來源：科學(xué)10分鐘

在過去十年里，鈣鈦礦太陽能電池從實(shí)驗(yàn)室突破 27% 效率，迅速逼近商用硅電池的性能上限。但當(dāng)科研從小面積器件邁向大面積太陽能組件時，產(chǎn)業(yè)界遇到了一個難解的根本矛盾：傳統(tǒng)旋涂小面積薄膜可以在氮?dú)獗Ｗo(hù)下長時間熱退火，慢慢長晶，但用于卷對卷印刷、噴涂等可規(guī)模化制備的大面積濕膜卻必須在空氣中處理。只要退火時間稍微延長，水和氧就會驅(qū)動鈣鈦礦降解、離子遷移、相分離，最終導(dǎo)致晶體塌陷和批次不一致。也就是說，工業(yè)化需要快，但鈣鈦礦偏偏“慢不得”，這成為阻礙組件走向大面積商業(yè)化的核心瓶頸之一。

在此，南昌大學(xué)陳義旺教授，胡笑添教授和廣安理工學(xué)院李鴻祥等人通過原位掠入射廣角X射線散射分析，揭示了在熱處理過程中鈣鈦礦的四階段降解機(jī)制，并識別出一個123±18秒的無環(huán)境降解窗口，在此期間水和氧氣的影響被顯著減輕。激光退火（波長455納米，功率密度20W cm?2）提供的輻照強(qiáng)度比傳統(tǒng)熱方法（0.06W cm?2）高出兩個數(shù)量級，從而防止了六方相鈣鈦礦的積累。這一策略實(shí)現(xiàn)了24.0%（在100cm2剛性模塊中）和20.7%（在柔性對應(yīng)物中）的光電轉(zhuǎn)換效率，這些是可擴(kuò)展鈣鈦礦光伏技術(shù)中報告的高值。

相關(guān)文章以“Laser annealing enables rapid, degradation-free ambient processing of perovskite solar modules”為題發(fā)表在Science上！

01

研究背景

小面積（<0.1cm2）金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）已提高到超過27%，達(dá)到了商業(yè)光伏技術(shù)的水平。為了實(shí)現(xiàn)這些PCE，精確控制的惰性氣體環(huán)境下的熱退火已成為標(biāo)準(zhǔn)做法。

鈣鈦礦材料的溶液可加工性優(yōu)勢為高通量和成本效益的卷對卷（R2R）技術(shù)提供了途徑。作為一種多晶材料，鈣鈦礦的晶體質(zhì)量，包括結(jié)晶度、化學(xué)計(jì)量比和均勻性，在決定PCE和器件穩(wěn)定性方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

盡管在加速老化測試中，大面積鈣鈦礦太陽能模塊（PSMs）的操作壽命已延長至數(shù)千小時，接近實(shí)際使用要求，但其仍落后于小面積PSCs。從PSCs到PSMs的高效放大受到諸如傳輸層覆蓋等因素的阻礙，這影響了跨層的熱傳遞均勻性，實(shí)現(xiàn)晶體質(zhì)量的均勻性已成為一個關(guān)鍵研究重點(diǎn)。

延長退火時間可以改善鈣鈦礦的結(jié)晶度，但它也加劇了環(huán)境條件下的降解。淺層缺陷源于組分揮發(fā)，深層缺陷則由離子遷移導(dǎo)致，這兩者都對大面積薄膜的均勻性產(chǎn)生影響。長時間退火加速了水（H2O）和氧氣（O2）與鈣鈦礦薄膜的相互作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)降解、晶體坍塌以及保持批次一致性方面的挑戰(zhàn)。

向高通量連續(xù)制造的轉(zhuǎn)變不僅需要快速薄膜沉積，還需要加快后處理以提高PSMs的制造效率。在大多數(shù)報道的高效率PSC制造過程中，退火時間在惰性氣體條件下從幾十分鐘到數(shù)小時不等。

