鈣鈦礦太陽能電池（PSC）因生產成本低、原料儲量豐富、器件光電轉換效率（PCE）高，自誕生之日起發展迅速，目前實驗室制備的電池器件最高認證效率高達 25.5%。
據估算，PSC 的發電成本將有望低于核能、風能、水利、天然氣、煤等現行發電方式，更遠低于目前廣泛使用的商業化晶硅太陽能電池，PSC 已成為太陽能電池領域的研究熱點。
制約 PSC 商業化推廣使用的問題在于電池器件的大面積化和穩定性。PSC 實驗室器件（面積小于 1 cm2）的 PCE 較高（超過 20%），但電池器件面積放大后（面積大于 10 cm2）的 PCE 大幅下降（降至 10%）；PSC 器件的壽命約上千小時，遠低于商業化的晶硅太陽能電池，穩定性也亟待提高。
為得到兼具高效率與高穩定性的大面積 PSC，需分析 PSC 的組成與結構，對構成 PSC 的材料成分、內部各個功能層的制備方式以及功能層間的連接方式進行合理選擇，是得到效率高且穩定性高的大面積 PSC 的關鍵。
鈣鈦礦一詞一般用于指代擁有 ABX3 型晶體結構的化合物。PSC 因電池的光電轉換層采用了鈣鈦礦結構材料而得名。
圖1 DSSC（a）到初期 PSC（b）的結構演變過程示意圖
PSC 是由染料敏化太陽能電池（DSSC）演變而來，DSSC 的結構如圖 1（a）所示。
由圖 1（a）可見，由下到上依次是進光的透明電極、作為電子傳輸層的 TiO2 多孔薄膜與附著在薄膜上起光電轉換作用的染料敏化劑、電解質液及背電極。
有研究在將鈣鈦礦材料（MA）PbBr3與（MA）PbI3（MA 為甲胺（CH3NH3））作為敏化劑。
Kim 等將 DSSC 的電解質液換為固態空穴傳輸介質 spiro-OMeTAD（2，2' ，7，7' -四（N，N-二對甲氧基苯胺）-9，97' -螺二芴），保留 TiO2多孔薄膜的基礎上引入了致密 TiO2 薄膜層結構。
有研究在上述基礎上對 TiO2 多孔薄膜的結構進行改進，從可以傳輸電子的 TiO2 多孔薄膜形態演進到僅起支撐作用的絕緣 Al2O3骨架。
經過一系列演變形成了圖1（b）中 PSC 的早期結構，并在此基礎上發展為現在常見的介觀結構和平板結構。
由圖 2可見，鈣鈦礦材料構成的光活性層（即光電轉換層）位于中間，上下緊鄰空穴傳輸層（HTL）和電子傳輸層（ETL），這兩個載流子傳輸層外側又各自接出電極。
通常兩個電極分別為由透明導電氧化物FTO（摻雜氟的 SnO2）或 ITO（90%（w）的 In2O3和 10%（w）的 SnO2）充當的透明電極和由 Au或 Ag 等貴金屬制備的背電極（即圖 2 中的 Metal electrode）。
按是否含有介孔層將 PSC 分為介孔正向電池（即圖 2 中的 Mesoporous n-i-p）和平面電池；而平面電池按 ETL 與 HTL 相對于透明電極的位置分為平面正向電池（即圖 2 中的 Planar n-i-p，ETL 緊鄰透明電極）與平面反向電池（即圖 2 中的 planar p-i-n，HTL靠近透明電極）。
由于介孔正向電池中的介孔層生產工藝復雜，同時典型的介孔層材料 TiO2 在長期紫外光照環境中會導致鈣鈦礦光活性層發生分解，大面積 PSC 器件的結構應首選平面電池結構。
以平面正向電池為例，PSC 器件的工作原理如圖 3 所示。
圖?3 PSC?的工作原理示意圖
由圖 3 可見，太陽光透過透明電極（正結構中透明電極在外電路中是陽極，故圖 3中用光陽極代表）和緊鄰的 ETL 打在光活性層上，并在光活性層中發生光子到激子（由電子與空穴組成）的轉變；光活性層材料（MA）PbI3 激子束縛能較小，光生激子快速弛豫、分離成為自由的電荷與空穴。
因（MA）PbI3 與ETL材料 TiO2 和 HTL 材料spiro-OMeTAD 存在能極差，分離的自由電荷和空穴分別注入相應載流子傳輸層的導帶與價帶，并進一步被與載流子傳輸層相鄰的外部電極收集。
當連接外電路負載時，整個 PSC 器件在光照下產生電流。
圖 3 （b）中的紅色箭頭代表分離的自由電荷與空穴的復合，這是電池能量轉換效率存在理論極限的原因之一。
單一器件PSC較晶硅太陽能電池或以碲化鎘、銅銦鎵硒為代表的第二代太陽能電池難在大面積下保持高 PCE，單一器件 PSC 的 PCE 隨器件面積的增加急劇衰退。
而太陽能電池的大面積是保證高功率輸出的關鍵，因此，需要將多個小面積的PSC 器件進行串聯或并聯，保證高 PCE 的前提下獲得高功率的大面積太陽能電池組件。
多個 PSC 器件間的連接方式繼承了DSSC 器件間的連接方式。
圖 4 （a）、（c）和（d）分別代表多個電池器件間的不同串聯連接方式，圖4 （b）代表并聯連接。圖 4（b）、（c）和（d）代表的連接方式對于 PSC 均存在缺點，實際應用中多個 PSC 器件的連接方式以圖 4 （a）代表的S 型串聯為主。串聯連接組件的短路電流與其中各器件的短路電流一致，總開路電壓是各器件電壓的加和。
圖?5?用于?PSC?組件形成內部串聯的三次光刻示意圖
為實現多個小面積 PSC 器件的 S 型串聯需要進行如圖 5 所示的三次光刻，分別針對透明電極，由ETL、鈣鈦礦光活性層和HTL組成的核心層，以及背電極，在圖 5 中依次記作 P1、P2 和 P3。
P1、P2 和 P3 需選用不同波段的刻蝕光，在 PSC組件的制備過程中與每層材料的制備穿插進行：首先對透明電極進行 P1 光刻制備核心層，再對核心層整體進行 P2 光刻制備背電極，并對背電極進行P3 光刻。
合理配置 P1、P2 和 P3 三次光刻的相對位置，可提高 PSC 組件內部的連接效率，增大組件整體的輸出功率。
PSC 因高 PCE、低成本成為太陽能電池領域的研究熱點，但它的商業成品的工業批量化流水線生產面臨面積放大以及穩定性等難題。
介紹了適用PSC 流水線生產的大面積組件的結構，以及各個功能層中所需的材料及其制備方法，并兼具了穩定性因素考量。
組件的內部 S 型串聯連接、由真空蒸鍍法制備的 SnO2 和 CuPc 分別作為 ETL 和 HTL的平面正向電池結構、狹縫涂布法制備的鈣鈦礦光活性層和碳電極、紫外固化方式進行的外封裝，共同構成了可能實現工業批量化流水線生產的大面積PSC 組件。
原文始發于微信公眾號（光伏產業通）：鈣鈦礦太陽能電池大面積組件制備的研究進展
