钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）因具备优异的光电特性——包括高缺陷容忍度、强吸收系数、易加工性及低成本——被视为下一代光伏技术的有力候选者，在下一代光伏领域受到广泛关注。尽管小面积PSCs的认证效率已突破27%，接近晶体硅太阳能电池水平，但大面积组件的器件性能与稳定性往往存在显著衰减。为应对这些挑战，研究者围绕提升大面积薄膜均匀性与结晶质量，开发了多种规模化制备技术。本综述系统讨论了稳定钙钛矿结构、优化器件结构及封装工艺的研究进展，深入解析了薄膜分解与器件降解机制；同时梳理了面向大面积钙钛矿薄膜、PSCs及组件精细制备的策略，实现了器件效率与稳定性的同步提升。对大面积钙钛矿薄膜沉积机制与器件降解机理的综合认知，为钙钛矿光伏技术的商业化铺平了道路。
1 引言
清洁能源中，取之不竭的太阳能是人类社会绿色发展的重要能源来源，可通过光热、光催化、光电等方式被人类利用。光伏（Photovoltaic, PV）技术在光能高效利用方面展现出巨大潜力。当前晶体硅太阳能电池作为最成熟、应用最广的光伏技术，占据光伏市场主导地位，但其制备工艺复杂且对原料纯度要求极高，导致生产成本居高不下。新兴的钙钛矿材料凭借高吸收系数、长载流子扩散距离、优异缺陷容忍度、可调带隙及低温结晶特性，为制备高效太阳能电池及相关光电器件提供了基础条件。钙钛矿太阳能电池（PSCs）的能量转换效率（Power Conversion Efficiency, PCE）从早期的3.8%快速提升至超过27%，但这一里程碑式进展几乎均基于有效面积小于0.1 cm2 的小面积器件。大面积钙钛矿太阳能组件（Perovskite Solar Modules, PSMs）与小面积PSCs之间存在显著的效率差距，严重制约了钙钛矿基光伏技术的进一步发展。
PSMs的效率提升受限于大尺寸范围内薄膜的非均匀性。大量研究聚焦于通过优化制备工艺与前驱体溶剂，提升大面积钙钛矿薄膜的均匀性与结晶度。刀片涂布（blade-coating）、狭缝涂布（slot-die coating）、喷涂（spray-coating）等可扩展薄膜沉积技术已被用于大面积薄膜制备，同时通过路易斯碱添加剂、分子内交换、闪蒸真空法等手段调控结晶动力学与薄膜形貌。相比之下，PSCs的长期运行稳定性对商业化应用更为关键，尤其在湿度、热、持续光照或应力条件下。合理的器件结构设计或封装工艺改进对提升PSMs的稳定性至关重要。
本综述总结了大面积钙钛矿薄膜沉积与PSMs效率提升的核心要点，首先介绍PSCs的基础信息，对比串联与并联结构的优缺点；随后梳理可扩展薄膜沉积方法与表征技术，评估薄膜非均匀性；接着讨论钙钛矿薄膜与器件的降解机制，从内部与外部视角提出提升运行稳定性的可行策略；最后回顾器件封装进展，增强器件的环境耐受性。除器件性能外，PSMs的碳减排潜力也是大规模部署的重要考量因素，其低温加工与低材料消耗特性有望带来比传统硅基光伏更短的能量回收期，但目前针对大面积组件全生命周期碳足迹的定量评估仍较为有限，未来需开展标准化生命周期评价以量化可扩展钙钛矿技术的可持续性优势。
2 钙钛矿组件的器件结构
器件结构是决定PSMs整体性能的关键因素，合理的PSCs结构是高性能PSMs的基础，而PSMs可视为多个子电池通过电路互连的集成体。本节系统讨论不同器件结构与互连策略，明确适用于组件级应用的最优构型。
