单纳秒激光P1/P2/P3刻划实现>99.3%GFF的倒置钙钛矿模组

 

钙钛矿太阳能电池（PSCs）因高效率、低成本及制备灵活等优势被视为下一代光伏技术，但其商业化面临放大制备的挑战。将小面积电池串联集成制备钙钛矿太阳能模块（PSMs）是可行的放大路径，其中关键步骤是通过P1、P2、P3激光刻划实现子电池间的电学串联，以减少互连损耗。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。

本研究创新性地采用单一纳秒紫外激光源（355 nm）完成全部三步刻划，通过系统优化激光参数，显著降低了模块中的无效“死区”面积。在活性面积为4.0 cm²和10.8 cm²的倒置（p-i-n）结构PSMs中，分别实现了99.3% 和98.8% 的极高几何填充因子（GFF），其中4 cm²模块的死区面积仅为0.7%。该工艺路线与工业制造兼容性强，为钙钛矿光伏技术的大面积、低成本制造提供了重要技术参考。

实验方法

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展示通过P1-P2-P3互连定义区域的钙钛矿太阳能模块示意图

各尺寸倒置PSC冠军器件的J-V曲线；b 功率转换效率随活性面积变化的箱线图；c 各尺寸倒置PSC冠军器件的光伏性能参数表

研究采用经典的倒置PSC结构：Glass / FTO / PTAA / F-PEIA / 钙钛矿 / PCBM / BCP / Ag。模块制备流程与单电池相似，关键区别在于集成了激光刻划步骤：

P1：在沉积功能层前刻蚀FTO，定义子电池绝缘边界。

P2：在沉积空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层及缓冲层后，去除这些材料以暴露出FTO，形成子电池间前后电极的低阻连接通道。

P3：在蒸镀银背电极后，去除银及所有上层材料直至FTO，实现相邻子电池的背电极隔离。

所有刻划均使用同一台纳秒脉冲紫外激光设备，通过优化激光通量、扫描速度与次数，在保证刻划质量的同时最小化对周边功能层的热损伤。

实验结果

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a P2刻划的SEM俯视图；b EDX光谱瀑布图

a P2刻划内部和外部的EDX光谱；b P2的SEM图像及EDX元素分布图；c P3刻划内部和外部的EDX光谱；d P3的SEM图像及EDX元素分布图

a TLM拟合图；b 为TLM测试制备的样品示意图；c TLM分析测量参数汇总表

激光参数优化：通过SEM、EDX分析确认，在选定的激光通量下，P2能完全去除功能层而不损伤底层FTO；P3能彻底去除银背电极。传输长度法（TLM）测试表明，优化后的P2区域接触电阻较低，满足高效电荷传输要求。

具有不同P2刻划宽度及对应GFF的倒置4 cm² PSCs光伏性能参数箱线图

具有不同P3刻划宽度及对应GFF的倒置4 cm² PSCs光伏性能参数箱线图

刻划宽度影响：系统改变P2与P3刻划宽度发现，当二者均采用最小宽度（约45 μm）时，4 cm²模块性能最优，实现最高PCE（13.22%）与FF（0.61）。增大刻划宽度会导致串联电阻上升，性能下降，而旁路电阻基本不变，说明激光刻划主要影响串联接触质量，不影响体材料与界面特性。

a 具有5个子电池的倒置PSM照片（尺子单位为厘米）；b 单个PSC与具有7个子电池的PSM的J-V曲线及光伏参数对比；c 9子电池倒置PSM的外量子效率光谱（黑线）与积分电流曲线（红线）；d 新制备与老化（>1年）的10.8 cm² PSC模块的功率转换效率分布

具有不同数量子电池的倒置10.8 cm² PSM光伏参数箱线图

模块设计与性能权衡：对于10.8 cm²活性面积，考察了不同子电池数量（5-9个）的模块性能。结果表明，子电池数量过少（如5个）会因单个子电池宽度较大、串联电阻增加而导致效率下降；数量过多则会引入更多互连点，同样增加串联损耗。6-7个子电池的配置在效率与GFF（>98%）之间取得了最佳平衡。

工艺稳定性：将制备的模块在黑暗、惰性气氛中存放一年后，平均效率衰减低于5%，证明了激光刻划互连工艺具有良好的长期稳定性。

迄今为止发表的关于倒置钙钛矿太阳能模块的最相关工作概览

本研究证明了使用单一纳秒激光源实现连续P1-P2-P3互连的可行性。通过优化激光参数，倒置钙钛矿太阳能模块的死区面积显著降低：4 cm²活性面积模块为0.7%，10.8 cm²模块为1.2%。这些模块实现了极高的几何填充因子（GFF）。在10.8 cm²模块中，6或7子电池配置性能最佳，GFF高于98%。进一步增加子电池数会因串联电阻增加导致性能略微下降。最终，互连宽度约134 μm的倒置PSMs在4 cm²（2子电池）和10.8 cm²（5子电池）模块中分别实现了99.3%和98.8%的GFF。据作者所知，这是连续P1-P2-P3刻划工艺报道的最高GFF值，标志着该领域的重要进展。

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）。

美能钙钛矿P1激光划线测试仪通过探针接触式电阻测量，精准量化P1划线的绝缘性能与加工质量。本文研究证实，将P1线宽精确控制在~45μm是实现倒置钙钛矿模组超高几何填充因子（99.3%）与最小化死区的关键前提。该设备可为这一核心工艺参数的监控与优化提供直接、定量的数据支持，确保大规模生产中激光刻划工序的一致性与可靠性，是实现文献所述高性能模块不可或缺的质量控制工具。

原文参考：Inverted perovskite solar modules with 99.3% geometrical fill factor via nanosecond single laser patterning

 

 

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