其中

①透明导电基底：一般采用氧化铟锡导电玻璃（ITO）或者氟掺杂的氧化锡导电玻璃（FTO）。

②电子传输层材料（ETM）：如TiO₂ 或PCMB。

③钙钛矿吸光材料：典型代表为碘化铅甲胺（MAPbI3， MA=CH3NH3+），用于吸收太阳光产生光电子的活性材料。

④空穴传输材料（HTM）：通常使用Spiro-OMeTAD或PEDOT:PSS。

①将电洞传输层(PEDOT:PSS)透过旋转涂布法于已清洁的ITO基板上，涂布参数为转速5000rpm时间30秒，而后在140℃下进行退火，时间为10分钟。

②接着在高纯度氮气的手套箱中进行溶液调配钙钛矿涂料，将1.2M 的Pbl2和1.2M甲基铵碘化物溶于DMSO和GBL(体积比为 1:1)混合溶剂中。

③接着将钙钛矿溶液透过旋转涂布法于PEDOT:PSS/ITO基板上，分两段式进行旋转涂布分别为第一段转速1000rpm、时间10秒，第二段转速5000rpm、时间20秒，而后在100℃下进行退火、时间为10分钟。

④接着将电子传输层(PCBM)溶液透过旋转涂布法于钙钛矿层/ PEDOT：PSS/ ITO基板上，转速3000rpm、时间30秒。

⑤最后，透过热蒸镀制程进行电极制作，材料为钙(Ca)/铝(Al)，蒸镀厚度为100奈米(nm)，完整结构钙钛矿太阳能电池组件。

图2钙钛矿太阳能电池基本结构

(图片来源：参考信息3)

通过旋转涂布法制备钙钛矿层，其中主要分为一步法和二步法。

1）一步法是将钙钛矿前驱物，如甲基碘化铵与碘化铅，一起溶解在二甲基甲酰胺/二甲基亚砜等溶剂中，然后在高速旋转的后半段滴下反溶剂以去除溶剂，再进行热处理得到钙钛矿。

2）二步法则是先制作碘化铅薄膜，然后在高速旋转中滴入前驱物如甲基碘化铵来合成钙钛矿。

刮刀涂布是一种简单、低成本可大规模涂布技术。其运作原理是通过移动刀片或基板 (substrate)，刮涂前驱体溶液来制备大面积薄膜(如图3所示)。其最大的优势为仅需极少量的前驱体溶液，改进了旋转涂布法中浪费大量溶液的缺点。原则上，所制备的薄膜厚度可透过调整前驱体溶液浓度、刀片的移动速度、基板的性质以及刀片与基板之间的距离来控制。

图3 刮刀涂布的运作原理

狭缝涂布法已广泛应用于连续大规模涂布制程，是非常适合卷对卷制程的涂布技术。狭缝涂布装置包含两个独立的可移动刀片，两刀片之间的间隙构成一个狭缝，可供墨和进行流量控制(如图4所示)。与刮刀涂层法相似，薄膜厚度可以透过调整前驱体溶液浓度、基板的性质和刀片与基板之间的距离来控制，而油墨特性 (黏度和浓度)、抽墨喷涂速度、基材移动速度和刀片之间的狭缝尺寸也是薄膜性质的可控件。因此，狭缝涂布法目前普遍被认为是最适合工业大规模生产的涂布技术。

图4 狭缝涂布的运作原理

喷涂法是一种以溶液形式的大规模涂布制程。为了提高喷涂过程中的再现性和稳定性，通常会在喷涂系统中使用超声波振动吸头，以产生微小的墨滴，最后再透过氮气枪直接沉积在基板上。在基板上，墨滴会融合成均匀连续的湿膜，接着在特定温度下干燥获得致密的薄膜(如图5所示)。原则上，薄膜厚度可以透过改变前驱体溶液的流速、浓度、氮气枪喷流的移动速度以及基板的温度来调整。

图5 喷涂法的运作原理

喷墨印刷法是一种多功能且具有低温溶液制程的大规模涂布技术，其透过固定墨水流量通过喷嘴来制备均匀且连续的薄膜。通过控制喷嘴，喷墨印刷法具有轻巧的图案化能力，克服了传统涂层方法通常需要掩膜板或激光图案化的限制，也避免额外的材料浪费和可能的缺陷形成(如图6所示)。由于可控及多功能的沉积、材料的有效使用、大气环境下的低成本制程，喷墨印刷法亦被公认为有潜力的工业生产印刷技术之一。

图6 喷涂法的运作原理

主流大面积钙钛矿制程技术优缺点比较整理如表1。

图7 卷对卷钙钛矿太阳能电池

表2 湿法制造卷对卷钙钛矿太阳能电池的比较

大面积钙钛矿太阳能电池发展案例介绍

 

 

 

日本东芝公司

 

日本东芝公司在其薄膜型太阳能电池的应用规划，预计透过在城市地区大规模安装薄膜型太阳能电池等扩大再生能源发电如图8所示。

图8 日本东芝公司发展薄膜型太阳能电池的应用规划

日本东芝公司在 2023 年 2 月发表使用专有的弯液面涂布方法(注1)制造大面积钙钛矿太阳能电池(图9所示),转换效率为 16.6% 面积703平方公分(注2)的(参考信息4)。透过使用这种涂层方法，既可以提高能量转换效率，又可以加快生产过程，目前我们正在致力于开发一种高效、低成本的薄膜型电池以供使用。

注1：利用弯液面（间隙中的液体表面因界面张力而形成的曲面）的涂布方法

注2：受光面积尺寸为24.15cm x 29.10cm（702.8平方公分）

图9 日本东芝公司发展大面积柔性钙钛矿太阳能电池

 

 

德国Oxford PV公司

2010年的德国新创公司Oxford PV，专注于真空沉积型钙钛矿/硅串联太阳能电池的开发。该公司使用典型发光效率为20-22%的硅系大阳能电池,在其上面进行真空沉积型钙钛矿大阳能电池的制程,让组合的钙钛矿/硅串联大阳能电池效率超过30%(参考信息5)。Oxford PV公司位于德国柏林附近哈佛尔河畔勃兰登堡的工厂拥有世界上第一条硅基钙钛矿串联太阳能电池批量生产线(图10所示)。

Oxford PV 是牛津大学的子公司，在硅基钙钛矿串联太阳能电池的开发领域处于世界领先地位，该电池的理论最大效率超过 43%，而硅太阳能电池的理论最高效率还不到 30%。理论值超高光电转化效率的硅基钙钛矿串联太阳能电池是现阶段全球发展的重要目标之一。

图10 德国Oxford PV公司展示世界上第一条硅基钙钛矿(真空沉积型)串联太阳能电池批量生产线

钙钛矿太阳能电池商务发展关键

 

钙钛矿太阳能电池商务发展关键有2个重点: 

可商业化生产

可大面积生产

在钙钛矿/硅串联太阳能电池部分,依据2024.09.05的PV Magazine报导(参考信息6), Oxford PV 正在向美国客户交付其首款商用钙钛矿太阳能组件。该产品(见图11)是72 片太阳能电池组件的效率为 24.5%，比传统硅组件多20% 的光电转换效率。

图11 Oxford PV开始商业化之钙钛矿/硅串联太阳能电池

Oxford PV的钙钛矿太阳能电池制造虽然全部使用真空沉积法,但在涂布法方面,日本东芝公司也展现受光面积尺寸为24.15cm x 29.10cm（702.8平方公分）的柔性的钙钛矿太阳能电池。因此未来钙钛矿太阳能电池商务发展是非常可期。