PSCs由透明导电氧化物（Transparent Conducting Oxide, TCO）、空穴传输层（Hole Transport Layer, HTL）、电子传输层（Electron Transport Layer, ETL）与顶电极五层功能层依次堆叠构成典型的“三明治”结构，其中钙钛矿吸光层起决定性作用。钙钛矿材料可呈现多种晶体结构，例如甲脒铅碘（Formamidinium Lead Iodide, FAPbI3 ）存在六方δ相与立方α相，仅α相具备光活性，适用于光伏应用。光照下，钙钛矿半导体吸收光子后激发价带（Valence Band, VB）电子至导带，留下空穴，在内建电场与能级匹配驱动下，光生载流子向对应电极传输产生光电流，即光伏效应。根据光生载流子传输方向，PSCs可分为N–I–P与P–I–N两种结构。两类结构中，功能层的费米能级差为载流子分离与扩散的驱动力。尽管采用介孔TiO2 ETL的器件有时被归为独立结构，但从功能层堆叠顺序而非平面性分类时，其本质属于N–I–P结构。
相较于N–I–P结构，P–I–N器件制备条件显著更温和：介孔TiO2 通常需约500°C高温烧结，而P–I–N器件可在更低温度加工。此外，N–I–P器件常用的空穴传输材料如spiro-OMeTAD虽广泛应用于创纪录效率的PSCs，但合成与纯化成本高昂。且原始spiro-OMeTAD需掺杂双三氟甲基磺酰亚胺锂（Lithium Bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, Li-TFSI）并控制氧化以提升空穴迁移率，而Li-TFSI具有强吸湿性，会损害钙钛矿稳定性，氧化过程也难以控制，导致制备条件严苛。早期最高PCE由N–I–P器件实现，但N–I–P器件的迟滞效应比P–I–N结构更显著，普遍归因于碘离子迁移，该迁移不仅会诱发瞬态电流-电压不稳定性，还会加速长期运行下的降解。随着自组装单分子层的发展，目前高效率PSCs多基于P–I–N结构，因此从制备条件、成本与器件稳定性综合考量，P–I–N结构更具吸引力。更重要的是，其低温加工性、优异的界面能级匹配以及与复合层的无缝集成，使其天然兼容叠层结构，可满足全钙钛矿、钙钛矿-有机、钙钛矿-晶体硅叠层太阳能电池等多种构型需求。
在PSCs面积放大过程中，串联电阻（Series Resistance, RS ）随TCO面积增大线性增加，阻碍载流子扩散并造成PCE大幅损失。此外，大面积下功能层不可避免的缺陷与潜在针孔会降低并联电阻（Shunt Resistance, RSh ），形成分流路径。借鉴其他光伏技术经验，组件技术可解决前者问题；后者则需通过先进薄膜制备方法获得无针孔、均匀的功能层，将在第3章讨论。组件即多个PSCs作为单元通过电路连接，与基础电路原理一致，单个PSCs可采用串联或并联方式连接。
2.1 串联互连组件
串联连接指第一个子电池的阴极与第二个子电池的阳极依次相连，是PSMs最常用的结构。通常制备时需在特定功能层完成后，通过刻蚀将器件划分为多个互连的子电池，一般采用激光划线实现。串联通过三次独立激光划线图案（P1、P2、P3）实现：首先P1划线分隔底部TCO基底，将其隔离为多个独立基底；随后在划线的TCO上制备电荷传输层（Charge-Transport Layers, CTLs）与钙钛矿层；之后P2划线去除特定区域的CTLs与钙钛矿层，形成通道以确保后续沉积的金属电极可与TCO接触；最后P3划线去除所有功能层，隔离电池背接触，完成串联。
