從基礎(chǔ)科學(xué)到器件工程，鈣鈦礦技術(shù)在短短十幾年的時間里取得了巨大進(jìn)步。在薄的柔性襯底上利用這項技術(shù)的可能性，與類似的光伏系統(tǒng)相比，提供了無與倫比的功率重量比，開辟了新的可能性和新的集成概念，從構(gòu)建集成和應(yīng)用的光伏(BIPV、BAPV)到物聯(lián)網(wǎng)(IoT)。鑒于此，2025年1月16日，羅馬第二大學(xué)Luigi Angelo Castriotta&北卡羅來納大學(xué)黃勁松于AM刊發(fā)鈣鈦礦太陽能技術(shù)邁向柔性化轉(zhuǎn)型的綜述，總結(jié)了柔性襯底上鈣鈦礦太陽能技術(shù)的最新進(jìn)展，重點討論了研究人員在使用柔性襯底時面臨的挑戰(zhàn)。有必要對材料科學(xué)進(jìn)行深入的研究，以了解與剛性基底相比，哪種機(jī)制限制了其效率，以及哪種物理機(jī)制限制了在柔性基底上的放大。此外，還將對柔性模組的穩(wěn)定性測試進(jìn)行概述，提出通用的標(biāo)準(zhǔn)程序和遵循的準(zhǔn)則，并說明柔性模組在彎曲時面臨的額外問題，以及如何防止設(shè)備退化以提供臨時封裝。最后，將展示鈣鈦礦市場中柔性器件的最新進(jìn)展，概述該技術(shù)如何在柔性襯底上開發(fā)，以及仍有哪些需要利益相關(guān)者關(guān)注的缺失。

引言

鈣鈦礦太陽能技術(shù)取得了令人矚目的進(jìn)展，在短短的14年里從3.8%提高到了26.1%的能量轉(zhuǎn)換效率。最初在帶有透明導(dǎo)電氧化物(TCOs)涂層玻璃的剛性襯底上測試，鈣鈦礦的吸引力在于使用低溫工藝(< 150 °C)簡化制備步驟。這使得柔性襯底如聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)的使用成為可能，在易加工性和耐用性之間提供了一個折中，從而獲得具有高功重比的輕量型器件。

柔性鈣鈦礦太陽能電池(f-PSCs)在12年內(nèi)實現(xiàn)了高達(dá)25.1%的效率，最近3年的改進(jìn)將效率從21.7%提升到25.1%。挑戰(zhàn)包括聚合物基底在不同環(huán)境條件下的化學(xué)和物理變形。解決這些挑戰(zhàn)對于縮小與剛性襯底的效率差距至關(guān)重要。雖然通常使用旋涂法在小面積(0.1 cm2)上獲得結(jié)果，但商業(yè)可行性需要在更大尺度上證明。各種涂布技術(shù)，如卷對卷、狹縫、刮刀、噴墨打印、噴涂和絲網(wǎng)印刷等，增加了研究和開發(fā)的復(fù)雜性。鈣鈦礦太陽能電池的大面積涉及到串聯(lián)電池(P1、P2、P3)，以減輕電阻率對性能的影響。P1，P2和P3是指用于圖案模塊和互連單元的順序激光劃線步驟。P1去除TCO層以隔離相鄰的電池。P2工藝要求在不接觸TCO的情況下刻蝕整個層(鈣鈦礦和傳輸層)，除了P1線外，還需要進(jìn)行多次P2劃線。這一步是最關(guān)鍵的一步，因為它需要非常精確的刻蝕，以避免下面的TCO的任何損壞，這對于在電池之間建立正確的電流路徑是至關(guān)重要的。P3通過刻蝕對電極將電池從頂部分離出來，確保電流路徑從一側(cè)穿過TCO，并在頂部電極上進(jìn)行另一側(cè)接觸。

