鈣鈦礦太陽能電池在小面積電池中已實現(xiàn)超過27%的功率轉(zhuǎn)換效率，展現(xiàn)出巨大的商業(yè)化潛力。然而，從實驗室小面積電池向大面積組件的產(chǎn)業(yè)化推進過程中，傳統(tǒng)熱退火工藝面臨關(guān)鍵瓶頸：為獲得高質(zhì)量晶體需要在惰性氣氛中進行長時間退火，這與低成本、高通量的卷對卷生產(chǎn)工藝要求嚴(yán)重不符；若直接在環(huán)境氣氛中進行退火，水氧分子又會迅速引發(fā)鈣鈦礦薄膜降解，導(dǎo)致晶體質(zhì)量下降和性能衰減。美能鈣鈦礦復(fù)合式MPPT測試儀采用AAA級LED太陽光模擬器作為老化光源，可通過多種方式對電池進行控溫并控制電池所處的環(huán)境氛圍，進行長期的穩(wěn)定性能測試。

本研究通過原位GIWAXS分析揭示了環(huán)境退火中的四階段降解機制，并識別出關(guān)鍵的"無降解窗口期"(123±18秒)。基于此發(fā)現(xiàn)，我們開發(fā)了一種激光退火技術(shù)，利用高輻照度(20 W/cm2)在秒級時間內(nèi)完成能量注入，既滿足了晶體生長的能量需求，又避免了水氧降解的發(fā)生。該技術(shù)成功解決了鈣鈦礦組件在環(huán)境氣氛加工中的核心難題，為實現(xiàn)高性能鈣鈦礦光伏組件的大規(guī)模制造提供了切實可行的技術(shù)路徑。

環(huán)境氣氛下熱退火的局限性

(A) 鈣鈦礦薄膜在10分鐘熱退火過程中的原位GIWAXS圖；(B) 3C、6-CsPbI?、2H、4H、6H和PbI?相沿qz方向的GIWAXS強度隨時間演變。藍(lán)色虛線圓圈表明PbI?相的組成保持不變；(C) 環(huán)境條件下潛在的降解過程示意圖

傳統(tǒng)熱退火（TA）需在惰性氣氛中長時間進行（數(shù)十分鐘至數(shù)小時），不利于大面積連續(xù)生產(chǎn)。通過原位廣角X射線散射（GIWAXS）分析，我們揭示了鈣鈦礦薄膜在環(huán)境氣氛退火過程中的四階段降解機制：

無降解窗口期（123 ± 18 秒）：溫度升至100°C，6H相逐漸增加，PbI?相未變化，水氧尚未引發(fā)降解。

水降解階段：H?O分子破壞表面I?與Pb2?鍵合，導(dǎo)致FA?脫附并形成PbI?。

穩(wěn)定階段：PbI?層作為保護屏障，減緩水解降解。

氧降解階段：O?與富PbI?表面反應(yīng)生成碘酸鉛[Pb(IO?)?]，造成結(jié)構(gòu)坍塌與空位缺陷。

即使縮短退火時間（STA），仍無法避免降解，且光電性能劣于TA電池。

激光退火抑制6H相積累

(A) 1分鐘激光退火過程中的原位時間分辨GIWAXS圖譜；(B) 熱退火（環(huán)境無降解窗口階段）和激光退火過程中3C:6H強度比隨時間的變化；(C) 熱退火和激光退火對鈣鈦礦相變不同影響的示意圖；(D) 1分鐘熱退火和激光退火的原位GISAXS曲線圖；(E) 熱退火和激光退火過程中晶粒尺寸變化曲線

LA采用455 nm波長、20 W/cm2的輻照度，較TA（0.06 W/cm2）高兩個數(shù)量級，可在約20秒內(nèi)完成100 cm2薄膜處理。通過GIWAXS與GISAXS分析發(fā)現(xiàn)：

LA促使3C相快速形成并穩(wěn)定，而δ-CsPbI?、2H、4H和PbI?相迅速減少。

6H相在LA過程中短暫上升后迅速下降，而在TA中持續(xù)積累。

3C:6H強度比在LA中達6.5（TA僅1.94），表明LA有效促進6H向3C相轉(zhuǎn)變。

掃描電鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）顯示LA薄膜晶粒均勻、無PbI?與孔洞，原子級圖像進一步證實其具有典型的3C立方結(jié)構(gòu)。

LA降低應(yīng)變與缺陷

(A) 大面積鈣鈦礦薄膜被均勻劃分為100個測量點；(B) 按(A)方法制備的TA和LA鈣鈦礦薄膜上100個測量點的烏爾巴赫能量測量值；(C) TA和LA器件的DLTS信號；(D) 用于識別TA和LA器件中陷阱的阿倫尼烏斯圖；(E) 缺陷的相應(yīng)俘獲截面，代表能級俘獲電子的概率；(F) 帶隙內(nèi)深能級陷阱的示意圖