但串联互连不可避免地引入激光划线导致的有效面积损失，即死区，由划线累积面积与相邻图案间距组成。总面积减去死区的区域为有效面积，仅该部分可产生光电性能。有效面积与孔径面积的比值称为几何填充因子（Geometric Fill Factor, GFF），用于评估激光划线的面积损失。由于仅有效面积贡献PSMs性能，需尽可能减小死区宽度（Wd ）以提升GFF。有效面积宽度（Wa ）无法通过简单扩大优化，因其直接决定单个子电池的电流，更大的电流会加剧TCO电极的电阻损失；而增加子电池数量则会引入更多死区，降低组件整体有效面积。增大PSMs中单元宽度会延长载流子在宽度方向的传输距离，从而降低电流，这也是串联PSMs的单元均为细长条形的原因。例如，在25 cm2 基底上进行不同激光划线工艺时，Wd 从500 nm增至3 mm会使GFF降低30%，固定Wa 下不同Wd 会导致不同程度的功率总损失。研究表明Wa 约为6 mm时最优，此时Wd 从3000 μm降至500 μm可使总损失从35%降至10%。Wd 由P1、P2、P3及P1与P2间距、P2与P3间距五部分组成，优化Wd 的工作主要围绕P2展开。理想情况下P2应刻蚀至TCO顶面，但实际中P2常仅刻蚀至ETL层，增加了串联电阻。为此研究者提出选择优先被ETL而非TCO吸收的激光波长，但增加划线尖端硬度与压力可能导致TCO被完全去除。由于脉冲激光束的高斯分布，实际刻蚀需略大于最优P2的宽度以确保CTLs与钙钛矿层被充分刻蚀，已有研究通过该策略实现GFF超过95%、有效面积15.28 cm2 的PSMs，PCE达8.82%。另有研究采用点接触互连设计，使用紫外纳秒脉冲激光进行P2划线，实现99%的GFF。但需注意更小的Wd 并非总能提升性能，因为两个子电池间的高效电荷转移需要合适的P2宽度，接触电阻损失会随P2宽度减小而增加，进而降低PCE。子电池数量是另一关键设计参数：子电池数量过少会导致单个子电池面积过大，增加TCO层的电阻损失；子电池数量过多则会增加死区，降低组件有效面积。平衡这些因素后，子电池宽度优化至约5.5 mm时，电池到组件（Cell-to-Module, CTM）损失最小，因此子电池设计宽度需综合多因素考量。
2.2 并联互连组件
并联连接指所有子电池的阴极与阳极分别相连，该连接方式下PSMs的电流为所有子电池电流之和，电压无叠加，呈现低电压/大电流特征，与硅太阳能电池匹配性好，适用于钙钛矿/硅叠层太阳能电池。并联PSMs无需P2后的金属电极与TCO互连，避免了金属与钙钛矿层的直接接触，而该接触不利于稳定性。并联PSMs还能减少相邻子电池性能失配带来的能量损失，但其电荷收集与传输通常比串联组件更具挑战性，整体性能往往更差。因此结合串联与并联的混合设计被视为更均衡的策略，可同时保持较高的电压与电流输出。已有研究采用串并结合的结构，成功驱动了有效面积6.12 cm2 的四个串联PSMs为风扇供电。另有研究提出简易结构，通过串并结合使各独立部分构成完整器件，冠军PSMs有效面积21.06 cm2 ，PCE达18.82%，可成功驱动小车与风扇，且该并联结构有效避免了反向偏压现象，遮挡不同数量子电池时电压保持稳定。已有报道实现有效面积20.77 cm2 、PCE 16.63%的并联PSMs，其稳定性优势源于无需P2划线，避免了银-钙钛矿界面反应这一主要降解源，封装后PSMs老化1187 h后仍保留95%的初始效率。但纯并联PSMs在相同有效面积下的PCE低于串联结构，因此最佳组件结构为串并混合连接：串联提供较高电压，并联提供较大电流与长期稳定性。
3 大面积薄膜的制备与表征
如前所述，获得高度均匀、无针孔的薄膜以维持高RSh 对PSMs至关重要。通常钙钛矿薄膜厚度为纳米级，无法通过肉眼评估质量，需借助光学与电学仪器。因此实现可扩展薄膜制备与评估薄膜质量是核心问题。本节讨论小面积PSCs制备工艺放大过程中的问题，归纳PSMs的大面积制备技术，最后总结薄膜质量评估的表征方法。
3.1 大面积薄膜制备
目前多数顶尖PSCs（面积小于1 cm2 ）仍采用旋涂法，但该技术会导致CTM损失：基底不同位置离心力差异会引发薄膜厚度不均，且超过90%的前驱体溶液在旋转过程中被直接废弃，造成材料浪费与成本上升。为解决这些问题，多种可扩展制备策略被开发，包括溶液法与气相法两大类。
