综述：钙钛矿光伏的热蒸发制备技术：从基础原理到集成应用

《Joule》：Thermal evaporation routes for perovskite photovoltaics, from fundamentals to integration

【字体：大中小】 时间：2026年07月24日 来源：Joule 37.1

编辑推荐：

　　摘要卤化物钙钛矿太阳能电池的效率提升速度很快，但要将实验室级别的性能转化为可重复制造的大面积电池及叠层电池，仍面临诸多挑战，这些挑战包括溶剂辅助的薄膜形成、界面兼容性以及在不同纹理或非平面基底上的涂层控制问题。本综述探讨了基于热蒸发的制备方法，如共蒸发、顺序蒸发以及相关的混合气固

摘要

卤化物钙钛矿太阳能电池的效率提升速度很快，但要将实验室级别的性能转化为可重复制造的大面积电池及叠层电池，仍面临诸多挑战，这些挑战包括溶剂辅助的薄膜形成、界面兼容性以及在不同纹理或非平面基底上的涂层控制问题。本综述探讨了基于热蒸发的制备方法，如共蒸发、顺序蒸发以及相关的混合气固处理技术，并分析了这些方法在控制薄膜生长、成分、界面形成及多层集成方面的作用。我们还讨论了与蒸发工艺相兼容的电荷选择型接触层，尤其是热蒸发的空穴传输层，以及针对热蒸发器件的界面设计策略。最新研究显示，完全通过热蒸发制成的钙钛矿太阳能电池效率可超过25%，而基于蒸发的钙钛矿/硅叠层电池效率则可超过32%。这些进展表明，对于那些需要保持界面完整性、实现均匀涂层以及确保各层之间兼容性的器件结构而言，热蒸发及相关混合工艺是一种有效的补充方案，不过在沉积速率、前驱体/源材料稳定性、材料利用率以及重复性方面仍存在一些挑战。

引言

日益严峻的气候危机、化石燃料储备的枯竭以及全球能源需求的持续增长，都凸显出对可大规模应用的低碳发电技术的迫切需求。在各类新兴解决方案中，光伏技术为深度脱碳提供了直接且成熟的途径。在这一领域中，卤化物钙钛矿太阳能电池因其优异的光电性能而迅速崭露头角，这些性能包括强大的光吸收能力、较长的载流子扩散长度、较低的激子结合能以及出色的缺陷容忍度。¹^,²^,³^,⁴^,⁵^,⁶^,⁷^,⁸ 此外，其成分的灵活性使得其带隙可以在很宽的光谱范围内进行调整，因此钙钛矿太阳能电池既适用于高效的单结器件，也适合与晶体硅或其他光伏技术结合使用的叠层结构。⁹^,¹⁰

在过去的十年里，钙钛矿太阳能电池的效率提升速度前所未有，目前经过验证的单结器件功率转换效率已超过27%，而钙钛矿/硅叠层器件的效率则达到了35%。¹¹^,¹² 这些进步在很大程度上得益于溶液法加工技术，该技术能够在实验室尺度上灵活控制结晶动力学、薄膜形态以及界面化学性质。然而，要将这种加工灵活性转化为可重复的大规模制造工艺仍然面临挑战，因为薄膜的形成与溶剂的作用、蒸发过程、环境条件以及多步骤转化流程密切相关。¹³^,¹⁴^,¹⁵^,¹⁶ 对于具有纹理结构的基底、整体式叠层结构以及连续加工工艺来说，这些限制尤为重要，因为在这些情况下必须同时保证涂层的均匀性、界面的完整性以及各层之间的兼容性。

热蒸发及相关气相工艺为钙钛矿材料的制备提供了另一种途径，它能够在无溶剂的情况下实现薄膜形成，同时还能精确控制前驱体的投放量、薄膜厚度以及层序。¹⁷^,¹⁸^,¹⁹ 这些特性在实现多层堆叠、保持界面完整性以及为纹理结构或非平面基底提供均匀涂层方面具有显著优势。不过，热蒸发也存在一些实际限制，比如挥发性有机化合物和卤化物前驱体的热稳定性较差，需要精确控制源材料和流量，而且由于沉积速率相对较低，导致生产效率受限。因此，热蒸发不应被视为溶液法加工的替代品，而应作为一种补充手段，用于那些需要无溶剂多层集成、保持界面完整性以及根据基底结构进行精确控制的器件设计中。²⁰ 除了这些加工方面的考虑之外，基于蒸发的生长机制还为理解在高度非平衡、受动力学控制的条件下钙钛矿薄膜的形成过程提供了有益的视角。在气相生长过程中，薄膜的形成受到前驱体流量、表面扩散速率以及反应动力学等因素的共同影响，通过调整这些参数，可以控制结晶路径、相变过程以及缺陷的产生。因此，不同的热蒸发策略，如共蒸发、顺序蒸发以及混合气固法，实际上代表了不同的生长机制，而不仅仅是沉积顺序的不同。了解这些不同的生长机制对于合理设计薄膜的质量和性能至关重要。基于蒸发的沉积方法还为界面设计和器件堆叠结构的设计提供了有效手段。由于热蒸发是无溶剂的且按顺序进行，因此可以以纳米级的精度沉积传输层、界面修饰层以及钝化层，从而实现对能级对齐、界面复合现象以及器件运行稳定性的精准控制。在完全通过热蒸发制成的器件中，器件的性能不仅取决于吸收层的质量，还取决于与蒸发工艺相兼容的电荷传输层的整合效果，尤其是空穴传输层，因为它需要同时具备促进电荷提取、钝化缺陷以及增强界面稳定性的功能。