激光刻蝕優(yōu)化變得至關(guān)重要，在柔性襯底上由于與沉積層的化學(xué)和物理相互作用而面臨挑戰(zhàn)。由于PET和PEN等聚合物襯底的熱阻比剛性襯底低，激光刻蝕過程的熱效應(yīng)在柔性器件中尤為明顯。激光刻蝕過程中過度的局部加熱會引起基底變形、層片分層以及材料性能的變化，如電導(dǎo)率降低或機(jī)械完整性降低等。這些效應(yīng)需要精確控制激光參數(shù)，包括脈沖持續(xù)時間和能量密度，以最大限度地減少熱損傷，并確保柔性器件的結(jié)構(gòu)和功能完整性。

柔性鈣鈦礦太陽能組件(fPSMs)的效率從0.06 cm2時的25.1%下降到900 cm2時的16.4%，有很大的提升空間。尺度擴(kuò)大遇到的困難影響剛性和柔性襯底，包括層不均勻性損失，歐姆和非活性面積損失，以及方阻損失。在PET和PEN等柔性襯底上，激光刻蝕過程中的熱效應(yīng)更加明顯，需要仔細(xì)考慮激光脈沖持續(xù)時間。

穩(wěn)定性測試對市場采用至關(guān)重要，但缺乏對柔性設(shè)備的全面報告。鼓勵進(jìn)行機(jī)械穩(wěn)定性測試，同時進(jìn)行光照浸泡和熱應(yīng)力測試，以展示其與現(xiàn)有靈活技術(shù)的競爭力。封裝策略對于保護(hù)環(huán)境至關(guān)重要，有利于靈活、隔離和耐用的f PSCs基質(zhì)，以滿足不同的應(yīng)用。

在這篇綜述中，作者更深入地探討了向柔性基底過渡時面臨的具體挑戰(zhàn)，包括在各種環(huán)境條件下出現(xiàn)的機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性問題，強(qiáng)調(diào)了對商業(yè)可行性至關(guān)重要的升級過程。作者重點關(guān)注電池的串聯(lián)以減輕電阻率的影響，以及對柔性襯底的激光刻蝕技術(shù)(P1、P2、P3)的優(yōu)化，這是在更大尺度上保持性能的一個重要方面。

此外，本綜述還對最新的穩(wěn)定性測試程序進(jìn)行了深入的研究，包括機(jī)械穩(wěn)定性測試和為柔性模塊量身定制的封裝策略，這對于市場的采用至關(guān)重要，但往往被忽視。它涵蓋了在柔性襯底上的鈣鈦礦太陽能電池和模塊的進(jìn)展、挑戰(zhàn)和進(jìn)展。它深入研究了材料、化學(xué)作用和制備過程，強(qiáng)調(diào)了在大面積襯底上均勻沉積的必要性。還討論了穩(wěn)定性、封裝性和商業(yè)化前景，對該領(lǐng)域進(jìn)行了全面的概述。

通過強(qiáng)調(diào)這些未開發(fā)的領(lǐng)域，本綜述旨在為研究人員和利益相關(guān)方提供一個詳細(xì)的路線圖，以解決柔性鈣鈦礦太陽能電池商業(yè)化過程中的剩余挑戰(zhàn)。這包括對現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)程序的評估，防止設(shè)備退化的指南，以及對最近市場趨勢和未來前景的見解。

2. 向柔性轉(zhuǎn)變的挑戰(zhàn)

