????近日,科研人員依托在北京同步輻射裝置(BSRF)1W1A-漫散射實驗站開展的原位GIWAXS表征找到了鈣鈦礦在空氣中熱處理的完整降解機制,并第一次量化了一個存在于空氣環(huán)境中的關(guān)鍵窗口:約 123 ± 18 秒的“無降解時間窗”。在這個時間內(nèi),水和氧尚未觸發(fā)降解反應(yīng)。如果能在這個窗口里迅速完成晶體生長,就能真正實現(xiàn)“空氣下不降解的大面積退火”。
在過去十年間,鈣鈦礦太陽能電池實現(xiàn)實驗室突破,效率達到27%,已迅速逼近商用硅電池的性能上限。然而,當科研重心從小面積器件轉(zhuǎn)向大面積太陽能組件時,產(chǎn)業(yè)界遭遇了一個難以破解的根本矛盾:傳統(tǒng)小面積薄膜可通過旋涂法制備,在氮氣保護下經(jīng)長時間熱退火實現(xiàn)緩慢長晶;但卷對卷印刷、噴涂等可規(guī)?;苽涔に囁璧拇竺娣e濕膜,卻必須在空氣中完成處理。一旦退火時間稍有延長,水和氧便會引發(fā)鈣鈦礦降解、離子遷移與相分離,最終導(dǎo)致晶體塌陷及批次一致性差的問題,這也成為制約其組件走向大面積商業(yè)化的核心瓶頸之一。
研究團隊開發(fā)了能在 20 秒內(nèi)完成高能量輸入的 455 nm 激光退火技術(shù)(LA),其輻照強度達到 20 W/cm2,比傳統(tǒng)熱板退火高出兩個數(shù)量級,從源頭上避免 6H 相積累并保持完整 3C 鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。最終,他們在 100 cm2 模組上獲得了 24.0%(剛性)與 20.7%(柔性)的認證效率,刷新了可規(guī)?;苽溻}鈦礦組件的記錄,實現(xiàn)了真正意義上的“空氣環(huán)境、高速、高性能”三者兼得。相關(guān)成果以“Laser annealing enables rapid, degradation-free ambient processing of perovskite solar modules”為題發(fā)表在《Science》上(Science, 2025, 390, 905-910)。

圖1 常規(guī)空氣熱退火的四階段降解過程,并確定約123秒的無降解窗口

圖2激光退火如何避免6H相積累并快速形成高質(zhì)量3C鈣鈦礦結(jié)構(gòu)
審稿人對原位GIWAXS數(shù)據(jù)表征給予了高度評價:“The authors have provided 30 GIWAXS scans to back up their claims that the degradation free window is reproducible. This is a very important dataset for their claims and I appreciate the authors taking the time to run this experiment to prove statistical reliability.”