太陽能電池模塊化生產方面的重要性。 該策略為高效、穩定、大面積鈣鈦礦太陽能電池的制備帶來了巨大的機遇， 有望推動鈣鈦礦太陽能電池技術走向工業化應用。

總結:

該團隊通過將 N-甲基-2-吡咯烷酮溶劑與冷卻策略相結合， 成功地穩定了 FA 基鈣鈦礦中間相， 大幅度擴展了制備工藝的時間窗口， 使得鈣鈦礦太陽能電池能夠在更寬松的條件下進行制備， 為大面積模塊的制造提供了可靠的解決方案。 他們的研究為鈣鈦礦太陽能電池的實際應用打開了新的視野， 推動了這一領域的發展。

通過解決穩定性、一致性和環境友好性等挑戰， 鈣鈦礦太陽能電池最終將能夠實現大規模的商業應用， 成為未來能源的重要組成部分。

重要技術參數：

l   鈣鈦礦太陽能電池模組效率: > 22.34%

l   關鍵技術： 冷卻穩定中間相， 擴大工藝窗口

l   關鍵設備: 光焱科技的 QE-R 光伏 / 太陽能電池量子效率光學儀

研究團隊介紹

常晶晶

常晶晶教授，西安電子科技大學微電子學院教授、博士生導師。研究方向主要包括有機電子器件、鈣鈦礦太陽能電池以及其他新型光電器件。在光電子材料與器件領域，常晶晶教授發表了多篇高影響力的學術論文，主持和參與了多項科研項目，取得了顯著的研究成果。致力于探索高效、穩定的新型光電材料和器件。常晶晶教授在國際學術界享有盛譽，并積極參與國際學術交流與合作。

Mohammad Khaja Nazeeruddin

Mohammad Khaja Nazeeruddin教授，瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）化學系教授，鈣鈦礦太陽能電池研究專家。他的研究涵蓋鈣鈦礦太陽能電池、染料敏化太陽能電池、光伏器件和能源材料等領域。Nazeeruddin教授在頂級學術期刊上發表了超過600篇論文，引用次數超過100,000次，是光伏研究領域的人物。他的研究成果推動了高效鈣鈦礦太陽能電池的發展，并獲得了多項國際大獎和榮譽稱號。Nazeeruddin教授在國際學術界具有廣泛影響力，積極參與全球科研合作和交流。

李禎

李禎教授，現任西北工業大學教授、 博士生導師，高層次青年人才。主要從事柔性鈣鈦礦太陽能電池相關的應用基礎研究，在《Nat. Rev. Mater.》《Energy Environ. Sci.》《Adv. Energy Mater.》《ACS Nano》等能源和材料領域的重要國際期刊累計發表SCI論文100余篇，其中ESI高被引論文9篇，論文引用15000余次，H因子49；主持國家自然科學基金面上、空天動力陜西實驗室課題等項目10余項。擔任中國能源學會新能源專委會委員和物理化學學報青年編委等學術兼職。研究主要集中于太陽能電池材料和器件的制備、 表征以及性能研究， 以及相關材料的理論計算模擬。 他在能源與環境領域做出了突出的貢獻， 并在國際著名期刊發表了多篇高水平論文。

參考文獻

Efficient perovskite solar modules with an ultra-long processing window enabled by cooling stabilized intermediate phases _ Energy Environ. Sci., 2024,_ DOI: 10.1039/D4EE01147C

【本研究參數圖】

Fig S23.  對照組和目標 PSC 的 EQE 光譜。

上述研究數據來自光焱科技 _ QE-R 光伏/太陽能電池 EQE 完整解決方案

Fig. S26 FAPbI3@D/D 和 FAPbI3@D/N 器件 (有效面積 1.00 cm2) 在最大功率點測試的穩態電流密度和 PCE。

Fig. S27 在黑暗氮氣氣氛下儲存的大面積 FAPbI3@D/N 器件的長期穩定性。

Fig. S28 在不同溫度下退火 120 分鐘的鈣鈦礦薄膜的效果。 (a) FAPbI3@D/D 和 (b) FAPbI3@D/N 的俯視圖 SEM 圖像。 (c) FAPbI3@D/D、(d) FAPbI3@D/N 薄膜的 XRD 圖樣和 (e) 鈣鈦礦 (110) 相對 PbI2 的峰值強度比。 (f) FAPbI3@D/D 和 (g) FAPbI3@D/N 的 PL 光譜。 (h) 衍生自 FAPbI3@D/D 和 FAPbI3@D/N 薄膜的器件的 PCE 變化。 誤差線由六個獨立的電池獲得。

推薦設備

 QE-R_光伏 / 太陽能電池量子效率測量解決方案

具有以下特色優勢：

l   高精度: QE-R 系統采用高精度光譜儀和校準光源，確保 EQE 測量的準確性和可靠性。

l   寬光譜范圍:QE-R 系統的光譜范圍覆蓋紫外到近紅外區域，適用于各種光伏材料和器件的 EQE 測量。

l   快速測量:QE-R 系統具有快速掃描和數據采集功能，能夠高效地進行 EQE 光譜測量。

l   易于操作:QE-R 系統軟件界面友好，操作簡單方便，即使是初學者也能輕松上手。

l   多功能:QE-R 系統不僅可以進行 EQE 測量，還可以進行反射率、透射率等光學特性的測量，具有多功能性。

文獻參考自Energy Environ. Sci., 2024,_ DOI: 10.1039/D4EE01147C

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