钙钛矿太阳能组件的高效制造：全蒸发工艺与激光划刻技术的协同效应

钙钛矿太阳能电池实验室效率已超 25%，但商业化面临三大挑战：长期稳定性、毒性和放大至工业相关面积的工艺。然而，从实验室电池（<0.1 cm²）到工业级组件（>100 cm²）的规模化过程中，均匀沉积与低损耗互连是两大核心挑战。传统溶液法（如刀片涂布、狭缝涂布）在放大时因溶剂蒸发、结晶动力学复杂导致性能显著下降，而气相沉积技术（如共蒸发）被认为是实现均匀大面积沉积的有效途径。

不同沉积技术的效率与面积关系

 

溶液法放大时 PCE 损失显著（如面积从 0.8→42.9 cm² 时损失 19.7%），平均放大损失为7.4%/dec。本研究的全蒸发+激光划刻技术在4→51 cm²时损失仅3.1%/dec，接近传统薄膜技术（如 CIGS、c-Si、CdTe）。采用美能钙钛矿P1激光划线测试仪进行全激光划线可完成高精度互连（总宽度≤160 μm）。

全蒸发层制造与全激光刻蚀互连

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全蒸发层制备

全蒸发钙钛矿组件制备流程与层结构

 

流程示意：

• 玻璃基板→ITO 沉积→P1 划刻（隔离前电极）。
• 空穴传输层（spiro-TTB）→钙钛矿吸收层（共蒸发）→电子传输层（C60/BCP）→背电极（Au/Ag）。
• P2 划刻（连接背电极与前电极）→P3 划刻（隔离背电极）
• 全真空沉积避免溶液法的溶剂干扰，激光划刻为非接触工艺，兼容大面积生产。激光系统确保环境可控（氮气保护），减少钙钛矿氧化或吸水。

全激光划刻互连技术

激光划刻参数优化与形貌分析

 

使用532 nm纳秒激光完成P1（隔离前电极）、P2（连接前后电极）、P3（隔离后电极）刻蚀：

• P1：能量密度2 J·cm⁻²，速度50 mm/s，线宽60 μm；
• P2：能量密度0.35 J·cm⁻²，速度33 mm/s，线宽50 μm，接触电阻<1 Ω；
• P3：能量密度0.3 J·cm⁻²，速度100 mm/s，线宽25 μm。

性能验证：

• 电学特性：SEM-EDX显示P2线完全去除ETL/钙钛矿/HTL，残留铅信号<1%；
• 几何填充因子（GFF）：4 cm²组件GFF=96%，51 cm²组件GFF=94%，优于溶液法（GFF≈85%）；
• 生产兼容性：单激光源工艺简化设备复杂度，刻蚀速度（最高100 mm/s）支持量产节拍>1片/分钟。

（A）51 cm²钙钛矿吸收层PL成像;（B）4 cm²组件LBIC;（C）51 cm²组件LBIC及局部放大

 

均匀性：PL成像显示51 cm²钙钛矿层发光强度波动<5%，信号均匀，边缘效应极小；4 cm²组件：电流信号均匀，证实层间均匀性与低接触电阻。51 cm²组件：信号略有下降（ GFF 从 96% → 94% ），但仍优于多数溶液法模块。全蒸发工艺实现大面积均匀沉积，激光划刻未引入显著缺陷。

钙钛矿组件性能与损失分析

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(A)4 cm²组件PCE;(C)51 cm²组件PCE;(B)规模化损失;(D)51 cm²组件MPP追踪

 

4 cm²组件：PCE=18.0%（后向扫描），FF=81%，Voc=5.5 V，Jsc=20.2 mA/cm²。51 cm²组件：PCE=16.6%（后向扫描），FF=82%，Voc=19.0 V，Jsc=19.1 mA/cm²。损失分析：4→51 cm² 的总损失3.1%/dec中，GFF贡献 2.2%，其他机制（如电阻、缺陷）仅 0.9%。51 cm²组件在MPP跟踪下的稳定性，30 分钟内效率维持16.1%。全蒸发组件在大面积下仍保持高效，且稳定性良好。

不同技术的放大损失对比

• 溶液法（如刀片涂布、狭缝涂布）损失6.9–7.2%/dec。
• 全蒸发+激光划刻损失3.1%/dec，接近CIGS（~3%）、c-Si（~2%）等传统技术。
• 气相沉积结合激光划刻是目前钙钛矿放大中效率损失最低的技术路径。

本研究通过全蒸发层制造与全激光划刻的协同，成功实现了钙钛矿组件的高效规模化放大。全真空沉积工艺解决了大面积均匀性问题，而单光源纳秒激光划刻简化了互连流程并降低了电阻损耗。所得组件在51 cm²面积下仍保持16.6%的效率，放大损失仅 3.1%/dec，标志着钙钛矿光伏向工业化迈出重要一步。

美能钙钛矿P1激光划线测试仪

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美能钙钛矿P1激光划线测试仪是一款专为钙钛矿太阳能电池P1激光划线工序设计的高精度测试设备。设备可以通过探针与样品直接接触，测试其电阻等参数，精准判断P1划线的优劣情况。

• 通断测试功能：可进行通断测试，确保电池区域的清晰界定和电流泄漏的减少。
• 高效测试能力：整机TT小于60秒，显著提高生产效率。
• 双检测组件设计：双检测组件，每个组件60根探针，间隔排布，方便增加补充功能（如高压修复等）。

通过全蒸发层制备结合美能钙钛矿P1激光划线测试仪进行全激光划线互连技术，实现了高效率和高均匀性的钙钛矿太阳能模块制造，为钙钛矿光伏技术的商业化迈出了重要一步。

原文参考：Upscaling of perovskite solar modules: The synergy of fully evaporated layer fabrication and all-laser-scribedinterconnections

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