鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSC）因生產(chǎn)成本低、原料儲(chǔ)量豐富、器件光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）高，自誕生之日起發(fā)展迅速，目前實(shí)驗(yàn)室制備的電池器件最高認(rèn)證效率高達(dá) 25.5%。據(jù)估算，PSC 的發(fā)電成本將有望低于核能、風(fēng)能、水利、天然氣、煤等現(xiàn)行發(fā)電方式，更遠(yuǎn)低于目前廣泛使用的商業(yè)化晶硅太陽(yáng)能電池，PSC 已成為太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
制約 PSC 商業(yè)化推廣使用的問(wèn)題在于電池器件的大面積化和穩(wěn)定性。PSC 實(shí)驗(yàn)室器件（面積小于 1 cm2）的 PCE 較高（超過(guò) 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(shí)，遠(yuǎn)低于商業(yè)化的晶硅太陽(yáng)能電池，穩(wěn)定性也亟待提高。為得到兼具高效率與高穩(wěn)定性的大面積 PSC，需分析 PSC 的組成與結(jié)構(gòu)，對(duì)構(gòu)成 PSC 的材料成分、內(nèi)部各個(gè)功能層的制備方式以及功能層間的連接方式進(jìn)行合理選擇，是得到效率高且穩(wěn)定性高的大面積 PSC 的關(guān)鍵。染料敏化太陽(yáng)能電池到 PSC 的演變過(guò)程鈣鈦礦一詞一般用于指代擁有 ABX3 型晶體結(jié)構(gòu)的化合物。PSC 因電池的光電轉(zhuǎn)換層采用了鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料而得名。圖1 DSSC（a）到初期 PSC（b）的結(jié)構(gòu)演變過(guò)程示意圖
PSC 是由染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSC）演變而來(lái)，DSSC 的結(jié)構(gòu)如圖 1（a）所示。由圖 1（a）可見(jiàn)，由下到上依次是進(jìn)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(zhuǎn)換作用的染料敏化劑、電解質(zhì)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(zhì)液換為固態(tài)空穴傳輸介質(zhì) spiro-OMeTAD（2，2' ，7，7' -四（N，N-二對(duì)甲氧基苯胺）-9，97' -螺二芴），保留 TiO2多孔薄膜的基礎(chǔ)上引入了致密 TiO2 薄膜層結(jié)構(gòu)。有研究在上述基礎(chǔ)上對(duì) TiO2 多孔薄膜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，從可以傳輸電子的 TiO2 多孔薄膜形態(tài)演進(jìn)到僅起支撐作用的絕緣 Al2O3骨架。經(jīng)過(guò)一系列演變形成了圖1（b）中 PSC 的早期結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展為現(xiàn)在常見(jiàn)的介觀結(jié)構(gòu)和平板結(jié)構(gòu)。PSC 器件的基本結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。圖?2?常見(jiàn)的?PSC?器件結(jié)構(gòu)示意圖由圖 2可見(jiàn)，鈣鈦礦材料構(gòu)成的光活性層（即光電轉(zhuǎn)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(gè)載流子傳輸層外側(cè)又各自接出電極。通常兩個(gè)電極分別為由透明導(dǎo)電氧化物FTO（摻雜氟的 SnO2）或 ITO（90%（w）的 In2O3和 10%（w）的 SnO2）充當(dāng)?shù)耐该麟姌O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(duì)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?fù)该麟姌O）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(chǎn)工藝復(fù)雜，同時(shí)典型的介孔層材料 TiO2 在長(zhǎng)期紫外光照環(huán)境中會(huì)導(dǎo)致鈣鈦礦光活性層發(fā)生分解，大面積 PSC 器件的結(jié)構(gòu)應(yīng)首選平面電池結(jié)構(gòu)。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(jiàn)，太陽(yáng)光透過(guò)透明電極（正結(jié)構(gòu)中透明電極在外電路中是陽(yáng)極，故圖 3中用光陽(yáng)極代表）和緊鄰的 ETL 打在光活性層上，并在光活性層中發(fā)生光子到激子（由電子與空穴組成）的轉(zhuǎn)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(yīng)載流子傳輸層的導(dǎo)帶與價(jià)帶，并進(jìn)一步被與載流子傳輸層相鄰的外部電極收集。當(dāng)連接外電路負(fù)載時(shí)，整個(gè) PSC 器件在光照下產(chǎn)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(fù)合，這是電池能量轉(zhuǎn)換效率存在理論極限的原因之一。單一器件PSC較晶硅太陽(yáng)能電池或以碲化鎘、銅銦鎵硒為代表的第二代太陽(yáng)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(yáng)能電池的大面積是保證高功率輸出的關(guān)鍵，因此，需要將多個(gè)小面積的PSC 器件進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)，保證高 PCE 的前提下獲得高功率的大面積太陽(yáng)能電池組件。多個(gè) PSC 器件間的連接方式繼承了DSSC 器件間的連接方式。圖?4 DSSC?中多器件之間的串、并聯(lián)連接方式圖 4 （a）、（c）和（d）分別代表多個(gè)電池器件間的不同串聯(lián)連接方式，圖4 （b）代表并聯(lián)連接。圖 4（b）、（c）和（d）代表的連接方式對(duì)于 PSC 均存在缺點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中多個(gè) PSC 器件的連接方式以圖 4 （a）代表的S 型串聯(lián)為主。串聯(lián)連接組件的短路電流與其中各器件的短路電流一致，總開(kāi)路電壓是各器件電壓的加和。圖?5?用于?PSC?組件形成內(nèi)部串聯(lián)的三次光刻示意圖為實(shí)現(xiàn)多個(gè)小面積 PSC 器件的 S 型串聯(lián)需要進(jìn)行如圖 5 所示的三次光刻，分別針對(duì)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(guò)程中與每層材料的制備穿插進(jìn)行：首先對(duì)透明電極進(jìn)行 P1 光刻制備核心層，再對(duì)核心層整體進(jìn)行 P2 光刻制備背電極，并對(duì)背電極進(jìn)行P3 光刻。合理配置 P1、P2 和 P3 三次光刻的相對(duì)位置，可提高 PSC 組件內(nèi)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(yáng)能電池領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，但它的商業(yè)成品的工業(yè)批量化流水線生產(chǎn)面臨面積放大以及穩(wěn)定性等難題。介紹了適用PSC 流水線生產(chǎn)的大面積組件的結(jié)構(gòu)，以及各個(gè)功能層中所需的材料及其制備方法，并兼具了穩(wěn)定性因素考量。組件的內(nèi)部 S 型串聯(lián)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(jié)構(gòu)、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(jìn)行的外封裝，共同構(gòu)成了可能實(shí)現(xiàn)工業(yè)批量化流水線生產(chǎn)的大面積PSC 組件。
來(lái)源：鈣鈦礦太陽(yáng)能電池大面積組件制備的研究進(jìn)展原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（光伏產(chǎn)業(yè)通）：鈣鈦礦太陽(yáng)能電池大面積組件制備的研究進(jìn)展
