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SJTU戚亞冰Joule：效率突破20%的鈣鈦礦太陽能組件，實現(xiàn)從實驗室研究到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的跨越發(fā)表時間：2025-08-05 09:55
主要內(nèi)容 鈣鈦礦太陽能組件（PSMs）已展現(xiàn)出超過20%的**效率。然而，要將這些器件規(guī)?；凉I(yè)尺寸，面臨著若干關(guān)鍵挑戰(zhàn)。小面積器件（<100平方厘米）因采用旋涂工藝且處于可控環(huán)境條件而具備優(yōu)勢，而大面積制造存在薄膜不均勻、激光劃線死區(qū)以及材料降解等問題。當前研究聚焦于可規(guī)模化技術(shù)，包括刮刀涂布、狹縫涂布和氣相處理技術(shù)。然而，隨著組件尺寸的增大，由于薄膜均勻性變差和結(jié)晶控制不佳，效率會顯著下降，進而導(dǎo)致串聯(lián)電阻升高和并聯(lián)電阻降低。 01 PSMs研究進展與產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀 上海交通大學溥淵未來技術(shù)學院戚亞冰講席教授、合肥工業(yè)大學蔣陽教授與童國慶教授，以及沖繩科學技術(shù)研究所研究生院（OIST）能源材料與表面科學部門（EMSSU）的Dr. Luis Katsuya Ono聯(lián)合團隊，對相關(guān)領(lǐng)域展開深入研究。本綜述基于這些研究，概述近期效率超20%的PSMs研究進展，涵蓋學術(shù)界和工業(yè)界在單結(jié)PSMs、鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層太陽能組件及硅/PSMs方面的成果。 研究團隊在PSMs制造技術(shù)對比、效率分析等方面深入研究。實驗室制備大面積PSMs（<100平方厘米）主要用n - i - p和p - i - n兩種構(gòu)型，旋涂法廣泛用于制備鈣鈦礦薄膜等功能層，p - i - n結(jié)構(gòu)中n型功能層常用蒸發(fā)法沉積；工業(yè)領(lǐng)域大面積PSMs制備從n - i - p結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)為p - i - n結(jié)構(gòu)，主要工藝包括狹縫涂布等。對比不同結(jié)構(gòu)和組件尺寸下PSMs效率，發(fā)現(xiàn)大面積PSMs與小面積PSCs效率差距逐步縮小。研究還提出提升PSMs效率和穩(wěn)定性的未來展望。 在不到二十年發(fā)展中，PSMs面積從約10平方厘米發(fā)展至0.72平方米，效率超20%，產(chǎn)業(yè)化進程加速，全球涌現(xiàn)數(shù)百家PSMs企業(yè)。鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層電池和鈣鈦礦/硅疊層電池研究正從實驗室走向工業(yè)應(yīng)用。目前眾多企業(yè)關(guān)注點從提高PCE轉(zhuǎn)向提升穩(wěn)定性，全球PSMs生產(chǎn)線向吉瓦（GW）級過渡，2024年11月極電光能公司完成GW級生產(chǎn)線建設(shè)，首批組件成功下線。 02 PSMs產(chǎn)業(yè)化面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn) 1.工藝差異：PSMs產(chǎn)業(yè)化面臨的首要挑戰(zhàn)是工藝差異。實驗室高效PSMs多采用旋涂法制備，工業(yè)生產(chǎn)常用刮刀涂布和狹縫涂布技術(shù)，實驗室常用添加劑和鈍化材料難用于大規(guī)模生產(chǎn)，需開發(fā)更適合大規(guī)模制造的制備方法和材料。 2.穩(wěn)定性問題：盡管PSMs效率取得進展，但穩(wěn)定性落后于硅太陽能電池。硅太陽能電池使用壽命約25 - 30年，PSMs長期穩(wěn)定性有待提高。目前PSCs和PSMs在標準環(huán)境條件下使用壽命分別超10000小時和5000小時，鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池領(lǐng)域起步階段，尚無環(huán)境條件下運行5年后保持初始性能80%以上的報道。研究團隊指出未來應(yīng)聚焦多方面改進提升穩(wěn)定性，近期研究也凸顯更新穩(wěn)定性評估協(xié)議的緊迫性，要納入熱循環(huán)測試，使用應(yīng)變調(diào)節(jié)添加劑。研究強調(diào)了光照循環(huán)測試協(xié)議的重要性，對傳統(tǒng)指標有效性提出挑戰(zhàn)，需修訂性能評估標準。研究團隊認為實現(xiàn)穩(wěn)定工業(yè)級PSMs需多方面協(xié)同優(yōu)化并結(jié)合嚴格測試協(xié)議。 3.制造成本控制：美國國家可再生能源實驗室（NREL）計算得出，小規(guī)模生產(chǎn)條件下PSMs制造成本高于硅太陽能電池板。目前高效率PSMs依賴高純度試劑且小批量生產(chǎn)，導(dǎo)致成本高。產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵在于大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)中保持高效率并降低成本，未來降低材料成本、優(yōu)化制造設(shè)備及縮短工藝流程是關(guān)鍵。 03 研究結(jié)論與展望 研究團隊通過對PSMs制造技術(shù)、效率、穩(wěn)定性及成本等多方面的深入研究，明確了當前PSMs在學術(shù)和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域所取得的顯著進展，同時也清晰地指出了產(chǎn)業(yè)化進程中面臨的工藝差異、穩(wěn)定性不足以及制造成本控制等關(guān)鍵挑戰(zhàn)。為實現(xiàn)PSMs的商業(yè)化進程和更廣泛的應(yīng)用，未來需在材料、界面、架構(gòu)和工藝路線等方面進行協(xié)同優(yōu)化，開發(fā)適合大規(guī)模生產(chǎn)的制備方法和材料，結(jié)合能夠反映實際運行條件的嚴格測試協(xié)議，提升PSMs的穩(wěn)定性；同時，通過降低材料成本、優(yōu)化制造設(shè)備以及縮短工藝流程等措施，實現(xiàn)低成本、高效率和長壽命的PSMs生產(chǎn)，推動PSMs產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。
文獻信息 Perovskite solar modules with high efficiency exceeding 20%: From laboratory to industrial community Xuean Liu, Jiahao Zhang , Baochang Wang , Guoqing Tong , Jingting Yang ,Yuxin Shi ,Zicong Chen, Luis K. Ono , Yang Jiang , Yabing Qi https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435125002375
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