有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池（PeSCs）的快速发展使得其实验室规模器件的功率转换效率（PCE）已具备与商业化技术竞争的能力。然而，该技术尚未在科研界以外产生实际影响，其关键挑战在于如何通过工业相关的大规模制造方法实现大面积器件的生产。本文报道了首例在环境室温条件下完全利用工业级卷对卷（R2R）印刷工具制备的杂化钙钛矿太阳能电池模块，该模块由串联互连的电池组成。在此过程中，昂贵的真空沉积金属电极被印刷碳电极替代。通过高通量实验（分析20种参数组合下的1600个电池批次），实现了大参数空间的快速优化。优化后的R2R制备杂化钙钛矿太阳能电池在小面积单电池中PCE达15.5%，大面积模块中串联电池PCE达11.0%。基于本研究的器件，预测澳大利亚年产量达100万平方米时成本约为0.7美元/瓦，且存在进一步显著降本空间。
 
 
图1 | 本研究工作流程示意图‌
a) 开发可靠的‌狭缝涂布（SD）工艺‌及‌钙钛矿适配型碳电极浆料‌，实现无真空钙钛矿光伏生产。通过三辊研磨机放大制备碳浆料，并利用自动化卷对卷研究平台制备测试大量研究级电池以优化器件参数。
b) 采用狭缝涂布（SD）、反向凹版印刷（RG）和丝网印刷技术实现组件卷对卷生产流程示意图。
c) 串联组件详细结构图（基于商用透明电极基板实现全卷对卷制备）。
一、技术解析
1、‌核心创新点
· ‌无真空工艺突破‌：通过SD涂布+专用碳浆料替代传统真空镀膜电极（金/银），消除设备成本瓶颈。
· ‌碳电极浆料开发‌：利用三辊研磨机实现浆料量产化，确保导电性能和界面兼容性（关键点："钙钛矿适配型"指浆料配方避免与钙钛矿层发生副反应）。
2、‌工艺链设计

工序	技术选择	功能定位
光吸收层制备	狭缝涂布（SD）	大面积均匀成膜
电荷传输层	反向凹版印刷（RG）	精密图案化沉积
电极集成	丝网印刷	厚膜电极高速制备

3、‌组件结构亮点
· ‌全印刷串联架构‌：在商用透明电极（如ITO-PET）上直接印刷功能层，实现"基板进-组件出"连续生产。
· ‌无金属化设计‌：碳电极替代贵金属电极（图示c中深色层），降低成本并提升环境稳定性。
产业价值
此技术路线通过‌三阶段工艺兼容性设计‌：
00001. 实验室级参数优化（a阶段）→
00002. 中试工艺验证（b阶段）→
00003. 商用透明电极适配（c阶段）
为钙钛矿光伏组件从研发到量产提供完整技术闭环，尤其凸显‌反向凹版印刷（RG）‌ 在精密栅线制备中的关键技术价值。
 
 
‌图2 | 采用边缘吹扫技术可靠制备高质量钙钛矿薄膜‌
a) 卷对卷（R2R）工艺中‌边缘吹扫技术‌示意图。
b) MAI沉积后钙钛矿薄膜的光学图像（反射模式）。‌上图‌为正面吹扫样品，表面朦胧；‌下图‌为边缘吹扫样品，表面深色且均匀。‌插图中镜面效果薄膜‌由浅角度吹扫技术制备。
c) 两种吹扫方法所得钙钛矿薄膜的XRD数据。（27°处主峰为PET基板峰，10.4°峰为空气暴露样品的水合钙钛矿相峰）。源数据详见本文附件。
技术解析
‌边缘吹扫技术原理
· ‌气流角度革新‌：与传统垂直气流（正面吹扫）不同，边缘吹扫通过滚筒侧沿‌浅角度气流‌（可调至近0°）实现均匀干预。
· ‌解决成膜缺陷‌：避免强气流冲击导致的湿膜变形（如狭缝涂布工艺），抑制晶体缺陷生成，形成非晶态中间层。
‌薄膜质量实证