溶液法制备钙钛矿薄膜通常分为湿膜涂覆与溶剂挥发结晶两个过程，获得良好湿膜并优化成核与晶体生长过程，是得到覆盖度高、均匀性好的干膜的关键。旋涂法适用于实验室小面积PSCs，但不适合PSMs，主要原因是大面积基底上钙钛矿薄膜的均匀溶剂挥发结晶难以实现：传统反溶剂滴加工艺需在湿膜基底中心滴加反溶剂，放大时会导致钙钛矿薄膜从中心到边缘的非均匀沉淀，且增加反溶剂用量会引发裂纹。为此研究者开发了动态反溶剂淬灭工艺，通过注射器从基底中心向边缘连续滴加反溶剂，确保反溶剂与前驱体薄膜同步作用，实现10×10 cm2 大面积钙钛矿薄膜的均匀成核，基于此制备的PSMs在53.64 cm2 孔径面积下PCE达17.4%。类似地，采用多尖移液管替代传统单尖移液管可提升反溶剂滴加均匀性，获得的5×5 cm2 PSMs PCE达16.56%。
除反溶剂优化外，气体淬灭与真空闪蒸也可促进旋涂法用于PSMs制备。气体淬灭在旋涂与热退火过程中用气流加速溶剂挥发，无需反溶剂滴加即可形成均匀钙钛矿薄膜，基于该法制备的旋涂PSCs稳态PCE达23.6%，开路电压（Open-Circuit Voltage, VOC ）为1.23 V。真空闪蒸辅助溶液（Vacuum Flash-Assisted Solution Processing, VASP）法由Grätzel团队提出，将旋涂后的前驱体薄膜置于真空腔室数秒以加速溶剂挥发，该方法制备的不同尺寸PSCs（0.16~1.00 cm2 ）性能均优于反溶剂淬灭法，目前已广泛用于制备高性能PSMs，例如采用VASP辅助旋涂在c-TiO2 /m-TiO2 基底上制备的钙钛矿薄膜，其24.63 cm2 有效面积的PSMs PCE达22.87%，是该面积范围内的最高值之一。
刀片涂布与刮刀涂布因工艺简便，被广泛用于PSMs制备：钙钛矿墨水通过刀片或刮刀均匀沉积在基底上，配合气刀促进钙钛矿薄膜形成。根据涂布速度可分为蒸发区与Landau-Levich区：蒸发区中湿膜厚度随涂布速度增加而减小，直至达到10 mm·s-1 ；速度进一步增加时黏性力增强，从弯液面拖出液体，进入Landau-Levich区，湿膜厚度随涂布速度增加而减小。研究发现Landau-Levich区涂布的薄膜在涂布后仍呈湿态，后续干燥困难，且铸态薄膜中随机成核会导致退火时一维晶体各向异性生长，形成针状形貌；而在150°C热板上进行热铸时，薄膜致密，呈现以成核中心为原点径向生长的球晶结构。除结晶动力学外，溶剂挥发还会引发咖啡环效应：慢速挥发时径向毛细流驱动钙钛矿胶体向外传输，导致厚度严重不均。提升前驱体墨水润湿性是有效解决策略，例如在NiOX HTL上引入仿生界面层（Bio-IL），其含有的氨基（─NH2 ）、羟基（─OH）、羧基（─COOH）等极性官能团可增强界面相互作用，固定三相接触线，抑制钙钛矿胶体的径向传输，同时加速溶剂挥发，促进均匀结晶，基于此制备的柔性P–I–N PSMs有效面积14.63 cm2 ，PCE达16.87%。此外，气刀辅助淬灭也被广泛用于调控刀片涂布过程中的溶剂挥发，但需精确控制气流速率，过高或过低均会导致结晶不均与薄膜质量下降。