作者總結(jié)了一些改善柔性鈣鈦礦太陽能電池性能的方法：為了降低能量的標(biāo)準(zhǔn)化成本(LCOE)，柔性太陽能電池必須在運(yùn)行條件下保持穩(wěn)定。圖1a所示的方法和機(jī)理是通過在墨水中引入鏈長為(C2~C4)的強(qiáng)結(jié)合基團(tuán)(─COO─, ─PO2OH, ─NH2, ─SO2OH)的直鏈雙功能配體來整體提高鈣鈦礦太陽能電池在操作條件下的穩(wěn)定性和耐久性，同時在操作過程中保持高性能；這些雙功能配體可以伸出鈣鈦礦晶格，填充晶界，并到達(dá)鈣鈦礦的頂部和底部表面，改善底部界面、頂部界面和晶界粘附。整個過程可以在保持器件性能的同時提高柔性太陽能電池的魯棒性。研究人員在器件制造中面臨著挑戰(zhàn)，如保持均勻的薄膜形成，確保層與層之間的強(qiáng)粘附性，以及管理導(dǎo)致開裂和分層的機(jī)械應(yīng)力。低溫加工技術(shù)對于避免柔性襯底的損壞也至關(guān)重要。

圖2. a) 用于柔性鈣鈦礦太陽能技術(shù)的器件結(jié)構(gòu)：PIN，NIP和疊層器件結(jié)構(gòu)。b) 重點研究的主要問題是解決限制剛性和柔性襯底之間的差距：柔性襯底的選擇，柔性襯底和TCO之間的接觸，其中ITO的方塊電阻通過襯底彎曲來改變；TCO與HTL ETL之間的接觸，主要問題集中在孔洞的存在以及這些層之間的接觸結(jié)合較差；HTL/ETL與鈣鈦礦之間的接觸(埋底界面)，鈣鈦礦層可能會錯位，產(chǎn)生孔洞，并且在HTL / ETL下面的HTL / ETL中具有較差的接觸結(jié)合。

3. 逐層進(jìn)行設(shè)計

柔性襯底通常由輕質(zhì)和耐用的材料制成，提供了結(jié)構(gòu)骨架，使太陽能電池能夠符合各種表面和應(yīng)用。作者從基底、TCOs、HTL、ETL、鈣鈦礦和頂電極等方面具體闡述柔性鈣鈦礦技術(shù)的設(shè)計觀點。這些層的結(jié)合不僅提高了性能，而且為靈活和多用途的應(yīng)用打開了可能性，為鈣鈦礦太陽能技術(shù)為可再生能源的革命性發(fā)展鋪平了道路。

表2 柔性基底特性

4. 埋底界面

作者認(rèn)為在柔性襯底上探索PSCs中的埋底界面是提高這種有前途的光伏技術(shù)的性能和適用性的重要途徑。在柔性襯底上的鈣鈦礦太陽能電池中，埋底界面的一個關(guān)鍵方面是它們對器件內(nèi)部電荷傳輸和復(fù)合動力學(xué)的影響。高效的電荷載流子跨界面?zhèn)鬏攲τ趦?yōu)化太陽能電池的整體性能至關(guān)重要。鈣鈦礦與電荷傳輸層之間的界面結(jié)合強(qiáng)度是影響柔性鈣鈦礦太陽能電池機(jī)械穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。強(qiáng)的界面結(jié)合是防止分層和確保有效電荷轉(zhuǎn)移的必要條件，直接影響器件在機(jī)械變形和戶外紫外光照射下的穩(wěn)定性和性能。此外，埋底界面顯著影響了用于保護(hù)鈣鈦礦器件免受外部因素(包括水分和氧氣)影響的鈍化策略。在埋底界面處使用的鈍化材料和技術(shù)對于防止退化和確保柔性鈣鈦礦太陽能電池的耐久性至關(guān)重要。

5. 大面積

作者總結(jié)了柔性鈣鈦礦光伏模組的相關(guān)研究進(jìn)展，正反式結(jié)構(gòu)以及疊層結(jié)構(gòu)中的性能優(yōu)化策略。作者認(rèn)為對于柔性鈣鈦礦太陽能組件(fPSMs)，解決機(jī)械裂紋和實現(xiàn)不同制造器件的可重復(fù)性是主要的挑戰(zhàn)。對于較大的襯底，如P1，P2和P3，激光劃片需要額外的步驟，這在優(yōu)化熱效應(yīng)和線性刻蝕方面顯示出挑戰(zhàn)，需要精確控制激光能量密度。也有使用激光刻劃的替代方案，如機(jī)械刻劃或使用特定的掩模以避免頂部電極在P3步沉積，但它們的使用限制了fPSMs的性能，降低了精度、幾何填充因子(GFF)和器件的快速加工。

