钙钛矿太阳能电池（PSC）因生产成本低、原料储量丰富、器件光电转换效率（PCE）高，自诞生之日起发展迅速，目前实验室制备的电池器件最高认证效率高达 25.5%。
据估算，PSC 的发电成本将有望低于核能、风能、水利、天然气、煤等现行发电方式，更远低于目前广泛使用的商业化晶硅太阳能电池，PSC 已成为太阳能电池领域的研究热点。
制约 PSC 商业化推广使用的问题在于电池器件的大面积化和稳定性。PSC 实验室器件（面积小于 1 cm2）的 PCE 较高（超过 20%），但电池器件面积放大后（面积大于 10 cm2）的 PCE 大幅下降（降至 10%）；PSC 器件的寿命约上千小时，远低于商业化的晶硅太阳能电池，稳定性也亟待提高。
为得到兼具高效率与高稳定性的大面积 PSC，需分析 PSC 的组成与结构，对构成 PSC 的材料成分、内部各个功能层的制备方式以及功能层间的连接方式进行合理选择，是得到效率高且稳定性高的大面积 PSC 的关键。
钙钛矿一词一般用于指代拥有 ABX3 型晶体结构的化合物。PSC 因电池的光电转换层采用了钙钛矿结构材料而得名。
图1 DSSC（a）到初期 PSC（b）的结构演变过程示意图
PSC 是由染料敏化太阳能电池（DSSC）演变而来，DSSC 的结构如图 1（a）所示。
由图 1（a）可见，由下到上依次是进光的透明电极、作为电子传输层的 TiO2 多孔薄膜与附着在薄膜上起光电转换作用的染料敏化剂、电解质液及背电极。
有研究在将钙钛矿材料（MA）PbBr3与（MA）PbI3（MA 为甲胺（CH3NH3））作为敏化剂。
Kim 等将 DSSC 的电解质液换为固态空穴传输介质 spiro-OMeTAD（2，2' ，7，7' -四（N，N-二对甲氧基苯胺）-9，97' -螺二芴），保留 TiO2多孔薄膜的基础上引入了致密 TiO2 薄膜层结构。
有研究在上述基础上对 TiO2 多孔薄膜的结构进行改进，从可以传输电子的 TiO2 多孔薄膜形态演进到仅起支撑作用的绝缘 Al2O3骨架。
经过一系列演变形成了图1（b）中 PSC 的早期结构，并在此基础上发展为现在常见的介观结构和平板结构。
由图 2可见，钙钛矿材料构成的光活性层（即光电转换层）位于中间，上下紧邻空穴传输层（HTL）和电子传输层（ETL），这两个载流子传输层外侧又各自接出电极。
通常两个电极分别为由透明导电氧化物FTO（掺杂氟的 SnO2）或 ITO（90%（w）的 In2O3和 10%（w）的 SnO2）充当的透明电极和由 Au或 Ag 等贵金属制备的背电极（即图 2 中的 Metal electrode）。
按是否含有介孔层将 PSC 分为介孔正向电池（即图 2 中的 Mesoporous n-i-p）和平面电池；而平面电池按 ETL 与 HTL 相对于透明电极的位置分为平面正向电池（即图 2 中的 Planar n-i-p，ETL 紧邻透明电极）与平面反向电池（即图 2 中的 planar p-i-n，HTL靠近透明电极）。
由于介孔正向电池中的介孔层生产工艺复杂，同时典型的介孔层材料 TiO2 在长期紫外光照环境中会导致钙钛矿光活性层发生分解，大面积 PSC 器件的结构应首选平面电池结构。
以平面正向电池为例，PSC 器件的工作原理如图 3 所示。
图 3 PSC 的工作原理示意图
由图 3 可见，太阳光透过透明电极（正结构中透明电极在外电路中是阳极，故图 3中用光阳极代表）和紧邻的 ETL 打在光活性层上，并在光活性层中发生光子到激子（由电子与空穴组成）的转变；光活性层材料（MA）PbI3 激子束缚能较小，光生激子快速弛豫、分离成为自由的电荷与空穴。
因（MA）PbI3 与ETL材料 TiO2 和 HTL 材料spiro-OMeTAD 存在能极差，分离的自由电荷和空穴分别注入相应载流子传输层的导带与价带，并进一步被与载流子传输层相邻的外部电极收集。
当连接外电路负载时，整个 PSC 器件在光照下产生电流。
图 3 （b）中的红色箭头代表分离的自由电荷与空穴的复合，这是电池能量转换效率存在理论极限的原因之一。
单一器件PSC较晶硅太阳能电池或以碲化镉、铜铟镓硒为代表的第二代太阳能电池难在大面积下保持高 PCE，单一器件 PSC 的 PCE 随器件面积的增加急剧衰退。
而太阳能电池的大面积是保证高功率输出的关键，因此，需要将多个小面积的PSC 器件进行串联或并联，保证高 PCE 的前提下获得高功率的大面积太阳能电池组件。
多个 PSC 器件间的连接方式继承了DSSC 器件间的连接方式。
图 4 （a）、（c）和（d）分别代表多个电池器件间的不同串联连接方式，图4 （b）代表并联连接。图 4（b）、（c）和（d）代表的连接方式对于 PSC 均存在缺点，实际应用中多个 PSC 器件的连接方式以图 4 （a）代表的S 型串联为主。串联连接组件的短路电流与其中各器件的短路电流一致，总开路电压是各器件电压的加和。
图 5 用于 PSC 组件形成内部串联的三次光刻示意图
为实现多个小面积 PSC 器件的 S 型串联需要进行如图 5 所示的三次光刻，分别针对透明电极，由ETL、钙钛矿光活性层和HTL组成的核心层，以及背电极，在图 5 中依次记作 P1、P2 和 P3。
P1、P2 和 P3 需选用不同波段的刻蚀光，在 PSC组件的制备过程中与每层材料的制备穿插进行：首先对透明电极进行 P1 光刻制备核心层，再对核心层整体进行 P2 光刻制备背电极，并对背电极进行P3 光刻。
合理配置 P1、P2 和 P3 三次光刻的相对位置，可提高 PSC 组件内部的连接效率，增大组件整体的输出功率。
PSC 因高 PCE、低成本成为太阳能电池领域的研究热点，但它的商业成品的工业批量化流水线生产面临面积放大以及稳定性等难题。
介绍了适用PSC 流水线生产的大面积组件的结构，以及各个功能层中所需的材料及其制备方法，并兼具了稳定性因素考量。
组件的内部 S 型串联连接、由真空蒸镀法制备的 SnO2 和 CuPc 分别作为 ETL 和 HTL的平面正向电池结构、狭缝涂布法制备的钙钛矿光活性层和碳电极、紫外固化方式进行的外封装，共同构成了可能实现工业批量化流水线生产的大面积PSC 组件。
原文始发于微信公众号（光伏产业通）：钙钛矿太阳能电池大面积组件制备的研究进展