狭缝涂布是一种非接触式涂布技术，通过泵将前驱体墨水输送至模头，模头以设定速度在基底上方移动，形成均匀的薄湿膜。给定涂布宽度下，湿膜厚度可通过墨水流量、基底移动速度与墨水浓度调控。弯液面在狭缝涂布中起关键作用：流量不足时弯液面破裂，流量过大时弯液面膨胀，两者均会导致薄膜不均，仅当前驱体供应速率与沉积速率匹配时才会形成稳定状态。墨水溶剂的选择也至关重要，高黏度溶剂如2-甲氧基乙醇（2-Methoxyethanol, 2-ME）易引发周期性湿膜厚度波动（即“肋状纹”），源于涂布弯液面处正压梯度与表面张力的失衡，该不均性在退火后仍会保留，表现为扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）下的针孔与空洞。通过在墨水中引入46%乙腈（Acetonitrile, ACN）调节黏度，可有效抑制肋状纹效应，提升薄膜大面积均匀性，基于此制备的P–I–N PSMs有效面积12.7 cm2 ，PCE达17.1%。
喷涂技术是适配柔性基底的优势大面积沉积技术，可加速PSMs商业化进程。喷涂过程中雾化后的微米级前驱体液滴在载气作用下均匀沉积，随后湿膜经反溶剂浸泡挥发溶剂并退火，得到致密钙钛矿薄膜。喷涂存在最优阈值体积（V0 ），取决于前驱体溶剂蒸气压与基底温度：体积小于V0 时，前驱体墨水在涂布后立即干燥，导致钙钛矿薄膜成核不均匀、粗糙度高；体积大于V0 时，涂布后前驱体墨水过量，形成过湿薄膜，干燥困难。喷涂也适用于其他胶体功能层，例如化学浴沉积（Chemical Bath Deposition, CBD）与喷涂结合可在100°C下制备TiO2 ETL，性能与传统450°C退火相当，显著降低加工成本与能耗，基于此的PSMs在7×7 cm2 基底上PCE达19.0%。类似地，SnO2 纳米颗粒（Nanoparticle SnO2 , NP-SnO2 ）可通过S型自动喷涂技术在20×20 cm2 基底上沉积，基于此的PSMs有效面积15 cm2 ，PCE达9.37%。喷涂还可用于在全无机CsPbI3 钙钛矿中引入功能屏障，例如喷涂氧化Ti3 C2 Tx MXene纳米片作为物理屏障提升稳定性，基于此的25 cm2 P–I–N PSMs PCE达14.64%，在湿热与1倍太阳光照射同时作用下稳定超过1000 h。
气相沉积是无溶剂的PSMs可扩展制备技术，无需考虑润湿性问题，可分为单源与多源两类。单源气相沉积通常以预制备的钙钛矿晶体粉末或有机源（如FAI、甲基铵碘化物MAI等）为蒸发源，钙钛矿晶体粉末通过升华蒸发为气相，随后在沉积基底上转变为固相。已有研究采用单源热蒸发法，以PbI2 与CH3 NH3 I合成的MAPbI3 粉末为蒸发源，在高达100 cm2 的面积上制备出高度均匀的钙钛矿薄膜。也有研究将PbI2 的蒸发与有机铵卤化物的溶液加工结合，通过在PbI2 薄膜沉积时加入5% CsI修饰其形貌，形成均匀的菜花蘑菇状结构，提升有机铵的扩散与后续转化反应，得到高纯度α相钙钛矿薄膜，基于此的16 cm2 PSMs PCE达20.0%。气相沉积通常需要高真空环境，大幅增加大面积制造与量产成本，因此相对低真空需求的混合化学气相沉积（Hybrid Chemical Vapor Deposition, HCVD）是更可行的经济工艺。已有研究将MAI蒸气通过HCVD暴露于预制备的PbI2 层上的籽晶层，促进有机铵与PbI2 反应，获得高质量钙钛矿薄膜，基于此的PSMs在22.4 cm2 与91.8 cm2 指定面积下PCE分别达16.16%与12.12%。多源气相沉积中，有机源与无机源（如PbI2 、PbCl2 等）相互反应生成钙钛矿，但难以同时控制两种蒸发过程以获得化学计量比的钙钛矿薄膜，且通常需要真空退火才能形成钙钛矿薄膜。已有研究采用多源真空技术在刚性（400 cm2 ）与柔性（300 cm2 ）基底上制备大面积钙钛矿薄膜，开发了工业适用的流水线制备工艺：基底连续平移实现所有功能层的顺序蒸发沉积，随后在指定位置激光划线实现串联互连，基于此的全蒸发PSMs孔径面积4.0 cm2 与51.1 cm2 的PCE分别达18.0%与16.6%，表明大面积放大过程中性能损失较低，该全蒸发流水线策略被认为极具商业化潜力。
