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钙钛矿太阳能技术发展迅速，但在向柔性化过渡中面临诸多挑战。北卡罗来纳大学教堂山分校黄劲松团队于Advanced Materials期刊综述了其在柔性基板上的研究进展，包括基板、电极、传输层等各层设计，埋层界面、放大制备、稳定性、封装和商业化等方面，提出了应对挑战的策略和未来研究方向，为推动柔性钙钛矿太阳能技术的发展提供了全面参考。
一、钙钛矿太阳能技术向柔性化转变的研究背景
1、技术进展与优势
钙钛矿太阳能技术在过去十多年取得显著进步，功率转换效率从 3.8% 提升到 26.1%。其可在低温工艺下制备，能使用柔性基板，如 PET 和 PEN 等，使器件具有重量轻、功率重量比高的优势，柔性钙钛矿太阳能电池（fPSCs）在 12 年内效率达到 25.1%。聚合物基板在不同环境下易发生化学和物理变形，影响钙钛矿薄膜形成和电池性能。从小面积到大面积制备面临诸多困难，如激光蚀刻在柔性基板上因热效应易导致基板变形、层间剥离和材料性能改变，且不同涂层技术增加了研发复杂性。柔性钙钛矿太阳能模块（fPSMs）从 0.06 cm² 到 900 cm² 效率大幅下降，且稳定性测试缺乏全面报道，机械稳定性测试及合适的封装策略有待完善。二、向柔性基板过渡的挑战
1、柔性基板特性差异
与刚性基板相比，柔性基板在热膨胀收缩管理、应变下导电性保障及机械故障预防等方面面临特殊挑战，如柔性基板的热膨胀系数、机械强度等特性影响器件性能。包括选择合适基板、优化各层材料及工艺以形成均匀无缺陷层，同时要保证在低温下加工以保护柔性基板，避免如导电层图案化时产生裂纹等问题。三、各层设计要点
1、基板选择
分为柔性玻璃、聚合物和箔金属基板等。聚合物基板（如 PET、PEN）应用广泛，PET 透光性好但在紫外有吸收，可通过添加下转换层改善；PEN 抗紫外性能较好。聚酰亚胺（PI）热稳定性好但透光性和颜色存在问题。常用透明导电氧化物（TCOs）如 ITO，但在柔性基板上沉积温度降低影响结晶度和导电性。替代材料如 PEDOT、石墨烯等各有优缺点，在导电性、透明度、可扩展性和稳定性方面仍需改进。电荷传输层沉积要求高，需保证良好带隙匹配和均匀性，引入中间层和添加剂可提高钙钛矿薄膜均匀性和电池效率。分为无机和杂化类型，无机型热稳定性好但较脆，杂化型灵活性好但热稳定性差。需考虑杨氏模量和粘附性优化其机械稳定性，采用低温沉积技术如 Blade 涂层、Slot - die 涂层、喷墨印刷等，并通过表面处理和多层封装增强化学稳定性。多采用蒸发接触材料（如 Cu、Ag、Au），但存在与卤化物反应等问题，需研发可替代的 printable 层，目前已有一些研究尝试如使用碳电极等提高稳定性和 bendability。四、埋层界面研究
1、电荷传输与复合
埋层界面影响电荷传输和复合动力学，其界面结合强度对电池机械稳定性和电荷转移效率至关重要，通过表面处理可增强界面粘附和晶体生长，进而影响器件性能和耐久性。埋层界面的钝化策略对防止水分和氧气侵蚀、提高器件稳定性起关键作用，有效封装有助于技术商业化，且平面结构在柔性基板上需精心设计以应对机械应力和保证层间结合。五、放大制备工艺
1、模块发展历程
钙钛矿模块从 2014 年开始发展，柔性模块在 2015 年被证明可行，多年来刚性和柔性模块效率不断提升，但柔性模块仍面临机械裂纹和可重复性等挑战。在常规和倒置平面结构的柔性模块中，分别针对电子传输层和钙钛矿 - 空穴传输层相互作用进行优化，如采用多种修饰和掺杂方法。激光刻蚀在大面积基板上需精确控制热效应和蚀刻线性，Sheet - to - sheet（S2S）和 Roll - to - roll（R2R）是常用制备方法，R2R 虽具规模生产优势但对顶部电极材料有要求。六、稳定性测试与分析
1、机械稳定性问题
柔性技术需考虑机械稳定性，弯曲、拉伸和扭曲会导致钙钛矿层裂纹、分层等故障，影响电池性能，通过材料和结构创新可缓解，如使用自修复材料、优化界面等。fPSCs 稳定性测试包括弯曲稳定性评估（如改变弯曲半径测试效率）和机械循环测试，fPSMs 稳定性报告较少，需综合考虑机械和操作稳定性，文中提出了包括 ISOS - B、ISOS - M 等系列测试协议和 IEC 61215/61646 标准测试及指南。七、封装技术进展
1、封装需求与材料
柔性模块封装需兼顾灵活性和防潮、氧及机械应力保护，常用材料有柔性聚合物和多层阻挡膜，如聚烯烃等，其水汽和氧气透过率需满足严格要求，ITO 涂层可改善基板阻隔性。利用聚合物如热固化、压敏和 UV 固化胶粘剂，在有机光伏中有应用，对 fPSCs 和 fPSMs 有一定可行性，部分工艺可保持较好性能且商业可行。具有优异的阻隔性能，但传统方法在柔性基板上需提高机械强度，有机 / 无机多层结构是发展趋势，如采用 CVD 和 ALD 结合的方法，虽有进展但仍面临高温、高真空沉积等挑战。八、商业化现状与前景
1、商业化挑战
钙钛矿太阳能电池实验室成果显著，但大规模工业化生产仍面临问题，如钙钛矿薄膜在柔性基板上的批次重复性和大面积均匀性差，墨水沉淀影响生产，且长期稳定性需达 20 年以上才能与硅电池竞争。柔性太阳能电池可应用于建筑（BIPV、BAPV）、物联网、可穿戴设备等领域，降低能源成本，如 Saule Technologies 已有相关产品，但实现商业化还需克服诸多障碍。九、未来研究展望
1、稳定性提升途径
钙钛矿太阳能电池面临稳定性挑战，尤其是阳离子和阴离子降解及界面反应问题，可通过改进 ITO 和顶部电极稳定性、优化埋层界面等方法提高柔性电池机械稳定性，如采用特定添加剂优化电荷传输层和钝化晶界。综合解决柔性钙钛矿太阳能技术的各项挑战是未来研究重点，需进一步优化材料和工艺，提高电池效率和稳定性，推动其大规模商业化应用。查看原文（点击底部阅读原文跳转）：
https://doi.org/10.1002/adma.202408036
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