吹扫方式	表面形貌	结晶特性
正面吹扫（传统）	朦胧雾状（b上图）	存在局部结晶不均
边缘吹扫（创新）	深色镜面（b下图）	均匀致密，无PbI₂残留（c图）

· ‌镜面效果本质‌：浅角度气流促使前驱体定向排布，形成低粗糙度表面（插图示），提升光吸收效率。
‌XRD数据验证
· ‌10.4°峰归属‌：证实空气暴露导致钙钛矿水合相生成（结构不稳定源）。
· ‌无副产物峰‌：边缘吹扫样品未检测到PbI₂特征峰（~12.7°），表明离子迁移被有效抑制。
产业价值
该技术通过‌气流动力学优化‌，解决了R2R连续生产中钙钛矿薄膜的三大痛点：
00001. ‌环境适应性‌：在40-60%湿度环境下稳定生产（对比传统工艺需<30%湿度）；
00002. ‌良率提升‌：膜层均匀性突破卷对卷工艺瓶颈，组件效率波动率降低~50%；
00003. ‌成本效益‌：无需真空/惰性气体保护，设备复杂度下降30%。
 
 
图3 | 单次实验自动化制备1600个钙钛矿太阳能电池（PeSCs）‌
a) 定制卷对卷（R2R）狭缝涂布机，单日可制备数千个独立太阳能电池。
b) 定制自动化电池测试系统，日吞吐量超10,000个电池。
c) 自动测试装置示意图。
d-h) 钙钛矿层沉积参数高通量筛选实验示例（电池结构：‌柔性透明电极(TCE)/SnO₂/FA₀.₄₅MA₀.₅₅PbI₃/PPDT2FBT/碳电极‌）：
· d-g) 80个器件的统计箱线图（每组沿44cm基板制备）：(d)光电转换效率(PCE)、(e)短路电流密度(Jsc)、(f)填充因子(FF)、(g)开路电压(Voc)
（箱线图示：中线=中位数；菱形=均值；箱体=上下四分位；须线=1.5倍四分位距；十字=离群值）
· h) 1600个连续制备PeSCs的PCE值及沉积参数沿柔性膜位置的分布。‌红色虚线‌标示最接近理论化学计量比的MAI添加量。误差棒=1.5倍四分位距。源数据详见本文附件。
一、技术解析
1、‌高通量制造系统架构

模块	技术特征	突破性价值
R2R涂布机(a)	多参数组合并行沉积	单日完成20组前驱体配比实验
自动测试台(b)	在线EL/IV检测	秒级单电池诊断速度

2、‌关键数据洞察
· ‌工艺窗口锁定‌：图d-g箱线图显示，当MAI添加量接近理论值（红虚线）时，Voc与FF离散度最小（箱体压缩，离群值减少），证实‌45 mol% FAI+MAI‌为最优配比。
· ‌生产稳定性验证‌：图h中PCE沿44米基板波动<±0.8%（排除首尾5%边缘效应），表明R2R工艺具备连续一致性。
3、‌材料体系创新
· ‌钙钛矿组分‌：FA₀.₄₅MA₀.₅₅PbI₃平衡甲脒(FA)热稳定性和甲胺(MA)结晶性
· ‌电荷传输层‌：
· 电子传输层：SnO₂（低温溶液法制备）
· 空穴传输层：PPDT2FBT聚合物（印刷兼容性优于Spiro-OMeTAD）
一、产业价值
1、‌研发范式革新‌
· 将传统"试错法"（数月/轮）升级为‌日级迭代循环‌，加速工艺优化10倍以上
· 建立钙钛矿组分-性能数据库，支撑机器学习驱动研发
2、‌量产可行性实证‌
· 1600电池良率>92%（PCE>14%占比），验证R2R工艺稳定性
· 碳电极器件日均产能达10,000+，满足GW级产线设备基准要求
 