通過幾何相位分析（GPA）和X射線衍射（XRD）發(fā)現(xiàn)，TA薄膜中PbI?納米團簇和中間相引起晶內(nèi)應(yīng)變，而LA薄膜應(yīng)力顯著降低。缺陷分析表明：

Urbach能量（E?）：LA薄膜E?更低且分布均勻，TA薄膜邊緣E?較高，反映其晶體質(zhì)量不均。

深能級瞬態(tài)譜（DLTS）：TA電池存在兩個p型深能級陷阱（D1: 0.385 eV，D2: 0.528 eV），D2缺陷密度高達1.85×101? cm?3；LA電池僅有一個淺陷阱（D1: 0.305 eV），捕獲截面小30倍。

熒光性能：LA薄膜的PLQY達9.7%（TA為4.3%），載流子壽命延長至1.67 μs（TA為0.83 μs），表明非輻射復(fù)合被有效抑制。

電池光電性能與穩(wěn)定性

Millennial Solar

(A) PSCs和PSMs的結(jié)構(gòu)示意圖；(B) 1.57-eV PSCs的功率轉(zhuǎn)換效率；(C) TA和LA PSCs的填充因子損失計算；(D) TA和LA PSCs的準(zhǔn)費米能級分裂計算；(E) 1.57-eV剛性PSM的認(rèn)證效率；(F) 1.57-eV柔性PSM的認(rèn)證效率；(G) 加速熱穩(wěn)定性壽命測試[85°C, 85%相對濕度，環(huán)境空氣]；(H) 連續(xù)最大功率點跟蹤運行穩(wěn)定性測試（光熱穩(wěn)定性）

基于LA和TA薄膜制備的PSCs和PSMs結(jié)構(gòu)為：玻璃/PEN/ITO/MeO-2PACz/Al?O?/鈣鈦礦/PEAI/LiF/C??/BCP/Ag。結(jié)果顯示：

小面積PSCs（1.57 eV）：LA電池PCE達26.2%（TA為24.0%），VOC和FF分別提升至1.20 V和85.8%，達到S-Q極限的89%。

大面積PSMs：100 cm2剛性與柔性組件認(rèn)證效率分別為24.0%和20.7%，子電池效率分布更均勻。

穩(wěn)定性測試：

在85°C/85%RH條件下，LA-PSM在864小時后保持85%初始效率，TA-PSM在504小時后僅剩65%。

在連續(xù)光照MPPT測試中，LA-PSM在1800小時后保持95%效率，TA-PSM僅維持950小時。

本研究開發(fā)了一種適用于常壓條件下鈣鈦礦薄膜高質(zhì)量后處理的激光退火技術(shù)，該技術(shù)能夠快速輸入能量，顯著提升鈣鈦礦電池的性能和穩(wěn)定性。在帶隙為 1.57 電子伏特（PCE：26.2% vs 24.0%）和 1.67 電子伏特（PCE：22.6% vs 20.4%）的鈣鈦礦電池中，該技術(shù)的有效性得到了驗證。對于 100 平方厘米的剛性和柔性鈣鈦礦太陽能組件，經(jīng)認(rèn)證的 PCE 分別達到 24.0% 和 20.7%，同尺寸組件的認(rèn)證 PCE 分別提升 3.0% 和 5.0%。

該研究為大面積光伏電池提供了一種高通量、可規(guī)?；暮筇幚聿呗?，為高性能鈣鈦礦太陽能電池和組件的產(chǎn)業(yè)化提供了商業(yè)可行的路徑。激光退火工藝實現(xiàn)了常壓條件下的高效制造，是鈣鈦礦太陽能技術(shù)廣泛應(yīng)用的一項變革性進展。

鈣鈦礦復(fù)合式MPPT測試儀

Millennial Solar

美能鈣鈦礦復(fù)合式MPPT測試儀采用A+AA+級LED太陽光模擬器作為老化光源，以其先進的技術(shù)和多功能設(shè)計，為鈣鈦礦太陽能電池的研究提供了強有力的支持。

• 3A+光源，光源壽命10000h+，真實還原各場景實際光照條件

可選配恒溫恒濕箱，滿足IS0S標(biāo)準(zhǔn)

多型號電子負(fù)載可選，多通道獨立運行

不同波段光譜輸出可調(diào)：7.350-400nm/400-750nm/750-1150nm均獨立可控

美能鈣鈦礦復(fù)合式MPPT測試儀主要應(yīng)用于成品鈣鈦礦單結(jié)，疊層成品電池穩(wěn)定性測試。由于鈣鈦礦電池的輸出特性易受光照、溫度等環(huán)境因素影響，其最大功率點會頻繁波動。MPPT控制器通過實時追蹤并鎖定最大功率點，能確保系統(tǒng)始終以最優(yōu)功率輸出。這不僅能最大化發(fā)電量，還能提升整個光伏系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。

原文參考：Laser annealing enables rapid, degradation-free ambient processing of perovskite solar modules

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