近日，我校童国庆教授、蒋阳教授团队与上海交通大学戚亚冰教授以及日本冲绳科学技术大学院大学（OIST）Luis K. Ono博士合作，在国际能源材料著名期刊《Joule》上发表题为“Perovskite solar modules with high efficiency exceeding 20%: from laboratory to industrial community”的综述论文，探讨分析钙钛矿太阳能电池从实验室走向产业化发展路径。材料学院博士生刘学安、日本OIST博士生张家豪、材料学院本科生王保昌为论文共同第一作者，童国庆教授、蒋阳教授、戚亚冰教授及Ono博士为共同通讯作者，合肥工业大学为第一通讯单位。
钙钛矿太阳能电池因其具有光电转换效率高、能级结构可调控、制备工艺简单以及生产成本低等特点，得到学术及产业界的广泛关注，被认为是下一代光伏技术的理想材料。自2009年首次报道以来，钙钛矿太阳能电池光电转化效率从最初的3.8%迅速提升至27.3%（第三方认证）。近年来，随着能源需求的日益增长和电池效率的不断攀升，钙钛矿太阳能电池正逐步实现从实验室研究向产业化应用的转变。目前，实验室小面积钙钛矿太阳能电池和模组的效率已分别突破27%和23%，展现出巨大的商业化潜力。但是其小面积器件尺寸主要介于0.05 ~1 cm2间，电池模组尺寸也主要以5×5 cm2和10×10 cm2等微型模组为主，难以满足商业化要求的尺寸和输出功率。
随着产业进程的加速，国内外涌现出一批新兴的钙钛矿光伏企业。产业化电池组件的尺寸也从最初的30×30 cm2发展至0.6×1.2 m2，最高可达1.2×2.4 m2，生产规模也由最初的兆瓦（MW）级迈向百兆瓦，甚至吉瓦（GW）级。尽管钙钛矿太阳能电池组件的光电转化效率持续提升，产业化进程也在加快推进，但要实现光电效率超过20%的商业化产品目标，仍面临一系列亟待突破的技术与工程难题。
目前，太阳能电池组件根据尺寸大小可以分为：微型组件（<200 cm2）、亚微型组件（200-800 cm2）、小型组件（800-6,500 cm2）、标准组件（6,500-14,000cm2）以及大型组件(>14,000 cm2）。实验室级钙钛矿太阳能电池模组由于其尺寸较小（≤100 cm2），通常能够在手套箱内完成钙钛矿层、电子/空穴传输层等薄膜的旋涂及器件制备测试工序，且受外部环境影响较小。此外，旋涂工艺具备组分可精确调控、薄膜均匀性良好、可进行界面修饰与表面钝化等优点。然而，在产业化过程中，为了满足大面积（≥900 cm2）和连续化生产的需求，通常采用能够适用于大规模生产的连续镀膜技术（如狭缝涂布、磁控溅射等工艺）来制备钙钛矿薄膜及电子/空穴传输层。然而，这些技术在薄膜均匀性和成核结晶过程的可控性方面仍面临较大挑战，且容易受到外部环境因素的影响，从而影响薄膜质量和器件性能。此外，当前实验室中常用的薄膜生长调控方法及表面/界面钝化处理技术，普遍存在工艺流程复杂、操作精度要求高、材料成本较高等问题，这使得实验室技术难以直接转化为大规模产业化生产工艺，从而限制了其在实际生产中的应用效率和可行性。
为此，我校童国庆教授、蒋阳教授研究团队，从多个关键技术维度出发，系统分析梳理了当前效率突破20%的钙钛矿太阳能电池组件的前沿研究进展与发展趋势。研究内容涵盖了钙钛矿光伏组件结构设计、钙钛矿薄膜制备工艺、实验室级高效率电池模组的研究，以及面向产业化应用的钙钛矿光伏技术探索。同时，团队深入分析了实验室级和工业级钙钛矿/钙钛矿叠层和钙钛矿/晶硅叠层电池组件的最新技术发展，全面展示了钙钛矿光伏技术在叠层电池领域的广阔应用前景。此外，研究团队还聚焦于实现大面积钙钛矿太阳能电池组件规模化生产所面临的核心挑战，深入探讨了制造工艺的可控性、大面积光伏组件的长期运行稳定性以及组件制造成本等关键影响因素。在此基础上，研发团队还提出了具有前瞻性的技术发展路径，并对产业化落地的可行性及未来应用前景进行了系统性的展望。
图1.效率超过20%的单结钙钛矿太阳能电池组件的效率-组件面积关系图：（a）面积小于25 cm2的实验室级电池组件，（b）面积为25~100 cm2的实验室级电池组件，（c）产业化规模的钙钛矿电池组件
图2.效率超过20%的钙钛矿叠层太阳能电池组件的效率-组件面积关系图：（a）实验室级钙钛矿叠层电池组件，（b）产业化规模的钙钛矿叠层电池组件
图3.（a）大面积钙钛矿太阳能电池组件结构示意图及（b）常见的钙钛矿薄膜制备工艺对比图
上述工作得到了国家自然科学基金、安徽省重点研发计划、安徽省自然科学基金、中央高校基本科研业务费以及合肥工业大学黄山学者优秀青年人才计划等项目的资助，同时也得到了合肥照阳光能科技有限公司、上海交通大学溥渊未来技术学院和张江高研院的支持。
童国庆教授、蒋阳教授研究团队近些年在钙钛矿太阳能电池研究及科技成果转化方面取得系列性进展。团队先后开发出安徽省首个900 cm2的大面积钙钛矿太阳能电池组件，建设成安徽省首个MW级刚性/柔性兼容的钙钛矿太阳能电池组件中试产线，并与大唐华东电力试验研究院合作，建设成安徽省首个钙钛矿光伏示范项目。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435125002375
（童国庆/文 刘学安/图 罗来马/审核）
责任编辑：周慧
