900cm²半透明钙钛矿大面积组件制备：加速老化验证其高效率与稳定性

钙钛矿太阳能电池（PSCs）正快速发展，有望取代硅基太阳能电池板。本文探索了采用手动丝网印刷技术制备半透明、可规模化的钙钛矿太阳能组件，无需多次激光划刻步骤。成功开发出基于碳材料、无空穴传输层的钙钛矿太阳能组件，活性面积900cm²，功率转换效率达11.83%。通过结合美能温湿度综合环境试验箱进行加速老化（高湿、高温及强太阳辐照度）测试验证其商用潜力，证明该组件具有较高的效率和稳定性，可用于建筑集成光伏BIPV中。

电池结构

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(a) 太阳能电池结构 (b) 电池材料能带图

基底：氟掺杂氧化锡（FTO）玻璃（2 mm厚，电阻率15 Ω/cm²）；

功能层：

电子传输层（ETL）：致密TiO₂（c-TiO₂）+介孔TiO₂（m-TiO₂）混合组成；

绝缘层：介孔ZrO₂丝印浆料；

阴极：碳黑-石墨混合浆料（尺寸范围1–20 μm）；

吸收层：5-AVA-MAPbI₃钙钛矿前驱体溶液（稳定性优于MAPbI₃）。

100cm² 钙钛矿组件制备

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(a) 100cm²激光刻蚀模块（单位：厘米）(b) 组件结构及层宽示意图

基板处理

激光刻槽：FTO玻璃刻蚀2mm绝缘沟道（间距1.7cm），防印刷溢料。

三溶剂超声清洗（水/IPA/丙酮）+ 氮气干燥。

全印刷沉积

氧化物层：c-TiO₂（50nm）→ m-TiO₂（500nm）→ ZrO₂（1μm）→阶梯退火（150℃→500℃）。

电极工艺：银集流电极（500℃）→碳复合电极（碳黑+石墨，400℃退火）。

钙钛矿成膜

溶液浸渍：5-AVA-MAPbI₃前驱体暗室渗透60min。

两步固化：70℃结晶 +70% RH湿度处理（提质效）。

封装结构

热层压封装（110℃/3-5min），牺牲0.04%效率换长期稳定。

5电池串联：单电池活性区2.8cm²，层宽梯度防短路（c-TiO₂最窄，碳电极最宽）。

(a) 10×10cm²钙钛矿模块（5串联电池） (b) 30×30cm²模块（19串联电池）

900cm² 钙钛矿组件制备

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将 100 cm² 的设计进行规模化，以制备 900 cm² 大面积太阳能电池板。该组件的器件制备与化学沉积流程与100 cm²组件相同。

规模化调整

加热方式：改用烘箱均匀加热（替代热板）→ 确保均匀加热至500℃（防止热应力开裂）。

串联结构：900 cm² 组件由19 个钙钛矿电池在单个组件上串联组成，激光刻蚀后必做水/IPA/丙酮超声（防放大污染）。

几何参数重构

基底尺寸：30×30 cm²（面积900 cm²）。

层宽不变：各层的宽度与 100 cm² 组件相同。

长度扩展：长度改为 27 cm → 活性面积增至200 cm²（原100 cm²组件为14 cm²）。

加速老化测试

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干热测试T₃₅：35℃（黑暗/40-50% RH，5小时）→ 评估春季均温下的稳定性。

干热测试T₄₄：44℃（黑暗/40-50% RH，3小时）→ 模拟夏季环境适应性。

干热测试T₇₀：70℃（黑暗/1小时）→ 测试加速老化阈值。

湿度暴露测试RH₇₀：70% RH（黑暗/5小时）→ 分析高湿影响。

水浸测试W₁：完全浸水（23-28℃/100% RH，黑暗/1小时）→ 模拟水浸场景稳定性。

光浸泡测试L₁₀₀₀：1000 W/m²光照（升至45℃/40-45% RH，1小时）→ 测量光照衰退性能。

钙钛矿组件电性能参数

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(a) 100cm²模块I-V曲线 (b) 900cm²模块I-V曲线

100cm²与900cm²组件电性能参数

100 cm² 组件的性能优于 900 cm² 组件，这是因为在相应电极处收集电荷期间复合率较低。由于光利用效率是通过测量透明区域尺寸与总组件面积的比值，并将其乘以器件的功率转换效率来计算的，因此电荷收集量显著下降。

钙钛矿组件稳定性表现

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(a) 老化测试后效率衰减趋势 (b) 最大功率衰减趋势

(a) 开路电压变化 (b) 短路电流衰减

(a) 最大电流衰减 (b) 最大电压变化

最佳稳定性：35°C干热测试（衰减率0.04%/h，寿命≈250 h）；

最差稳定性：水浸测试（衰减率0.16%/h，寿命≈50 h）；

关键现象

44°C及以上温度下，电流（Iₛ、Iₘₐₓ）呈指数衰减；

光照测试中，Vₒ前期波动（光致降解），后期加速衰减；

封装导致效率轻微下降（0.04%），但显著提升环境稳定性。

本研究采用手工丝网印刷技术制备无空穴传输层（HTL-free）的碳基半透明钙钛矿太阳能组件（ST-PSM），活性面积达900 cm²，功率转换效率（PCE）为11.83%。通过优化电池间距实现半透明性，省略传统激光划线步骤，提升机械稳定性并降低成本。组件在高温（35°C/44°C/70°C）、高湿（70% RH）、水浸及全光照 （ 1000 W / m² ） 条件下进行加速老化测试，结果证明组件具备高稳定性与光利用效率（ LUE = 4.82% ） ，适用于建筑一体化光伏BIPV窗户材料。

美能温湿度综合环境试验箱

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美能温湿度综合环境试验箱采用进口温度控制器，能够实现多段温度编程，具有高精确度和良好的可靠性，满足不同气候条件下的测试需求。

温度范围：20℃~+130℃

温湿度范围：10%RH~98%RH(at+20℃-+85℃）

满足试验标准：IEC61215、IEC61730、UL1703等检测标准

美能温湿度综合环境试验箱为光伏组件测试提供一站式气候模拟解决方案，精准赋能加速老化实验，全面保障组件可靠性认证。以标准化智能控制助力产业升级，为高稳定性、可规模化的大面积钙钛矿组件突破提供坚实支撑。

原文参考：Fabrication of stable large-area semi-transparent perovskite solar module for building-integrated photovoltaics

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