从基础科学到器件工程，钙钛矿技术在短短十几年的时间里取得了巨大进步。在薄的柔性衬底上利用这项技术的可能性，与类似的光伏系统相比，提供了无与伦比的功率重量比，开辟了新的可能性和新的集成概念，从构建集成和应用的光伏(BIPV、BAPV)到物联网(IoT)。鉴于此，2025年1月16日，罗马第二大学Luigi Angelo Castriotta&北卡罗来纳大学黄劲松于AM刊发钙钛矿太阳能技术迈向柔性化转型的综述，总结了柔性衬底上钙钛矿太阳能技术的最新进展，重点讨论了研究人员在使用柔性衬底时面临的挑战。有必要对材料科学进行深入的研究，以了解与刚性基底相比，哪种机制限制了其效率，以及哪种物理机制限制了在柔性基底上的放大。此外，还将对柔性模组的稳定性测试进行概述，提出通用的标准程序和遵循的准则，并说明柔性模组在弯曲时面临的额外问题，以及如何防止设备退化以提供临时封装。最后，将展示钙钛矿市场中柔性器件的最新进展，概述该技术如何在柔性衬底上开发，以及仍有哪些需要利益相关者关注的缺失。

引言

钙钛矿太阳能技术取得了令人瞩目的进展，在短短的14年里从3.8%提高到了26.1%的能量转换效率。最初在带有透明导电氧化物(TCOs)涂层玻璃的刚性衬底上测试，钙钛矿的吸引力在于使用低温工艺(< 150 °C)简化制备步骤。这使得柔性衬底如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)的使用成为可能，在易加工性和耐用性之间提供了一个折中，从而获得具有高功重比的轻量型器件。

柔性钙钛矿太阳能电池(f-PSCs)在12年内实现了高达25.1%的效率，最近3年的改进将效率从21.7%提升到25.1%。挑战包括聚合物基底在不同环境条件下的化学和物理变形。解决这些挑战对于缩小与刚性衬底的效率差距至关重要。虽然通常使用旋涂法在小面积(0.1 cm2)上获得结果，但商业可行性需要在更大尺度上证明。各种涂布技术，如卷对卷、狭缝、刮刀、喷墨打印、喷涂和丝网印刷等，增加了研究和开发的复杂性。钙钛矿太阳能电池的大面积涉及到串联电池(P1、P2、P3)，以减轻电阻率对性能的影响。P1，P2和P3是指用于图案模块和互连单元的顺序激光划线步骤。P1去除TCO层以隔离相邻的电池。P2工艺要求在不接触TCO的情况下刻蚀整个层(钙钛矿和传输层)，除了P1线外，还需要进行多次P2划线。这一步是最关键的一步，因为它需要非常精确的刻蚀，以避免下面的TCO的任何损坏，这对于在电池之间建立正确的电流路径是至关重要的。P3通过刻蚀对电极将电池从顶部分离出来，确保电流路径从一侧穿过TCO，并在顶部电极上进行另一侧接触。

激光刻蚀优化变得至关重要，在柔性衬底上由于与沉积层的化学和物理相互作用而面临挑战。由于PET和PEN等聚合物衬底的热阻比刚性衬底低，激光刻蚀过程的热效应在柔性器件中尤为明显。激光刻蚀过程中过度的局部加热会引起基底变形、层片分层以及材料性能的变化，如电导率降低或机械完整性降低等。这些效应需要精确控制激光参数，包括脉冲持续时间和能量密度，以最大限度地减少热损伤，并确保柔性器件的结构和功能完整性。

柔性钙钛矿太阳能组件(fPSMs)的效率从0.06 cm2时的25.1%下降到900 cm2时的16.4%，有很大的提升空间。尺度扩大遇到的困难影响刚性和柔性衬底，包括层不均匀性损失，欧姆和非活性面积损失，以及方阻损失。在PET和PEN等柔性衬底上，激光刻蚀过程中的热效应更加明显，需要仔细考虑激光脉冲持续时间。

稳定性测试对市场采用至关重要，但缺乏对柔性设备的全面报告。鼓励进行机械稳定性测试，同时进行光照浸泡和热应力测试，以展示其与现有灵活技术的竞争力。封装策略对于保护环境至关重要，有利于灵活、隔离和耐用的f PSCs基质，以满足不同的应用。

在这篇综述中，作者更深入地探讨了向柔性基底过渡时面临的具体挑战，包括在各种环境条件下出现的机械和化学稳定性问题，强调了对商业可行性至关重要的升级过程。作者重点关注电池的串联以减轻电阻率的影响，以及对柔性衬底的激光刻蚀技术(P1、P2、P3)的优化，这是在更大尺度上保持性能的一个重要方面。

此外，本综述还对最新的稳定性测试程序进行了深入的研究，包括机械稳定性测试和为柔性模块量身定制的封装策略，这对于市场的采用至关重要，但往往被忽视。它涵盖了在柔性衬底上的钙钛矿太阳能电池和模块的进展、挑战和进展。它深入研究了材料、化学作用和制备过程，强调了在大面积衬底上均匀沉积的必要性。还讨论了稳定性、封装性和商业化前景，对该领域进行了全面的概述。