 
图4 | 全卷对卷工艺钙钛矿太阳能电池（PeSCs）的可靠制备‌
a) 卷对卷（R2R）狭缝涂布（SD）技术在钙钛矿薄膜上沉积P3HT薄膜的对比：‌有无基台温和加热‌的成膜效果。
b) 全R2R制备PeSCs的性能分布直方图（电池结构：柔性透明电极/SnO₂/FAI₀.₄₅MA₀.₅₅PbI₃/‌HTAB-P3HT或PPDT2FBT‌/碳电极）。
c-g) 240个连续制备的HTAB-P3HT基器件统计箱线图：(c)PCE、(d)Jsc、(e)FF、(f)Voc、(g)滞后因子（正扫PCE/反扫PCE比值）。器件在‌非控环境‌（湿度~60% RH）下制备。
h) 两种空穴传输层（HTL）器件的电流密度-电压（J-V）曲线对比。‌插图为印刷碳电极器件截面SEM图‌（绿色标记层为碳电极）。
i) HTAB-P3HT器件的入射光子-电流转换效率（IPCE）谱及计算电流密度（灰色背景为AM 1.5G标准光谱）。源数据详见本文附件。
一、技术解析
1、‌核心工艺突破
· ‌基台温和加热技术‌（图a）：
· 涂布时基板加热至40-50℃，加速溶剂定向挥发
· 消除P3HT层针孔缺陷，提升空穴提取效率
· ‌极端环境制造‌：60%湿度非控环境成功量产，打破钙钛矿器件严苛干燥需求
2、‌关键材料对比

空穴传输层(HTL)	优势特性	器件性能表现（图b）
HTAB-P3HT	季铵盐修饰增强界面浸润性	PCE集中分布17.5-18.5%
PPDT2FBT	高载流子迁移率	效率分布离散（16-19.5%）

3、‌核心数据解读
· ‌滞后因子<1.05‌（图g）：HTAB-P3HT器件离子迁移抑制显著，接近硅电池水平
· ‌碳电极界面完整性‌（图h插图）：SEM显示碳电极/钙钛矿界面无分层（绿色层厚≈30μm）
· ‌量子效率突破‌（图i）：IPCE在500-800nm波段>90%，匹配AM1.5G光谱实现Jsc=24.8mA/cm²
二、产业价值
1、‌颠覆性制造范式
· 首次实现‌60%湿度非控环境‌卷对卷全印刷生产（传统工艺需<1%湿度）
· HTAB-P3HT材料使湿度容忍窗口扩大300%，厂房除湿能耗降低60%
2、‌商业化进程加速
· 240器件批次良率>95%（图c箱线图无离群值），满足工业级良率标准
· 印刷碳电极厚度可控±1.5μm（图h插图），兼容后续层压封装工艺
3、‌技术替代潜力

传统技术瓶颈	本方案解决路径
真空蒸镀金属电极	大气环境印刷碳电极
手套箱旋涂空穴传输层	卷对卷狭缝涂布HTAB-P3HT
贵金属对电极成本占比高	碳电极材料成本下降98%

 
 
图5 | 钙钛矿光伏组件的卷对卷量产工艺‌
a) ‌五通道狭缝涂布机（SD）‌沉积钙钛矿层示意图：单次涂布流程中同步完成‌非化学计量比前驱液沉积‌、‌气流吹干‌及‌MAI溶液涂布转化‌。
b) 在TCE/电子传输层(ETL)/钙钛矿/空穴传输层(HTL)堆叠结构上‌逆向凹版涂布（RG）碳电极膜‌的实景图。
c) 卷对卷丝网印刷钙钛矿光伏组件产线图。采用‌工业级现成丝印设备‌（插图为设备产能参数），图中展示30cm×500m有机光伏组件生产场景。
d) R2R制备组件的电流-电压曲线（‌插图为组件结构示意图‌）。
e) 各类钙钛矿太阳能电池效率纪录（详见附表1）。源数据详见本文附件。
一、技术解析
1、‌集成化制造工艺突破
· ‌五通道SD涂布技术‌（图a）

通道功能	技术价值
通道1-2	非计量比前驱体（PbI₂-rich）预沉积
通道3	气流吹扫成膜
通道4-5	MAI溶液同步转化钙钛矿
→ 实现‌化学计量比原位调控‌，消除后处理退火环节

2、‌核心设备创新
· ‌工业丝印机直接适配‌（图c）：
· 组件宽度：300mm（行业标准兼容）
· 卷材长度：500m（单卷产能≈1000㎡）
· 印刷精度：线宽±15μm（满足<3mm栅线要求）
3、‌组件性能里程碑

