综述：可视化钙钛矿太阳电池和组件性能损失：从实验室到产业化

【文章信息】

第一作者：颜庚骅

通讯作者：袁野， Thomas Kirchartz

单位：德国于利希研究中心，德国杜伊斯堡 - 埃森大学

【文章简介】

虽然目前小面积钙钛矿太阳电池的效率不断提高，但是要在产业化中实现相同的效率，仍然面临许多挑战。制备工艺、器件尺寸、器件结构和材料类型的任何改变都会导致器件效率的损失。到目前为止，还没有可以生产与小面积器件性能相媲美的大面积组件的解决办法。在不同制备工艺下，主要损失机制大相径庭，这可以为工艺和器件的进一步优化提供指导。在本文中，作者对不同制备方法、不同面积大小和不同材料组成的最先进的钙钛矿电池和组件进行元分析。并且，作者将性能损失分为五个品质因子并将其可视化，基于此讨论商业化必须克服的效率限制损失机制。

文章视频解读请见 https://space.bilibili.com/3493298343774494

【本文要点】

1 ）作者对比分析了几种主要的太阳电池及其组件的损失分布，包括 GaAs, Si, CIGS, CdTe, OPV 和钙钛矿。与商业化最成功的晶体硅组件相比，钙钛矿组件呈现出较大的光电流损失和电阻引起的填充因子损失，并且组件面积远远小于晶体硅组件。

2 ）作者分析并讨论了采用不同方法制备的高性能钙钛矿太阳电池和组件，包括旋涂法、真空蒸镀法、刀片涂布法、狭缝涂布法、喷墨打印法、丝网印刷法、喷涂法和卷对卷印刷法。此外，为了避免带隙不同对性能比较的影响，作者计算了各样品的 SQ 比值。旋涂法制备的小面积太阳电池性能最优， η / η ^SQ >80%, J _SC / J SQ SC ≈ 95%, V _OC / V SQ OC 和 FF / FF ^SQ 在 90-95% 之间。而对于其他制备方法，只有真空蒸镀制备的器件的电流 J _SC / J SQ SC ，和刀片涂布法制备的器件的电压 V _OC / V SQ OC 可以与旋涂的器件相媲美。通过计算各样品的损失分布，作者发现，非辐射电压损失不再是旋涂的器件的主要损失机制；对于适合规模化生产的制备方法，电阻引起的填充因子损失在很多情况下都是主要损失机制。此外，真空蒸镀的器件存在较大的非辐射电压损失，刀片涂布和狭缝涂布制备的器件存在较大的电流损失。作者详细讨论了这三种制备工艺的研究进展。

3 ）作者分析并讨论了扩展器件面积对性能损失的影响。对所有制备工艺，器件效率随面积增大而下降，主要归因于短路电流和填充因子下降。作者通过计算面积每增大 10 倍效率的变化来量化效率衰减，得出刀片涂布和真空蒸镀法制备的样品的效率衰减率小于旋涂的样品。为避免样品容量影响，作者主要对比分析了 ~0.1cm ² 和 ~1cm ² 器件，发现 ~1cm ² 器件的短路电流和填充因子衰减明显。此外，为了增加可比性，作者选取同时报道小面积太阳电池和大面积组件的代表性文献，讨论不同工艺制备的样品在扩展面积过程中性能损失分布。

4 ）为了解决稳定性问题，全无机和准二维钙钛矿受到关注。目前的冠军全无机太阳电池效率达到了