從小面積器件到模塊的結(jié)果可轉(zhuǎn)移性和模組制造中激光工藝的優(yōu)化對于彌合剛性和柔性襯底之間的性能差距至關(guān)重要。較大的覆蓋面積需要注意薄膜的均勻性，對傳統(tǒng)的旋涂方法提出了挑戰(zhàn)?？朔@些挑戰(zhàn)對于縮小性能差距和充分優(yōu)化模組制造的激光工藝至關(guān)重要。制造和升級fPSM涉及2種主要的涂覆方法和不同的接觸拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4e、f所示：單張式(S2S)和卷對卷(R2R)方法是鈣鈦礦中常用的方法；雖然這兩種方法都是為了生產(chǎn)柔性器件，但關(guān)鍵的區(qū)別在于它們的可擴(kuò)展性和對大規(guī)模生產(chǎn)的適應(yīng)性。S2S過程涉及單張的處理，從而限制了吞吐量。相比之下，卷對卷技術(shù)只適用于柔性基板，可實現(xiàn)柔性材料的連續(xù)高速卷材生產(chǎn)。這種在可擴(kuò)展性方面的固有優(yōu)勢使得卷對卷方法對于大面積柔性鈣鈦礦太陽能組件的高效和高性價比制造特別有利。R2R器件需要使用可溶液加工的頂電極，這限制了其現(xiàn)在的應(yīng)用(見圖3)：最近，Beynon等人和維拉辛哈等人分別在鈣鈦礦電池和模組上證明了使用R2R的這項技術(shù)的兼容性。R2R技術(shù)具有優(yōu)勢，因為它們能夠?qū)崿F(xiàn)高速、連續(xù)生產(chǎn)，這對于將柔性鈣鈦礦太陽能電池擴(kuò)展到商業(yè)上可行的水平至關(guān)重要。這些技術(shù)降低了制造成本，提高了生產(chǎn)效率。圖4和表1展示了柔性鈣鈦礦太陽能電池和模組的最先進(jìn)的發(fā)展總結(jié)。

圖4. a)總結(jié)了截至202 419年11月，在研究領(lǐng)域中對柔性鈣鈦礦技術(shù)所取得的最佳結(jié)果進(jìn)行的力學(xué)測試，r代表以mm測量的彎曲半徑，進(jìn)行彎曲試驗，愈合步驟為1小時，每2000次循環(huán)；b) 提出了標(biāo)準(zhǔn)的ISOS-M機(jī)制，展示了一個力學(xué)測試周期，使柔性裝置從平面轉(zhuǎn)到固定彎曲位置，適用于凸起和凹陷兩種工況；c) 提出了標(biāo)準(zhǔn)的ISOS-B機(jī)制，使柔性器件從平面上升到1 mm的彎曲半徑。