通过强调这些未开发的领域，本综述旨在为研究人员和利益相关方提供一个详细的路线图，以解决柔性钙钛矿太阳能电池商业化过程中的剩余挑战。这包括对现行标准程序的评估，防止设备退化的指南，以及对最近市场趋势和未来前景的见解。

2. 向柔性转变的挑战

作者总结了一些改善柔性钙钛矿太阳能电池性能的方法：为了降低能量的标准化成本(LCOE)，柔性太阳能电池必须在运行条件下保持稳定。图1a所示的方法和机理是通过在墨水中引入链长为(C2~C4)的强结合基团(─COO─, ─PO2OH, ─NH2, ─SO2OH)的直链双功能配体来整体提高钙钛矿太阳能电池在操作条件下的稳定性和耐久性，同时在操作过程中保持高性能；这些双功能配体可以伸出钙钛矿晶格，填充晶界，并到达钙钛矿的顶部和底部表面，改善底部界面、顶部界面和晶界粘附。整个过程可以在保持器件性能的同时提高柔性太阳能电池的鲁棒性。研究人员在器件制造中面临着挑战，如保持均匀的薄膜形成，确保层与层之间的强粘附性，以及管理导致开裂和分层的机械应力。低温加工技术对于避免柔性衬底的损坏也至关重要。

图2. a) 用于柔性钙钛矿太阳能技术的器件结构：PIN，NIP和叠层器件结构。b) 重点研究的主要问题是解决限制刚性和柔性衬底之间的差距：柔性衬底的选择，柔性衬底和TCO之间的接触，其中ITO的方块电阻通过衬底弯曲来改变；TCO与HTL ETL之间的接触，主要问题集中在孔洞的存在以及这些层之间的接触结合较差；HTL/ETL与钙钛矿之间的接触(埋底界面)，钙钛矿层可能会错位，产生孔洞，并且在HTL / ETL下面的HTL / ETL中具有较差的接触结合。

3. 逐层进行设计

柔性衬底通常由轻质和耐用的材料制成，提供了结构骨架，使太阳能电池能够符合各种表面和应用。作者从基底、TCOs、HTL、ETL、钙钛矿和顶电极等方面具体阐述柔性钙钛矿技术的设计观点。这些层的结合不仅提高了性能，而且为灵活和多用途的应用打开了可能性，为钙钛矿太阳能技术为可再生能源的革命性发展铺平了道路。

表2 柔性基底特性

4. 埋底界面

作者认为在柔性衬底上探索PSCs中的埋底界面是提高这种有前途的光伏技术的性能和适用性的重要途径。在柔性衬底上的钙钛矿太阳能电池中，埋底界面的一个关键方面是它们对器件内部电荷传输和复合动力学的影响。高效的电荷载流子跨界面传输对于优化太阳能电池的整体性能至关重要。钙钛矿与电荷传输层之间的界面结合强度是影响柔性钙钛矿太阳能电池机械稳定性的关键因素。强的界面结合是防止分层和确保有效电荷转移的必要条件，直接影响器件在机械变形和户外紫外光照射下的稳定性和性能。此外，埋底界面显著影响了用于保护钙钛矿器件免受外部因素(包括水分和氧气)影响的钝化策略。在埋底界面处使用的钝化材料和技术对于防止退化和确保柔性钙钛矿太阳能电池的耐久性至关重要。

5. 大面积

作者总结了柔性钙钛矿光伏模组的相关研究进展，正反式结构以及叠层结构中的性能优化策略。作者认为对于柔性钙钛矿太阳能组件(fPSMs)，解决机械裂纹和实现不同制造器件的可重复性是主要的挑战。对于较大的衬底，如P1，P2和P3，激光划片需要额外的步骤，这在优化热效应和线性刻蚀方面显示出挑战，需要精确控制激光能量密度。也有使用激光刻划的替代方案，如机械刻划或使用特定的掩模以避免顶部电极在P3步沉积，但它们的使用限制了fPSMs的性能，降低了精度、几何填充因子(GFF)和器件的快速加工。