然而，這些延長的處理時間對于鈣鈦礦太陽能板的大規(guī)模生產(chǎn)來說太長了。傳統(tǒng)的熱退火難以與鈣鈦礦薄膜的高速生產(chǎn)需求相協(xié)調(diào)，而使用大規(guī)模真空爐則會導(dǎo)致過高的資本成本。因此，在環(huán)境條件下減少后處理時間對于最小化能源消耗和提高優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的產(chǎn)量至關(guān)重要，從而平衡生產(chǎn)效率、可制造性和性能。

02

主要內(nèi)容

開發(fā)一種快速、精確且高效的退火技術(shù)對于克服高通量制造中的挑戰(zhàn)至關(guān)重要。本文提出了一種納秒激光退火（LA）技術(shù)，它能夠在環(huán)境條件下快速后處理鈣鈦礦薄膜。通過原位掠入射廣角X射線散射（GIWAXS），我們描繪了鈣鈦礦薄膜在環(huán)境條件下演變的四個不同階段：無環(huán)境降解窗口（123±18秒）、H2O降解階段、穩(wěn)定階段和O2降解階段。

利用無環(huán)境降解窗口，本文以比傳統(tǒng)熱方法（0.06W cm?2）高兩個數(shù)量級的輻照強(qiáng)度（20W cm?2）為鈣鈦礦晶體生長提供了必要的能量。對于100cm2的開口面積，整個LA過程在大約20秒內(nèi)完成，有效防止了鈣鈦礦薄膜的降解。

透射電子顯微鏡（TEM）證實(shí)了LA薄膜的高度結(jié)晶一致性，深能級瞬態(tài)光譜（DLTS）表明LA有效減少了深能級缺陷位點(diǎn)。這種方法在帶隙為1.57eV（26.2%對比24.0%）和1.67eV（22.6%對比20.4%）的鈣鈦礦器件上得到了驗(yàn)證。在100cm?2的剛性和柔性PSMs上分別實(shí)現(xiàn)了認(rèn)證的24.0%和20.7%的PCE。開路電壓（VOC）和填充因子（FF）的乘積達(dá)到了肖克利-奎塞爾（S-Q）極限的89%。

圖1.環(huán)境條件下熱退火的局限性

圖2.LA防止了6H相的積累

圖3.環(huán)境條件下鈣鈦礦薄膜與器件缺陷的修復(fù)

圖4.裝置光電性能及穩(wěn)定性

03

結(jié)論展望

綜上所述，本文開發(fā)了一種激光退火技術(shù)，用于在環(huán)境條件下對鈣鈦礦薄膜進(jìn)行高質(zhì)量的后處理。該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)快速的能量輸入，并顯著提升鈣鈦礦器件的性能和穩(wěn)定性。與相同尺寸的傳統(tǒng)方法相比，認(rèn)證PCE分別提高了3.0%和5.0%。這項(xiàng)工作建立了一種適用于大面積光伏的高通量和可擴(kuò)展的后處理策略，為高性能鈣鈦礦太陽能電池和模塊的工業(yè)化提供了一條具有商業(yè)可行性的路徑。通過實(shí)現(xiàn)在環(huán)境條件下的高效制造，激光退火過程代表了鈣鈦礦太陽能技術(shù)廣泛部署的變革性進(jìn)步。

04

文獻(xiàn)信息

Zhaoyang Chu?, Baojin Fan?, Yue Zhao, Yihuan Xie, Yaling Luo, Junliang Li, Chenxiang Gong, Yong Zhang, Xiangchuan Meng, Yu Chen, Hongxiang Li*, Xiaotian Hu*, Yiwang Chen*,Laser annealing enables rapid, degradation-free ambient processing of perovskite solar modules, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx9650

由于公眾號改版，為防錯過更多資源，給我們加個星標(biāo)吧

說明：來源：科學(xué)10分鐘，如需轉(zhuǎn)載，請?jiān)陂_頭注明來源。僅供學(xué)習(xí)交流分享使用，版權(quán)歸原作者所有，文章只代表作者本人觀點(diǎn)，不代表公眾號立場。如有侵權(quán)，請聯(lián)系我們（Hilib oy）刪除，感謝支持！也歡迎有興趣的朋友分享、投稿、申請轉(zhuǎn)載、互開長白。

了解更多信息

↓↓↓歡迎點(diǎn)贊和推薦哦