在本综述中，我们提出了一种以机制为导向的热蒸发法制备钙钛矿太阳能电池的框架，重点研究了从热源提供的前驱体出发的钙钛矿生长过程以及与之相关的气相转化工艺。论述内容主要涉及热蒸发的吸收层、接触层以及界面层，还包括那些所有功能层都通过热蒸发方式制备的器件结构。混合沉积工艺则被单独作为一类吸收层制备方法加以介绍，这类方法是将蒸发的无机前驱体或功能层与基于溶液的转化步骤或气相辅助的转化步骤相结合。接着，我们介绍了共蒸发、顺序蒸发以及相关的混合工艺作为不同的吸收层制备策略，并分析了它们如何影响结晶过程、界面形成、传输层的整合以及器件的实际应用。最后，我们阐述了如何将基于蒸发和混合工艺的方法应用于大面积器件、电池组件以及与叠层结构相关的器件设计中，同时指出了当前在前驱体/源材料稳定性、沉积效率、器件互连以及非平面或纹理基底上的集成方面仍存在的挑战。

章节节选

用于钙钛矿层的热蒸发技术

热蒸发已成为制备钙钛矿薄膜的一种强大技术手段，它能够在无溶剂且高度重复的可控条件下，精确控制前驱体的投放量、薄膜厚度以及界面结构。²¹^,²² 与溶液法加工相比，溶液法中存在溶剂的作用、中间相的形成以及干燥过程中的各种变量，而热蒸发则能使前驱体流量、结晶动力学之间形成更为直接的关联

热蒸发的空穴传输层

在完全通过热蒸发制成的钙钛矿太阳能电池结构中，热蒸发的空穴传输层起着至关重要的作用，因为它不仅影响着电荷提取的效率，还关系到埋藏界面的复合损耗，以及器件结构与大规模制造工艺的兼容性。与通过溶液法制备的空穴传输层相比，基于蒸发工艺制备的空穴传输层需要满足更高的标准，即在热稳定性、热蒸发行为以及界面化学稳定性等方面都要达到相应要求，同时

基于蒸发工艺的钙钛矿太阳能电池的规模化生产与组件制造

随着钙钛矿太阳能电池逐步走向商业化应用，实现从实验室级别器件向大规模生产的过渡已成为确保其技术可行性的关键。虽然溶液法制备的钙钛矿太阳能电池在溶剂管理、溶剂蒸发过程以及涂层均匀性方面存在一些问题，但基于热蒸发工艺的制备方法则面临着不同的规模化挑战，比如沉积速率的限制、前驱体/源材料的稳定性、横向流量的一致性、材料利用率以及设备相关的问题

热蒸发技术在叠层电池中的应用

叠层太阳能电池是突破单结光伏器件效率极限的重要途径，同时这类器件也对层间的均匀性、界面质量以及光学设计提出了极高的要求。在这种情况下，热蒸发技术提供了一种独特的制备平台，它能够实现纳米级的厚度精度、与器件几何形状无关的均匀覆盖效果，以及可控的界面形成能力，从而便于实现整体式叠层结构的整合。与其它制备方法相比

前景展望与未来面临的挑战

基于蒸发工艺的钙钛矿太阳能电池已经从最初的概念验证器件发展成了一种技术上较为成熟的方案，它有效解决了溶液法制备过程中存在的诸多根本性缺陷。无溶剂加工工艺能够实现对薄膜厚度、成分以及界面结构的精确且可预测的控制，同时在工艺重复性以及与复杂器件结构的兼容性方面也具有明显优势。正如本综述中所阐述的，这些优势在

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）下属的纳米与材料技术发展计划的支持，该计划由韩国科学与信息通信技术部资助（项目编号：RS-2024-00444389）。此外，本研究还获得了韩国能源技术评估与规划院（KETEP）的资助，该资助来自韩国政府产业通商资源部（项目编号：RS-2024-00436479），同时还得到了韩国贸易、工业与能源部的支持（项目编号：RS-2025-02313733）。还有其他机构也为本研究提供了支持

作者贡献

概念构思：S.J.和H.P.；实验研究：S.J.、Y.J.和H.J.；初稿撰写：S.J.和H.P.；论文修改与润色：C.Y.、S.D.W.、J.L.和H.P.；资金申请：H.P.；项目监督：H.P.

利益声明

作者们声明不存在任何利益冲突。

KU-KIST融合科学与技术研究生院，韩国大学，韩国首尔市城北区安岩路145号，邮编02841

摘要

引言