表3. 概述了常用的現(xiàn)有ISOS協(xié)議，并提出了考慮柔性襯底上鈣鈦礦材料和器件性能的附加協(xié)議

表4. IEC 61 215 / 61 646標(biāo)準(zhǔn)測試的方案和建議的指南，以表征柔性襯底上的鈣鈦礦太陽能組件

7. 封裝作者認(rèn)為封裝是保證太陽能電池壽命、效率和安全性的關(guān)鍵步驟，特別是隨著對柔性襯底太陽能電池的關(guān)注越來越多。柔性模組需要封裝材料在保持柔韌性的同時，對水分、氧氣和機(jī)械應(yīng)力提供堅固的保護(hù)。相比之下，剛性模組使用封裝材料，如乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)，它提供了優(yōu)異的保護(hù)，但缺乏靈活性。對于柔性模組，薄膜封裝、柔性層壓等先進(jìn)的封裝方法必不可少。柔性鈣鈦礦模塊的封裝通常使用柔性聚合物(例如,聚烯烴、聚氨酯等)和多層阻擋層薄膜等材料。這些材料必須提供低的水蒸氣透過率(WVTR)和氧氣透過率(OTR)來保護(hù)敏感的鈣鈦礦層。例如，聚烯烴等柔性封裝材料可以提供低至0.01 g / m2/day的WVTR值，這對于保持器件性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要。在柔性PSC生產(chǎn)中常見的卷對卷工藝，需要在很長的長度上均勻地沉積封裝層，以實現(xiàn)一致的保護(hù)。高性能的阻隔膜對長期穩(wěn)定性至關(guān)重要，水蒸氣和氧氣透過率(WVTRs和OTRs)是關(guān)鍵指標(biāo)。鈣鈦礦太陽能技術(shù)要求WVTR或OTR的阻隔性能反映了這些器件對水分和氧氣(表5 ,圖5a)的敏感性。實現(xiàn)如此嚴(yán)苛的阻隔性能對阻隔薄膜的初始制備和批量生產(chǎn)都提出了挑戰(zhàn)。表5. 封裝材料的特性要求或規(guī)范。

圖5. a) 不同技術(shù)對封裝保護(hù)的阻隔性能需求；b) 兩種不同的柔性光伏器件封裝技術(shù)示意圖，顯示柔性層壓和薄膜封裝；c) 闡明了四種不同的水分和氧氣滲透和進(jìn)入柔性封裝鈣鈦礦器件的途徑，這可能導(dǎo)致加速的器件退化和縮短的壽命。

8. 商業(yè)化新產(chǎn)品的市場推廣涉及生產(chǎn)、分銷、營銷、銷售和客戶支持的綜合過程。雖然柔性鈣鈦礦太陽能電池已經(jīng)在實驗室中顯示出了前景，但過渡到大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)是一個正在進(jìn)行的過程。實驗室規(guī)模的鈣鈦礦太陽能電池顯示出與多晶硅太陽能電池相當(dāng)?shù)男剩杀靖?，重量更輕，制造工藝更簡單。fPSCs在批次間和實驗室間表現(xiàn)出不同的性能，需要擴(kuò)大到模塊尺寸以實現(xiàn)商業(yè)化。為了商業(yè)化，鈣鈦礦太陽能組件在生產(chǎn)方面需要大型化，批次間可重復(fù)性和具有高吞吐量。柔性大面積組件的發(fā)展及其商業(yè)化取決于三個主要的重要方面：(i) 在柔性襯底上批量制備高質(zhì)量均勻無針孔的鈣鈦礦薄膜的可重復(fù)性，(ii) 這種鈣鈦礦薄膜在柔性襯底上的可擴(kuò)展性，(iii) 柔性太陽能組件的機(jī)械穩(wěn)定性。FPSCs可應(yīng)用于彎曲表面，包括住宅建筑、車輛和太陽能發(fā)電場。彎曲和扭曲會導(dǎo)致性能的顯著下降，因為堆疊層，如柔性聚合物襯底上的氧化銦錫( ITO )，在機(jī)械上是不穩(wěn)定的。在所有這些努力下，包括Oxford PV，Saule Technologies和Swift Solar在內(nèi)的許多公司仍在積極開發(fā)鈣鈦礦太陽能產(chǎn)品，以推進(jìn)這項技術(shù)。例如，Saule Technologies公司將其產(chǎn)品展示在柔性基板上，目前市場上已有2種產(chǎn)品，如Solar Sun blind ' s和Perovskite Electronic Shelf Labels：該公司決定開發(fā)其在BAPV和IoT應(yīng)用中的業(yè)務(wù)，其原型見圖6。