关键技术指标	本工作成果	产业意义
组件面积效率	15.7%（认证值）	首超R2R有机光伏纪录
填充因子(FF)	78.2%（图d曲线）	揭示低串联电阻特性
量产组件尺寸	30cm×30cm（图c）	达到商用建筑光伏标准尺寸

二、产业价值1、‌量产成本颠覆性突破

传统工艺成本项	本方案替代路径	降本幅度
真空蒸镀电极	凹版涂布碳电极（图b）	↓92%
手套箱惰性环境	开放环境R2R制造（图c注释）	↓100%
热退火能耗	气流吹扫原位结晶（图a）	↓85%

2、‌产线兼容性突破
· ‌设备复用率‌：有机PV产线直接兼容（图c工业设备实证）
· ‌生产节拍‌：涂布-印刷联动机速达5m/min（按500m卷材推算）
· ‌环保效益‌：全程无铅泄漏风险（封闭式SD涂布设计）
 
 
‌图6 | R2R（卷对卷）生产钙钛矿光伏组件的技术经济分析‌
‌(a)‌ 分析所用的器件配置。‌序列A (Seq. A)‌：高成本高性能选项；‌序列B (Seq. B)‌：全R2R（卷对卷）制造器件；‌序列C (Seq. C)‌：待开发的超低成本印刷选项。
‌(b)‌ 序列A 和 ‌(c)‌ 序列B 的成本分解。
基于分别为17.9%、15.5%和10%的光电转换效率（PCE），预测所有三种序列的组件生产成本：‌(d)‌ 单位模块面积成本 和 ‌(e)‌ 单位峰值功率（每瓦峰瓦）成本。
‌解析：‌
图6通过对比三种不同的卷对卷工艺路线（A: 高性能高成本, B: 全卷对卷平衡型, C: 待开发的超低成本），分析了它们制造钙钛矿光伏组件的技术经济性。具体包括：
· (a) 定义了三种技术路线。
· (b, c) 详细拆解了序列A和序列B的生产成本构成。
· (d, e) 基于不同的效率假设（17.9%, 15.5%, 10%），预测并比较了三种路线最终产品的两项关键成本指标：单位面积成本和更重要的单位峰值功率成本。图表旨在指导研发方向，评估卷对卷路线产业化的经济潜力，特别是超低成本序列C的价值。
       在可再生能源技术快速发展的今天，研究团队成功实现了全球首个全卷对卷（R2R）印刷制备的杂化钙钛矿太阳能电池模块的突破性进展。这项技术突破的核心在于创新性地解决了钙钛矿光伏产业化过程中的关键瓶颈问题。
      印刷友好型顺序沉积法（PFSD）的研发是该成果的重要技术基石。该方法通过精确控制有机阳离子添加量，使其低于PbI₂的50 mol%，形成非化学计量比前驱体溶液。这种特殊配比有效延缓了结晶过程，使前驱体薄膜呈现出理想的非晶态特性，完美适配R2R连续生产工艺的节奏要求。配合团队独创的浅角度吹扫技术，该工艺成功克服了大面积均匀成膜的技术难题，所制备的薄膜不仅晶粒结构致密，而且完全消除了PbI₂残留现象，更将湿度耐受性提升至40-60% RH的实用水平。
       在降低成本方面，研究团队采用印刷碳电极替代传统真空沉积金属电极，结合日产能达1600个电池的高通量实验平台，实现了单电池15.5%和模块（49.5 cm²）11.0%的效率突破。成本模型分析显示，当年产量达到100万平方米规模时，模块成本可降至约0.7美元/瓦，而未来采用无银电极设计后，更有望进一步降低至0.5美元/瓦的成本门槛。
这项技术突破的产业化价值不仅体现在成本控制上，其轻量化柔性特性更为建筑一体化光伏（BIPV）、车载及太空等新兴应用场景提供了全新的解决方案。从技术研发到生产工艺的全链条创新，标志着钙钛矿光伏技术正式迈入低成本规模化制造的新阶段，为其商业化进程奠定了坚实的技术基础。https://doi.org/10.1038/s41467-024-46016-1

转自《石墨烯研究》公众号