【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/ηSQ >80%, JSC/JSQ SC ≈95%, VOC/VSQ OC 和FF/FFSQ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JSC/JSQ SC，和刀片涂布法制备的器件的电压VOC/VSQ 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~0.1cm2和~1cm2器件，发现~1cm2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SQ极限的~76%，而准二维钙钛矿的是~73%。与高性能混合钙钛矿相比，全无机和准二维钙钛矿太阳电池的限制因素是非辐射复合损失和光电流损失。损失分布计算结果显示，全无机钙钛矿太阳电池存在较大的非辐射复合电压损失，但其光电流损失较小；而准二维钙钛矿则与之相反。此外，作者还分析了具有较好运行稳定性的钙钛矿器件（E1000h>20 Wh‧cm-2）。损失分布计算结果显示，这类器件存在明显的光电流和填充因子损失。
5）损失分析结果表明，不同工艺技术路线制备的钙钛矿器件性能的限制因素是不同的，因此应采用不同的具有针对性的策略。作者总结并详细讨论了不同制备方法、不同成分材料及增加器件面积所面临的挑战及其发展进程，并且提出了相应的解决策略。针对填充因子损失，作者重点指出，传输层的性能对器件的影响是需要考虑的。
6）总结与展望：作者通过量化损失分布，详细分析讨论了钙钛矿太阳电池从小面积器件到大面积组件的技术发展过程中及提升稳定性过程中限制效率的损失机制，总结了各路线所面临的挑战，并提出了相应的解决策略，重点讨论了真空蒸镀法、刀片涂布法和狭缝涂布法的研究进展。针对减少填充因子损失的策略，作者强调提高传输层的载流子提取速率是需要投入更多的研究的，因为电荷的有效收集需要满足Sextτbulk>> d （即传输层的载流子提取速率与吸收层的载流子寿命的乘积要远大于吸收层厚度）。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202403706
视频讲解链接：https://space.bilibili.com/3493298343774494