从小面积器件到模块的结果可转移性和模组制造中激光工艺的优化对于弥合刚性和柔性衬底之间的性能差距至关重要。较大的覆盖面积需要注意薄膜的均匀性，对传统的旋涂方法提出了挑战。克服这些挑战对于缩小性能差距和充分优化模组制造的激光工艺至关重要。制造和升级fPSM涉及2种主要的涂覆方法和不同的接触拓扑结构，如图4e、f所示：单张式(S2S)和卷对卷(R2R)方法是钙钛矿中常用的方法；虽然这两种方法都是为了生产柔性器件，但关键的区别在于它们的可扩展性和对大规模生产的适应性。S2S过程涉及单张的处理，从而限制了吞吐量。相比之下，卷对卷技术只适用于柔性基板，可实现柔性材料的连续高速卷材生产。这种在可扩展性方面的固有优势使得卷对卷方法对于大面积柔性钙钛矿太阳能组件的高效和高性价比制造特别有利。R2R器件需要使用可溶液加工的顶电极，这限制了其现在的应用(见图3)：最近，Beynon等人和维拉辛哈等人分别在钙钛矿电池和模组上证明了使用R2R的这项技术的兼容性。R2R技术具有优势，因为它们能够实现高速、连续生产，这对于将柔性钙钛矿太阳能电池扩展到商业上可行的水平至关重要。这些技术降低了制造成本，提高了生产效率。图4和表1展示了柔性钙钛矿太阳能电池和模组的最先进的发展总结。

图4. a)总结了截至202 419年11月，在研究领域中对柔性钙钛矿技术所取得的最佳结果进行的力学测试，r代表以mm测量的弯曲半径，进行弯曲试验，愈合步骤为1小时，每2000次循环；b) 提出了标准的ISOS-M机制，展示了一个力学测试周期，使柔性装置从平面转到固定弯曲位置，适用于凸起和凹陷两种工况；c) 提出了标准的ISOS-B机制，使柔性器件从平面上升到1 mm的弯曲半径。

表3. 概述了常用的现有ISOS协议，并提出了考虑柔性衬底上钙钛矿材料和器件性能的附加协议

表4. IEC 61 215 / 61 646标准测试的方案和建议的指南，以表征柔性衬底上的钙钛矿太阳能组件

7. 封装作者认为封装是保证太阳能电池寿命、效率和安全性的关键步骤，特别是随着对柔性衬底太阳能电池的关注越来越多。柔性模组需要封装材料在保持柔韧性的同时，对水分、氧气和机械应力提供坚固的保护。相比之下，刚性模组使用封装材料，如乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)，它提供了优异的保护，但缺乏灵活性。对于柔性模组，薄膜封装、柔性层压等先进的封装方法必不可少。柔性钙钛矿模块的封装通常使用柔性聚合物(例如,聚烯烃、聚氨酯等)和多层阻挡层薄膜等材料。这些材料必须提供低的水蒸气透过率(WVTR)和氧气透过率(OTR)来保护敏感的钙钛矿层。例如，聚烯烃等柔性封装材料可以提供低至0.01 g / m2/day的WVTR值，这对于保持器件性能和稳定性至关重要。在柔性PSC生产中常见的卷对卷工艺，需要在很长的长度上均匀地沉积封装层，以实现一致的保护。高性能的阻隔膜对长期稳定性至关重要，水蒸气和氧气透过率(WVTRs和OTRs)是关键指标。钙钛矿太阳能技术要求WVTR或OTR的阻隔性能反映了这些器件对水分和氧气(表5 ,图5a)的敏感性。实现如此严苛的阻隔性能对阻隔薄膜的初始制备和批量生产都提出了挑战。表5. 封装材料的特性要求或规范。

图5. a) 不同技术对封装保护的阻隔性能需求；b) 两种不同的柔性光伏器件封装技术示意图，显示柔性层压和薄膜封装；c) 阐明了四种不同的水分和氧气渗透和进入柔性封装钙钛矿器件的途径，这可能导致加速的器件退化和缩短的寿命。

8. 商业化新产品的市场推广涉及生产、分销、营销、销售和客户支持的综合过程。虽然柔性钙钛矿太阳能电池已经在实验室中显示出了前景，但过渡到大规模工业生产是一个正在进行的过程。实验室规模的钙钛矿太阳能电池显示出与多晶硅太阳能电池相当的效率，但成本更低，重量更轻，制造工艺更简单。fPSCs在批次间和实验室间表现出不同的性能，需要扩大到模块尺寸以实现商业化。为了商业化，钙钛矿太阳能组件在生产方面需要大型化，批次间可重复性和具有高吞吐量。柔性大面积组件的发展及其商业化取决于三个主要的重要方面：(i) 在柔性衬底上批量制备高质量均匀无针孔的钙钛矿薄膜的可重复性，(ii) 这种钙钛矿薄膜在柔性衬底上的可扩展性，(iii) 柔性太阳能组件的机械稳定性。FPSCs可应用于弯曲表面，包括住宅建筑、车辆和太阳能发电场。弯曲和扭曲会导致性能的显著下降，因为堆叠层，如柔性聚合物衬底上的氧化铟锡( ITO )，在机械上是不稳定的。在所有这些努力下，包括Oxford PV，Saule Technologies和Swift Solar在内的许多公司仍在积极开发钙钛矿太阳能产品，以推进这项技术。例如，Saule Technologies公司将其产品展示在柔性基板上，目前市场上已有2种产品，如Solar Sun blind ' s和Perovskite Electronic Shelf Labels：该公司决定开发其在BAPV和IoT应用中的业务，其原型见图6。