综上，各类可扩展沉积技术均展现出潜力，但仍面临挑战：刀片涂布工艺简便灵活，但大面积均匀性有限；狭缝涂布兼容卷对卷生产，可精确控制膜厚，但对墨水流变学与工艺参数要求严苛，影响重复性；喷涂通量高、适配复杂表面，但均匀薄膜形貌与缺陷控制仍是难点；气相沉积薄膜均匀性与组分控制优异，但需高真空设备，制造成本高、工艺扩展性有限。在可扩展性、重复性、工艺容差与成本之间实现平衡，仍是PSMs商业化的核心挑战。
3.2 大面积薄膜表征
完成大面积薄膜制备后，需对其均匀性进行表征。可采用统计抽样法结合其他表征技术评估大面积基底上的钙钛矿涂覆均匀性。例如对旋涂的大面积钙钛矿薄膜沿指定方向从中心向外进行空间分辨采样，截面SEM测试显示薄膜厚度从内向外递增。对100 cm2 钙钛矿薄膜的五个代表性区域（A~E）进行X射线衍射（X-ray Diffraction, XRD）、SEM与时间分辨光致发光（Time-Resolved Photoluminescence, TRPL）系统表征：XRD显示所有区域结晶度均较高，中心区域最强，且（110）、（220）、（310）特征峰半高宽几乎一致，表明五个区域晶粒尺寸相同；截面SEM显示五个区域厚度分布均匀，但TRPL显示不同区域载流子寿命存在差异，说明光电性能均匀性是关键。由于钙钛矿薄膜最终用于光电器件，材料均匀性是其光电均匀性的基础，因此研究者广泛采用光电仪器评估PSMs的均匀性。
光致发光（Photoluminescence, PL）与电致发光（Electroluminescence, EL）被广泛用于分析PSCs中缺陷引起的非辐射复合，这类缺陷多由非均匀性导致。PL用于表征钙钛矿薄膜，EL用于表征完整器件：采用470 nm激发LED环与780 nm长通滤光片的科学CMOS相机可检测高达64 cm2 基底上的PL信号，PL信号均匀分布反映薄膜的组成、沉积与结晶均匀性，不仅包含形貌，还包含光电特性。EL分析则侧重发射的空间均匀性，在50 mA注入电流下的EL亮度分布可用于识别缺陷与不均性引起的RSh 损失，均匀PSMs的EL图像所有区域均明亮，而存在分流缺陷的区域会呈现暗斑。此外，缺陷是热点的主要起源，会损害PSMs的长期稳定性。
散射光强度（Scattered Light Intensity, SLI）成像用于检测透明薄膜的表面粗糙度或内部空隙：样品被宽带荧光光源照射，透明材料尖锐边缘处的折射会使光在大角度范围散射，相机仅收集随机散射光。粗糙薄膜的散射光强度更高，而形貌高度均匀的薄膜散射光强度低，因为光主要以反射形式离开均匀薄膜，无法被相机收集。激光光束诱导电流（Laser Beam-Induced Current, LBIC）测试通过激光照射太阳能电池表面并测量产生的电流分布，直观反映PSMs的性能均匀性。光谱椭偏仪（Spectroscopic Ellipsometry, SE）通过测量薄膜样品反射或透射的偏振光椭圆极化状态分析薄膜均匀性，已被用于分析刀片涂布钙钛矿薄膜的厚度变化，发现基底一侧边缘存在明显的厚度不足，源于涂布过程中气流未优化导致的溶液分布不均。
4 PSM的性能优化策略
4.1 高光伏性能策略
制备均匀、高质量的大面积钙钛矿薄膜是提升太阳能组件效率的关键。目前溶液法制备的PSCs发展迅速，效率已达与晶体硅电池相当的水平，因此越来越多研究者致力于开发高质量前驱体溶液与界面材料，以制备更高质量的钙钛矿薄膜。
4.1.1 前驱体工程
钙钛矿前驱体是制备高质量薄膜的基础，通常快速成核随 后 缓 慢 晶 体
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