钙钛矿太阳能组件（PSMs）紫外激光划刻工艺：P1/P2/P3全流程解析

随着全球对可再生能源需求的激增，钙钛矿太阳能组件（PSMs）因其高光电转换效率和低成本制备潜力，成为光伏领域的研究热点。然而，其产业化面临的关键挑战之一是串联互连工艺中激光划刻的精度与可靠性。激光划刻直接决定了组件的几何填充因子（GFF）、串联电阻和长期稳定性。传统的多激光源划刻方案成本高昂，而纳秒紫外激光（355 nm）因其短波长、低穿透深度和材料普适性，被视为实现单一激光源全工艺步骤划刻的理想选择。本研究采用单一纳秒紫外激光器（355nm）实现PSM串联互连中的所有划刻步骤（P1-P3），并利用美能钙钛矿在线透过率测试机对关键功能层（如TCO、钙钛矿和金属电极）进行原位光学性能检测，确保划刻工艺的稳定性和可重复性。

钙钛矿太阳能组件（PSMs）制备

 Millennial Solar 

 

 

串联n-i-p型钙钛矿太阳能组件中P1-P2-P3划刻工艺流程

 

基底处理：玻璃/ITO和玻璃/FTO基底依次用稀释清洁剂、去离子水和异丙醇超声清洗20分钟，随后UV-O₃处理20分钟。功能层沉积：

• SnO₂电子传输层：商业SnO₂纳米颗粒悬浮液稀释后旋涂（3000rpm，30s），150°C退火20分钟。
• 钙钛矿光吸收层：三元阳离子溶液（Cs₀.₀₅FA₀.₈₁MA₀.₁₄PbI₂.₅₅Br₀.₄₅）采用两步旋涂法（2000rpm→6000rpm），120°C退火20分钟。
• 界面修饰层：PVK溶液旋涂（3000rpm，30s），70°C退火30分钟。
• 空穴传输层：CuInS₂墨水旋涂两次（3000rpm，100°C退火），总厚度<100nm。
• 金属电极：Au层（75nm）通过热蒸发沉积。

P1-P2-P3 划刻工艺参数

 Millennial Solar 

 

 

串联互连结构（以 n-i-p 型 PSM 为例）包含三个关键划刻步骤：

• P1：透明导电层（TCO，如 ITO/FTO）划刻，实现电学隔离；
• P2：去除电子传输层（ETL）/ 钙钛矿层（PSK）/ 空穴传输层（HTL），连接相邻单元的 TCO 与背电极；
• P3：背电极（如 Au）划刻，隔离相邻单元。其核心工艺目标是在确保电性能的同时最小化死区面积。

P1划刻工艺优化

 Millennial Solar 

 

 

玻璃/ITO和玻璃/FTO样品上划刻条纹（P1）SEM图像及轮廓（a-f为玻璃/ITO，m-r为玻璃/FTO）

• 玻璃/FTO基板（厚度>600 nm）：在重复频率25-80 kHz、平均功率675 mW条件下，可获得边缘清晰、无明显材料堆积的划刻条纹。
• 玻璃/ITO基板（厚度约200 nm）：低频（25 kHz）易导致激光能量集中，引起基板局部过热和微裂纹。
• 柔性PEN/ITO基板：需将平均功率控制在633 mW以下，并配合机械清洁工艺使边缘高度从8000 nm降至4000 nm。

P2划刻工艺研究

 Millennial Solar 

 

 

（a）到（f）在玻璃/ITO/SnO₂结构上划刻的钙钛矿层（P2）的SEM图像

 

紫外激光选择性优势：355nm波长下，钙钛矿吸收远高于TCO（如SnO₂），可实现精准去除而不损伤底层。关键工艺参数影响：

• 频率增加（25→150 kHz）可抑制ITO开裂，但会增大残留颗粒
• 最优扫描速度为400 mm/s（≤200 mm/s易导致ITO过热）
• 功率窗口为119-234 mW（≥285 mW会造成ITO严重损伤）

玻璃/ITO/SnO₂/PSK/PVK/CuInS₂结构在划刻前后透射光谱

 

透射光谱验证：功率150mW时，多次划刻仍存在钙钛矿残留；功率≥234mW时，ITO损伤加剧但残留减少。最优窗口为150-234mW（80kHz,400mm/s）。

P3划刻工艺优化

 Millennial Solar 

 

 

不同参数下Au薄膜（P3）刻蚀的光学显微镜图像

 

P3划刻的目的是在背电极（如Au薄膜）上形成隔离条纹，以防止相邻单元之间的短路。通过调整参数，可以在不损伤底层钙钛矿层的情况下，实现精确的背电极划刻。实验发现，Au电极分割的最佳工艺参数为：

• 重复频率：100-150 kHz
• 平均功率：约100 mW 该参数组合可有效避免金属层剥离和边缘损伤。

纳秒紫外激光（355nm）通过精确调控功率密度、频率和扫描速度，成功实现钙钛矿太阳能组件（PSMs）串联互连的P1-P3划刻。P1划刻：FTO基底耐受性优于ITO，柔性PEN/ITO需优化边缘清理。P2划刻：紫外激光提供宽参数窗口（119-234mW），透射光谱快速验证残留。P3划刻：高频低功率避免金属剥离，分割后效率稳定。

美能钙钛矿在线透过率测试机

 Millennial Solar 

 

 

钙钛矿太阳能电池的在线透过率检测设备是一种实时监测钙钛矿薄膜、透明氧化玻璃或组件光学透过率的系统，用于优化工艺、确保均匀性并提升电池效率。

• 精确度高：测量精度达到0.01%，能提供精确的透射比数据 
• 稳定性好：测量稳定性＜0.1%，在重复测试10次中能够提供稳定的数据，保证了测试结果的可靠性 
• 高效率与自动化：大面积扫描（如0.6m×1.2m基板）可在秒级完成

结合美能钙钛矿在线透过率测试机的薄膜光学监测，可快速验证P2划刻中钙钛矿残留并优化工艺，为低成本、高效率钙钛矿太阳能组件（PSMs）的规模化生产提供了技术支撑。

原文参考：UV Laser Scribing for Perovskite Solar ModulesFabrication, Pros, and Cons

*特别声明：「美能光伏」公众号所发布的原创及转载文章，仅用于学术分享和传递光伏行业相关信息。未经授权，不得抄袭、篡改、引用、转载等侵犯本公众号相关权益的行为。内容仅供参考，若有侵权，请及时联系我司进行删除。